韓鵬輝，張 浩，羅 杰

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

某小型水庫(kù)位于黃土高原溝壑區(qū)，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主的IV 等?。?）型水庫(kù)。本工程目前處于施工階段，壩高43.70 m，總庫(kù)容 293 萬(wàn) m3。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)、《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）[1,2]大壩、泄水建筑物等主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)，洪水標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)洪水30 年一遇，校核洪水300 年一遇。

工程所在的河道全長(zhǎng)20.1 km，平均比降24.9‰, 螞蟻溝壩址以上流域面積為47.3 km2。全流域?yàn)闁|西走向，東高西低，地形差異明顯，兼有塬、坡、溝、峁等多種地貌類型。溝道斷面主要多呈“U”型。

流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均年降水量583.7 mm。年內(nèi)降水分配不均，降水主要集中在7 月～9 月份，多以暴雨的形式出現(xiàn)。壩址多年平均流量0.100 m3/s，平均年徑流量為315 萬(wàn)m3。洪水多發(fā)生在6 月～9 月，洪水一般峰高量小，由于河槽調(diào)蓄能力較小，一次暴雨形成一個(gè)洪峰，在多雨季節(jié)形成陡漲陡落的連續(xù)洪峰。設(shè)計(jì)、校核洪峰流量分別為259 m3/s、541 m3/s[3]。

2 工程地質(zhì)

2.1 庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)

工程區(qū)位于華北地層區(qū)的陜甘寧盆地分區(qū)，以發(fā)育中、新生代陸相地層為特征。三疊系主要為內(nèi)陸盆地含油汽沉積地層，侏羅系、白堊系為內(nèi)陸盆地含煤碎屑巖組合（J）及紅色碎屑巖組合（K）。新生代在本區(qū)以上第三系紅色碎屑巖組合及第四系沖洪積～沖湖積層為主，以第四紀(jì)黃土堆積為特色，為中國(guó)黃土高原的主要組成部分。

工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度a=0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期T=0.45 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。工程區(qū)屬構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定地區(qū)。

2.2 壩址區(qū)工程地質(zhì)

（1）地形地貌

壩址區(qū)河道順直，河谷形狀為不對(duì)稱“V”型。左右岸均為土質(zhì)岸坡，坡體為第四系殘坡積黃土層所覆蓋，植被茂密。右岸岸坡總體較緩，下部低高程有基巖出露。壩址區(qū)左右岸上下游均發(fā)育有沖溝。

（2）地層巖性

壩址地層主要為侏羅系中統(tǒng)（J2）、白堊系下統(tǒng)（K1）和第四系（Q）。第四系地主要為中更新統(tǒng)（Q2）黃土狀土，上更新統(tǒng)（Q3）黃土，全新統(tǒng)（Q4）沖洪積砂卵礫石、殘坡積黃土等。

（3）地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)巖體中未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，河床兩岸岸坡基本為第四系所覆蓋，僅河槽右邊岸坡腳部位有侏羅系、白堊系近水平巖層出露，巖層傾角2°～4°，向NNW 緩傾，構(gòu)造裂隙不發(fā)育。

（4）物理地質(zhì)現(xiàn)象

壩址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，兩岸未發(fā)現(xiàn)滑坡、變形體及規(guī)模較大的崩塌、泥石流等，物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體的風(fēng)化與卸荷。

3 壩址、壩型選擇

3.1 壩址選擇

壩址區(qū)河道僅150 m 長(zhǎng)，且壩址左右岸、上下游均發(fā)育有沖溝，受此條件限制，壩線可選擇余地很小，只能將壩線布置于兩岸山脊中部，因此本工程壩線唯一。

在人群中的感染很普遍,存在于精液中的病毒,不僅使宮頸受到感染,還可通過(guò)胎盤(pán)感染胚胎或胎兒,導(dǎo)致胎兒死亡和流產(chǎn)的發(fā)生。

3.2 壩型選擇

壩址基巖深埋，出露高程較低，壩址區(qū)天然石料、骨料質(zhì)量不滿足要求，均需要從外地采購(gòu)，因此采用堆石壩和混凝土壩型不經(jīng)濟(jì)。工程區(qū)域位于黃土高原，壩址區(qū)域分布有大范圍的黃土，土料儲(chǔ)量和質(zhì)量均質(zhì)壩的要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，當(dāng)?shù)匾呀ǖ男⌒退畮?kù)均采用均質(zhì)土壩[4]，技術(shù)成熟，施工速度快。因此，推薦壩型為均質(zhì)土壩。

4 泄水建筑物比選

4.1 泄水建筑物選擇及布置原則

（1）由于本工程規(guī)模小，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行管理的方便性等方面考慮，泄水建筑物由溢洪道和泄洪洞（兼導(dǎo)流洞）組成。

（2）本工程枯水期來(lái)水量較小，汛期洪水較大，大壩為均質(zhì)土壩，因此泄水建筑物應(yīng)滿足超泄能力較大、運(yùn)行簡(jiǎn)單、管理方便、造價(jià)低廉的原則，故溢洪道不設(shè)閘門(mén)，采用自由溢流方式。

（3）泄水建筑物布置應(yīng)盡量選擇有利的地形和地質(zhì)條件布置在岸邊，并盡量避免開(kāi)挖而形成高邊坡。溢洪道進(jìn)、出口的布置應(yīng)使水流順暢。

（4）泄洪洞與導(dǎo)流洞結(jié)合，施工期參與導(dǎo)流，運(yùn)行期參與泄洪。泄洪洞兼導(dǎo)流洞一次建成，滿足導(dǎo)流泄洪的要求，減少工程投資。

4.2 泄水建筑物孔口尺寸比選

本工程泄洪洞與導(dǎo)流洞結(jié)合，一次建成，前期導(dǎo)流，后期泄洪。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，泄水建筑物孔口尺寸擬定，應(yīng)使泄洪洞在滿足導(dǎo)流要求泄量的前提下，設(shè)計(jì)和校核洪水盡量采用溢洪道泄洪，以減小泄洪洞的斷面，減少工程投資。

本工程施工期度汛標(biāo)準(zhǔn)取20 年一遇，相應(yīng)流量Q5%=230 m3/s，參考類似工程，并進(jìn)行了泄流能力計(jì)算。滿足施工期度汛的泄洪洞（兼導(dǎo)流）底板高程1065.00 m，出口孔口尺寸為4 m×3 m。溢洪道堰頂高程與正常蓄水位同高，為1093.20 m，溢洪道寬度為12 m。

為降低泄水建筑物的規(guī)模，聯(lián)解有限差形式的水量平衡方程式、泄水量Q 與壩前庫(kù)水位關(guān)系式、蓄水量V 與庫(kù)水位Z 關(guān)系式，即可求得各時(shí)段的壩前水位、水庫(kù)泄量及蓄水量。根據(jù)上述原理，采用試算法迭代求解，逐時(shí)段連續(xù)演算，進(jìn)行整個(gè)調(diào)洪過(guò)程。調(diào)洪演算工況為校核、設(shè)計(jì)工況下溢洪道、泄洪洞均參與泄洪。調(diào)洪演算成果見(jiàn)表1，泄量分配見(jiàn)表2。

表1 調(diào)洪演算成果表

表2 泄量分配表

4.3 泄水建筑物軸線比選

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）[5]，溢洪道應(yīng)根據(jù)地形和地質(zhì)條件布置在岸邊或者埡口，宜避免開(kāi)挖形成高邊坡。壩址左右岸無(wú)明顯的埡口布置溢洪道，左岸地形較緩，右岸地形較陡。溢洪道布置在左岸，水流順暢，開(kāi)挖量較小，歸槽條件較好。右岸地形也適宜布置溢洪道，開(kāi)挖量較小。從地質(zhì)條件看，左岸溢洪道基礎(chǔ)濕陷性Q4黃土厚度為2.1 m～7.9 m，Q3黃土厚度3 m～11 m，根據(jù)溢洪道體型布置，濕陷性黃土將全部挖除；根據(jù)地質(zhì)分析，右岸溢洪道濕陷性黃土Q4厚9.6 m～10.0 m，Q3黃土厚16 m～20 m，基礎(chǔ)存在濕陷性處理問(wèn)題。另一方面，右壩肩濕陷性黃土全部挖除后，溢洪道將位于壩體之上，若溢洪道發(fā)生破壞，滲水進(jìn)入壩體，會(huì)對(duì)壩體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，左右兩岸地形地質(zhì)條件均具備布置溢洪道的條件，相比而言，左岸不存在濕陷性問(wèn)題，更適宜布置溢洪道。

（2）泄洪洞位置比選

壩址左右岸均有布置泄洪洞的地形條件。泄洪洞布置在左岸，水流順暢，開(kāi)挖量較小，歸槽條件較好。泄洪洞初擬的洞徑為5 m，開(kāi)挖高度6.6 m。根據(jù)壩址區(qū)地質(zhì)條件，泄洪洞若布置在左岸，洞身長(zhǎng)度159 m，圍巖最大厚度13.5 m，對(duì)洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有利，但進(jìn)出口的開(kāi)挖量較大，并造成高邊坡問(wèn)題，尤其是進(jìn)口開(kāi)挖已經(jīng)延伸至上游1 號(hào)滑坡處，開(kāi)挖高度達(dá)到了70 m。泄洪洞布置在右岸，洞身長(zhǎng)度達(dá)到246 m，洞線較長(zhǎng)，地形相對(duì)平緩，圍巖最大厚度僅為6 m，洞身上部土層較厚，成洞困難；受上、下游沖溝的影響，進(jìn)口水流條件及出口歸槽條件不好。

除了左、右岸泄洪洞布置思路，另外考慮了壩下泄洪洞的布置方案。參考類似工程布置經(jīng)驗(yàn)[6]，結(jié)合當(dāng)?shù)仡愃埔呀üこ贪咐瑢?duì)壩下泄洪洞方案進(jìn)行比選。根據(jù)左右岸地形條件，在河床右岸1065 m 高程的階地布置壩下泄洪洞，洞線與壩軸線垂直，上部為均質(zhì)土壩，洞身為現(xiàn)澆鋼筋混凝土明拱結(jié)構(gòu)，壩下洞身長(zhǎng)度為160 m，基礎(chǔ)位于基巖之上。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于開(kāi)挖量小，施工方便，工程造價(jià)??；缺點(diǎn)在于由于壩下為泄洪洞，一旦發(fā)生內(nèi)水外滲，形成滲漏通道后，會(huì)對(duì)壩體帶來(lái)安全問(wèn)題。故對(duì)防滲、洞身結(jié)構(gòu)、混凝土澆筑質(zhì)量以及洞身周?chē)膲误w填筑質(zhì)量的要求較高。

4.4 泄水建筑物布置比選

根據(jù)泄水建筑物軸線的比選，共擬定2 個(gè)方案。方案1，左岸泄洪洞+右岸壩身溢洪道；方案2，壩下泄洪洞+左岸溢洪道。

方案1：溢洪道布置于右岸壩體之上，總長(zhǎng)220.38 m，泄洪洞位于大壩左岸，總長(zhǎng)度為474.18 m，洞身段圍巖為Ⅳ、Ⅴ類，穩(wěn)定性較差。優(yōu)點(diǎn)：①溢洪道布置在壩體上，引渠及泄槽段開(kāi)挖量小，投資較??；②泄洪洞能充分利用左岸沖溝有利地形，水流歸槽條件好。缺點(diǎn)：①溢洪道引渠段、堰閘段、泄槽上游段位于均質(zhì)土壩之上，存在不均勻沉降問(wèn)題，溢洪道發(fā)生破壞，水流滲入壩體，會(huì)對(duì)壩體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，風(fēng)險(xiǎn)較大；②溢洪道的施工進(jìn)度受壩體制約；③泄洪洞進(jìn)口、出口明渠開(kāi)挖量較大。進(jìn)口開(kāi)挖會(huì)影響到1 號(hào)滑坡，開(kāi)挖最大坡高達(dá)78 m，造成高邊坡問(wèn)題，泄洪洞投資較大。壩體、泄水建筑物投資1.40 億元。

方案2：溢洪道布置于左岸壩肩，總長(zhǎng)308.91 m。泄洪洞位于右岸壩體之下總長(zhǎng)度為378.50 m，基礎(chǔ)位于基巖上。優(yōu)點(diǎn)：①溢洪道布置在壩體左岸，基礎(chǔ)位于沒(méi)有濕陷性的Q2黃土和基巖上，出口水流順暢，歸槽條件較好；②泄洪洞洞身段基礎(chǔ)為明挖，開(kāi)挖量??；洞身段施工條件好，造價(jià)低。缺點(diǎn)：①左岸地形高，溢洪道開(kāi)挖量較大；②泄洪洞位于均質(zhì)壩體下，內(nèi)水外滲對(duì)壩體有影響，存在一定風(fēng)險(xiǎn)；③泄洪洞位于均質(zhì)壩體下，對(duì)壩體和泄洪洞結(jié)合處填筑以及洞身段的施工質(zhì)量要求較高。壩體、泄水建筑物投資為1.25 億元。

通過(guò)地質(zhì)條件、水流流態(tài)、工程投資等方面綜合比選，最終選定方案2 為推薦方案，即左岸溢洪道+右岸壩下泄洪洞的布置型式。

5 結(jié)論

（1）受地形、地質(zhì)條件的限制，本工程的壩址、壩線、壩型唯一。

（2）本工程泄水建筑物布置較為困難。溢洪道布置在左岸，避免了基礎(chǔ)濕陷性黃土的處理。由于泄洪洞不宜按照常規(guī)布置于兩岸壩肩下部，最終采用了壩下泄洪洞的布置方式。

（3）根據(jù)以往工程類似工程的運(yùn)行情況，壩下泄洪洞的布置方式雖然也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，但只要做好了基礎(chǔ)處理牢靠，管身防滲措施到位，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，就可以保證泄洪洞的安全運(yùn)行。

（4）隨著水利事業(yè)的發(fā)展，將更多的小水庫(kù)興建，黃土高原地區(qū)相當(dāng)一部分小水庫(kù)都位于濕陷性黃土地區(qū)，這類地區(qū)的壩型幾乎都為均質(zhì)土壩，都存在濕陷性黃土的處理問(wèn)題，泄洪洞或者放水管都位于壩下。本工程可為今后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。