王雅杰

（寶雞市水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院 陜西 寶雞 721000）

1 概述

孔頭溝水庫大壩位于岐山縣故郡、蒲村鎮(zhèn)交界之孔頭溝，為小⑴型四等水利工程。水庫總庫容894萬m3，興利庫容590萬m3。該庫在渭河水系漆水河二級支流龍尾溝河上游，壩址斷面以上流域面積44.1km2，大壩下游300多米為牟家村所在地，常住人口400多人，3km處有西寶北線公路穿過。水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩頂長553 m，壩高42.1 m，壩頂寬23 m。馮家山水庫灌區(qū)的北干渠從壩頂通過，干渠的上下游為渠堤，亦為壩頂路面，下游兼做通村道路。大壩迎水面坡比從上到下依次為：1∶2、1∶2.5、1∶3，背水坡比從上到下依次為1∶1.7.5、1∶2、1∶2.25、1∶2.5。從壩頂向下每10 m設(shè)一戧臺，迎水坡二道，戧臺寬2 m，背水坡三道，戧臺寬1.5 m。下游利用原河床砂卵石覆蓋層作為褥墊式排水。上游護(hù)坡為干砌石護(hù)坡，下游壩坡草皮護(hù)坡，設(shè)有壩坡排水系統(tǒng)。該庫樞紐右岸布設(shè)有放水洞、馮家山灌區(qū)北干渠的退水道和抽水站。放水洞全長125 m，校核洪水情況最大泄流量為4.16m3/s，退水道功能一為北干渠的事故退水，二為馮家山水庫調(diào)節(jié)有余水時(shí)給孔頭溝水庫補(bǔ)蓄，長276.72 m，設(shè)計(jì)流量26m3/s。

孔頭溝水庫主要功能是壩頂承擔(dān)馮家山灌區(qū)北干渠的輸水，涉及到下游50多萬畝農(nóng)田灌溉；再者，解決該庫大壩以上北干渠事故等退水問題。同時(shí)還有養(yǎng)殖、防洪、城鄉(xiāng)供水等綜合效益。

2 病險(xiǎn)問題

孔頭溝水庫是上世紀(jì)70年代初興建，1973年4月完工。工程建設(shè)正處于“文革”期間，邊勘測，邊設(shè)計(jì)，邊施工，帶有“三邊工程”普遍的質(zhì)量隱患，又經(jīng)過了近40年的帶病運(yùn)行，工程的安全問題以及可能次生危害令各級管理部門及運(yùn)行單位、下游人民群眾等非常擔(dān)憂。根據(jù)中省有關(guān)病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固的決策部署任務(wù)要求，2000年9月，陜西省、寶雞市相關(guān)部門對該庫大壩進(jìn)行安全鑒定，評定結(jié)果為三類壩。主要問題是：水庫現(xiàn)有的防洪能力不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求；大壩壩頂渠道不均勻沉降變形嚴(yán)重（安監(jiān)后已經(jīng)過改造）；大壩壩坡穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求；大壩監(jiān)測系統(tǒng)不完善。

3 加固方案

3.1 大壩加固

大壩上游壩坡滲流及抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。原上游壩坡為干砌石護(hù)坡，經(jīng)過多年水位升降浸蝕等原因，上游坡外觀凹凸不平，局部塌陷、塊石風(fēng)化、殘缺不全。本次設(shè)計(jì)先拆除原干砌石護(hù)坡，全面探查，對于存在的塌陷及裂縫進(jìn)行開挖回填夯實(shí)，按原設(shè)計(jì)坡比修整邊坡，重新鋪設(shè)砂卵石反濾層，砌筑干砌石坡面。

下游壩坡抗滑穩(wěn)定經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算不符合規(guī)范要求，需進(jìn)行培厚處理，總的設(shè)計(jì)原則是在最危險(xiǎn)滑坡體的前緣加重壓坡，將原來較陡的坡度變緩，提高壩體抗滑穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中采用多個(gè)培厚方案，進(jìn)行滲流及穩(wěn)定計(jì)算，最終選用既滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求，且工程量最小的方案。即從高程655.36 m平臺培厚8.5 m，以1∶2.5的坡一直到639.50 m(原建基面)。在壩腳新建棱柱式排水體，并沿排水體外側(cè)修建一條砌石排水渠，使壩體滲流能順利通過壩腳棱柱排水體排出并匯集大壩背水坡縱橫向排水溝水流，導(dǎo)入下游左岸主河槽，并對下游河道因勢利導(dǎo)、進(jìn)行疏浚處理。

修復(fù)原損壞的縱橫向壩坡排水系統(tǒng)，并對背水坡種植草皮護(hù)坡。

3.2 新建溢洪道

按現(xiàn)行規(guī)范孔頭溝水庫校核洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為500年，而該庫原設(shè)計(jì)為100年，加之該庫唯一的放水設(shè)施（放水洞）的泄量只有4.16m3/s，與宣泄洪水的需要相差甚遠(yuǎn)。因此，增設(shè)作為水庫三大件之一的溢洪道是必需的。

該水庫大壩右岸已經(jīng)建有退水道、放水洞以及抽水站，沒有布置溢洪道的條件，而左岸地形開闊，塬面較平坦，大壩下游主河槽水流靠近左岸，擬建溢洪道出口可與原主河槽水流平順連接。水庫大壩左岸為黃土斜坡地帶，地層主要為Q32eol黃土、古土壤，Q31eol+pl黃土，Q2eol+pl黃土狀壤土及古土壤。經(jīng)分析比較，將溢洪道布置在左岸。

擬建溢洪道形式為河岸正堰開敞式溢洪道，自由式泄流。溢洪道初步設(shè)計(jì)確定有兩個(gè)方案?？最^溝水庫為渠庫結(jié)合工程，馮家山北干渠以明渠形式從壩頂及壩肩通過，溢洪道與北干渠軸線平面上呈68°相交，溢洪道過北干渠段修筑涵洞，從北干渠和壩頂?shù)缆废旅娲┻^。

溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、陡槽段、消力池、出水渠等組成。

溢洪道陡槽段根據(jù)實(shí)際地形經(jīng)過反復(fù)比較確定采用一坡到底（i=0.148），這種布置導(dǎo)致從0+128樁號以下的底板處于地下水位以下，這可以通過在底板下設(shè)置縱橫向排水設(shè)施來解決。如果將一坡改為兩坡，抬高底板，雖說使陡槽段建筑物不受地下水的影響，但是第二道坡坡度太陡，接近1∶1（一般為1/3～1/10），將使陡坡末端流速在校核工況時(shí)達(dá)到22.74m/s（采用一坡時(shí)為15.66m/s），流速太大，可能帶來空蝕、沖擊波和脈動等不利影響，陡槽緊接的消力池深度和長度將增大，結(jié)構(gòu)要求也比較高。

溢洪道橫斷面是采用矩形還是梯形，經(jīng)過比較，總體來說，梯形工程量較矩形大。這是由于在同等開挖深度情況下，梯形開口大，兩側(cè)渠岸再留平臺后，在高邊坡情況下，挖方量顯著增加。經(jīng)過對采用兩種橫斷面的工程項(xiàng)目進(jìn)行造價(jià)核算，矩形為321.83萬元，梯形為350.53萬元。矩形造價(jià)低28.7萬元，還具有水流流態(tài)好等優(yōu)點(diǎn)，因此選用選用矩形橫斷面方案。

表1 校核工況(Q=128.50m3/s)時(shí)陡槽水面線計(jì)算表

表2 設(shè)計(jì)工況(Q=61.54m3/s)時(shí)陡槽水面線計(jì)算表

溢洪道總長度為331.20 m。其中：

（1）進(jìn)水渠(0-011.699～0-000.699)。長度11 m，平面上為八字型。

（2）控制段(0-000.699～0+008.341)。水平長9.04 m，包括溢流堰及兩邊側(cè)墻。堰頂高程為水庫正常高水位，也是溢洪道的起調(diào)水位670.5 m。在壩頂和溢洪道堰頂高程已定的情況下，經(jīng)過反復(fù)多次比較，選定堰型為WE S實(shí)用堰。堰寬B=10 m，在校核洪水位時(shí)，堰上最大水頭Hmax=3.31 m，堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭Hd=2.48 m，選取WE S堰的流量系數(shù)m=0.483，最大泄洪流量Q=128.50m3/s，單寬流量q=12.85m2/s。堰后接一收縮消力塘(0+008.341～0+032.341)來縮窄寬度，其總長度24 m，采用自由出流形式，底寬從10 m縮窄為5 m，其中收縮段(0+008.341～0+020.341)長度L1=12 m，調(diào)整段(0+020.341～0+032.341)長度L2=12 m，該段比降為0，堰后收縮段起點(diǎn)(0+008.341)壅水水深通過能量公式試算得6.29 m，流速2.04m/s。

（3）陡槽段(0+032.341～0+215.061)。為一直段，水平總長為182.717 m。根據(jù)地形條件，確定陡槽的有關(guān)參數(shù)為：比降i=0.148，寬B=5 m，單寬流量q=25.7m3/s。陡槽段分為二段，依次為涵洞（水平長82.55 m），明槽（長100.17 m）。采用分段求和法計(jì)算陡槽水面線，起始點(diǎn)hk2=4.08 m,Vk2=6.30m/s,底板高程為663.70 m，其陡槽末收縮水深hc'=1.37 m，考慮摻氣后水深hc=1.60 m，V=18.79m/s。

（4）消力池(0+215.061～0+245.061)。據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252—2000）規(guī)定，消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)：4等建筑物洪水重現(xiàn)期為20年，且出現(xiàn)超過消能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水時(shí)，不危及主要建筑物的安全?？最^溝水庫溢洪道為4等建筑物，消力池防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為20年，但考慮壩腳安全，消力池設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)定為50年，即為水庫的設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期。

經(jīng)調(diào)洪驗(yàn)算得：50年一遇洪水，溢洪道下泄流量Q=63.2m3/s，堰上水頭為1.98 m，經(jīng)重新計(jì)算各部分過流情況（堰，過渡收縮段，陡槽段），采用分段求和法計(jì)算陡槽水面線，起點(diǎn)臨界水深為2.50 m，臨界流速為4.92m/s，陡槽末端水深hc′=0.79 m，加摻氣水深后為hc=0.90 m，Vc=15.66m/s。

根據(jù)溢洪道末端地形及計(jì)算的有關(guān)水力參數(shù)進(jìn)行比較，確定采用漸擴(kuò)式矩形斷面消力池。其參數(shù)如下：

起始斷面寬b1=5 m，結(jié)束斷面寬b2=10 m；

收縮水深hc=0.90 m；

共軛水深hc＂=4.43 m；

消力池長度L1=30 m；

（5）出水渠(0+245.061～0+317.461)。消力池后接出水渠，總長72.40 m,采用矩形明渠,其中有一轉(zhuǎn)彎，R=50 m，i=1/500，B=10 m，水深ht=1.89 m，因hc＂=4.43 m＞ht=1.89 m，將產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，故需做消力坎，其高度d=1.05hc＂－h(huán)t=2.76 m，取d=2.80 m。

出水渠末有10 m長漸擴(kuò)段，首端寬度為10 m，末端寬度為20 m，其后設(shè)5 m長鉛絲籠護(hù)坦與下游河道平順連接。

3.3 重建大壩安全監(jiān)測設(shè)施

孔頭溝水庫在上世紀(jì)八十年代初設(shè)置了大壩浸潤線觀測管和沉陷位移觀測樁，觀測工作斷斷續(xù)續(xù)、資料不完整，目前大部分觀測設(shè)施已被破壞，不能實(shí)施有效的觀測。除險(xiǎn)加固中重新建立以下觀測內(nèi)容：

（1）變形監(jiān)測

在壩頂沿壩軸線方向設(shè)一道觀測斷面，將沉降和位移觀測樁結(jié)合布設(shè)。工作基準(zhǔn)點(diǎn)和校核基準(zhǔn)點(diǎn)均布設(shè)在兩岸原狀堅(jiān)實(shí)土基上。

（2）浸潤線及滲流監(jiān)測

在壩體最大橫斷面處布設(shè)一道浸潤線觀測斷面，每個(gè)測點(diǎn)設(shè)置常規(guī)測壓管、觀測采用便攜式電測水位計(jì)操作。

4 結(jié)語

針對孔頭溝水庫存在的安全隱患，提出了大壩下游坡壓腳、新修溢洪道、重建觀測設(shè)施等適宜的除險(xiǎn)加固方案，技術(shù)可靠，施工便利，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。經(jīng)過除險(xiǎn)加固后的孔頭溝水庫，徹底消除了安全隱患，水庫面貌煥然一新，水庫已經(jīng)發(fā)揮了應(yīng)有的防洪、退水、灌溉、養(yǎng)殖及城鄉(xiāng)供水等綜合效益。