樊亞婷

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，太原030024）

1 工程概況

南坪頭水庫位于太原市東山南部南坪頭村東黑駝溝上游。工程所在黑駝溝屬于黃河流域，汾河的二級(jí)支流，匯入一級(jí)支流許坦排洪渠。壩址以上控制流域面積10.6 km2，多年平均降雨量467.1 mm，多年平均徑流量44萬m3。

水庫于1972年竣工，初始建設(shè)目的是保障城市防洪，水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞等建筑物組成，2011年對(duì)水庫進(jìn)行一次除險(xiǎn)加固。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，水庫下游已興建大型建筑，現(xiàn)狀水庫存在壩頂不能滿足兩岸交通需要，水庫淤積嚴(yán)重，庫區(qū)臨建較多等問題。因此，對(duì)水庫進(jìn)行再次改造，工程任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑篮闉橹鳎骖櫳鷳B(tài)蓄水與環(huán)境美化。

本次改造工程內(nèi)容：大壩加高加寬，增加觀測設(shè)施；原放水洞封堵、溢洪道拆除；新建泄洪洞，設(shè)閘門控制；水庫清淤、庫區(qū)及壩坡防滲處理，修建管理站及庫區(qū)道路；左岸庫區(qū)削坡整治美化，下游溝道回填及綠化。

改造后，南坪頭水庫樞紐工程由大壩、泄洪洞及景觀綠化等建筑物組成。改造后總庫容111.6萬m3，設(shè)計(jì)洪水位861.46 m，校核洪水位864.04 m，水庫清淤53.99萬m3，護(hù)坡綠化35 565 m2，水庫景觀美化80 068 m2。水庫規(guī)模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級(jí)；洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇設(shè)計(jì)，300年一遇校核。

2 新建泄洪洞設(shè)計(jì)

新建泄洪洞布置于原溢洪道北側(cè)，中心線位于大壩樁號(hào)0+020.0，泄洪洞全長219.69 m（X0-035.19—X0+184.50）。由進(jìn)口段、閘室段、無壓洞身段及出口段組成，校核洪水位下控制下泄流量15 m3/s。閘室前為有壓引水箱涵，閘室后接無壓洞，閘室內(nèi)順?biāo)鞣较蛞来卧O(shè)事故平板檢修門和弧形工作閘門。

2.1 進(jìn)口段

進(jìn)口段包括喇叭口段和引水箱涵段，均布置在培厚壩體內(nèi)。

樁號(hào)X0-035.19—X0-023.33為喇叭口段，長11.86m，為C25鋼筋混凝土矩形斷面，底板高程853.0 m。底寬10.9～3.0 m，底板厚0.6 m，側(cè)墻高度0.647～4.6 m，墻厚0.5～1.65 m，邊墻外坡1:0.25。

樁號(hào)X0-023.33—X0-016.5為有壓引水箱涵段，長6.83 m，為C25鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，斷面尺寸3.0 m×3.6 m（寬×高），平底，底板高程853.0 m，底板厚0.6 m，側(cè)壁厚0.5～1.525 m，外坡1:0.25，頂板厚0.5 m。

2.2 閘室段

樁號(hào)X0-016.5—X0+000.0為豎井式進(jìn)水塔閘室段，長16.5 m，寬5.2 m，為C25鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)。閘室底板高程853.0 m，塔內(nèi)布置事故檢修平板門及弧形工作門，其中事故檢修門孔口尺寸為3.0 m×3.6 m，弧形工作閘門孔口尺寸為3.0 m×3.0 m。

事故檢修門檢修平臺(tái)高程為861.5 m，啟閉平臺(tái)高程868.2 m，檢修平臺(tái)和啟閉平臺(tái)之間為C25鋼筋混凝土排架，排架高度6.7 m，排架上部事故檢修門的啟閉機(jī)房為框架結(jié)構(gòu)，啟閉機(jī)室布置1臺(tái)250 kN卷揚(yáng)機(jī)。

工作門的啟閉平臺(tái)設(shè)在高程868.20 m處，布置1臺(tái)400 kN卷揚(yáng)機(jī)啟吊弧門，啟閉機(jī)室平面尺寸12.8 m×5.2 m×3.7 m（長×寬×高），在啟閉平臺(tái)與工作門之間豎井側(cè)壁布置爬梯，在豎井中間隔墻設(shè)DN 300通氣孔。

啟閉平臺(tái)近大壩側(cè)布置先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板工作橋，橋長16 m，橋?qū)?.0 m，橋面高程868.20 m，橋面至壩坡后接臺(tái)階通至壩頂。事故檢修平臺(tái)利用鋼梯連接至啟閉平臺(tái)，然后經(jīng)過工作門啟閉機(jī)室與工作橋連接。

2.3 無壓洞身段

無壓洞身段位于豎井工作閘門下游，布置在大壩壩體內(nèi)，進(jìn)、出口高程分別為853.0 m、852.1 m，洞長90.0 m，底坡1/100，城門洞型，頂拱中心角為180°。其中樁號(hào)X0+000.0 m—X0+005.0 m段斷面尺寸3.0 m×5.0 m（寬×高）；樁號(hào)X0+005.0 m—X0+010.0 m為漸變段，斷面尺寸由3.0 m×5.0 m（寬×高）漸變?yōu)?.0×4.0 m（寬×高）；樁號(hào)X0+010.0 m—X0+090.0 m段斷面尺寸為3.0 m×4.0 m（寬×高）。

無壓洞身段均為C30鋼筋混凝土城門洞型結(jié)構(gòu)，底板厚0.6 m，側(cè)壁厚0.5～0.85 m，外坡1∶0.25，頂拱厚0.5 m，底板下土體夯實(shí)后鋪設(shè)10 cm厚C15混凝土墊層。洞身段橫穿原大壩壩體，利用原溢洪道拆除后開挖平臺(tái)繼續(xù)下挖至泄洪洞建基面，開挖邊坡為1∶1.5。同時(shí)為增加泄洪洞兩側(cè)和頂部土體的塑性，在泄洪洞側(cè)墻及頂部回填高塑性粘土，單側(cè)厚度3 m，混凝土表面涂抹濃黏土漿，之后進(jìn)行鋪土碾壓?；炷烈r砌每8 m設(shè)一橫縫，縫間設(shè)止水，采用“651”橡膠止水帶，高密度聚乙烯閉孔板嵌縫，臨水面變形縫內(nèi)設(shè)30 mm雙組分聚硫密封膠封口。

2.4 出口段

泄洪洞出口段包括陡坡段和消力池段，均采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。樁號(hào)X0+090.0 m—X0+114.0 m為陡坡段，坡度1∶2.5，矩形斷面，斷面尺寸為3.0 m×2.5 m（寬×高），底板厚0.6 m，側(cè)壁厚0.5～0.79 m，外坡1∶0.1，頂板厚0.4 m，底板下土體夯實(shí)后鋪設(shè)10 cm厚C15混凝土墊層。

樁號(hào)S0+114.0 m—S0+135.0 m為消力池段，池長21.0 m，矩形斷面，斷面尺寸3.0 m×5.0 m（寬×高），底板厚0.9 m，側(cè)壁厚0.5～1.04 m，外坡1∶0.1，頂板厚0.4 m，底板下土體夯實(shí)后鋪設(shè)10 cm厚C15混凝土墊層。

消力池后接矩形箱涵（X0+135.00—X0+184.50）并入城市排水體系，矩形斷面，斷面尺寸3.0 m×2.5 m（寬×高），底板厚0.5 m，側(cè)壁厚0.5～0.79 m，外坡1∶0.1，頂板厚0.4m，底板下土體夯實(shí)后鋪設(shè)10cm厚C15混凝土墊層。

3 水力學(xué)計(jì)算

3.1 泄流能力計(jì)算

根據(jù)調(diào)度運(yùn)行規(guī)定，在庫水位超過汛限水位859.0 m時(shí)，按照有壓進(jìn)口計(jì)算，控制閘門開度，保證最大泄量不超過15 m3/s，采用公式如下：

式中：Q——流量，m3/s；

μ——流量系數(shù)；

e、B——分別為閘孔開啟高度和水流收縮斷面處的底寬，m；

g——重力加速度，取值9.81 m/s2；

H——由閘孔底板高程算起的上游庫水深，m；

ε——工作閘門垂直收縮系數(shù)。

計(jì)算得到閘門不同開度下水位～流量關(guān)系見表1。

表1 不同開度下水位～流量關(guān)系表 單位：m3/s

3.2 無壓洞水面線推算

無壓洞斷面為城門洞型，底寬B=3 m，底坡i=1%，最大泄量Q=15 m3/s。按矩形求得臨界水深hk=1.37 m，正常水深h0=0.99 m，因h0＜hk，故無壓隧洞底坡為陡坡。無壓洞控制斷面X0+004.1處水深為0.82 m，根據(jù)能量方程，推出無壓洞末端控制水深0.95 m，據(jù)此可判斷出無壓洞段水面線為cⅡ型雍水曲線。

（1）利用分段求和法計(jì)算水面線，公式如下：

式中：hi、hi+1——i、i+1斷面處水深，m；

vi、vi+1——i、i+1斷面處流速，m/s；

Δl——流段的長度，m；

i——底坡；——流段的平均水力坡度。

（2）摻氣水流的水深，采用下式計(jì)算：

式中：ζ——修正系數(shù)，取1.2；

h、hb——泄槽計(jì)算斷面的水深及摻氣后水深，m；

v——不摻氣時(shí)泄槽計(jì)算斷面的流速，m/s。

經(jīng)計(jì)算，無壓洞段水面線計(jì)算結(jié)果見表2。

?

計(jì)算結(jié)果表明，無壓洞段沿線凈空面積比均大于15%，且水面線沒有超出直墻范圍，滿足規(guī)范要求。

3.3 底流消能計(jì)算

經(jīng)計(jì)算分析，消力池的深度和長度均按泄量為15 m3/s設(shè)計(jì)，計(jì)算分析后設(shè)計(jì)為綜合消力池。

（1）下游水深ht確定

消力池后接明渠，底坡1/300，按渠道均勻流水深考慮，即ht=h0，下泄15m3/s流量時(shí)，相應(yīng)水深為1.47m。

（2）確定消力池池長Lk和池深d

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018），計(jì)算公式如下：

式中：Fr1——收縮斷面的佛汝德數(shù)；

v1——收縮斷面的流速，m/s；

h1——收縮斷面的水深，m；

h2——池中發(fā)生臨界水躍時(shí)的躍后水深，m；

ht——消力池出口下游水深，m；

d——池深，m；

σ——水躍淹沒度，取1.05；

ΔZ——消力池尾部出口水面跌落，m；

Q——流量，m3/s；

b——消力池寬度，m；

φ——消力池出口段流速系數(shù)，取0.95；

L——自由水躍的長度，m；

Lk——消力池的長度，m。

由上述各式聯(lián)解，通過試算，求出消力池池深2.5 m，池長21 m。

4 進(jìn)水塔穩(wěn)定應(yīng)力分析

進(jìn)水塔總高度20.1 m，高程860.0 m以下埋設(shè)于壩體土中，埋設(shè)深度約7.0m，不存在抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定問題，本次僅對(duì)進(jìn)水塔抗浮和基底應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

4.1 荷載及荷載組合

荷載及荷載組合見表3。

?

4.2 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

閘室抗浮穩(wěn)定按下式計(jì)算：

式中：Kf——抗浮安全系數(shù)；

∑V——建基面上垂直力總和，kN；

∑U——建基面上揚(yáng)壓力總和，kN。

經(jīng)計(jì)算，進(jìn)水塔滿足抗浮穩(wěn)定要求。計(jì)算成果見表4。

表4 抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果表

4.3 基底應(yīng)力計(jì)算

基底應(yīng)力計(jì)算公式：

ΣG——作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；

ΣMx、ΣMy——作用在閘室上的全部豎向和水平荷載，對(duì)于基礎(chǔ)底面形心軸x、y的力矩，kN·m；

A——閘室基底面的面積，m2；

Wx、Wy——閘室基底面對(duì)于該底面形心軸x、y的截面矩，m3。

不同荷載組合的基底應(yīng)力計(jì)算成果見表5。經(jīng)計(jì)算，最大基底應(yīng)力為201.9 kPa，超過地基容許承載力100 kPa，基底應(yīng)力不滿足規(guī)范要求。

表5 基底應(yīng)力計(jì)算成果表 單位：kPa

4.4 閘室地基處理

4.4.1 復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012），對(duì)散體材料增強(qiáng)體復(fù)合地基按下式計(jì)算：

式中：fspk——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定，對(duì)于松散土可取原天然地基承載力特征值的（1.2～1.5）倍，本工程取原天然地基承載力特征值1.4倍，計(jì)算值為140 kPa；

n——復(fù)合地基樁土應(yīng)力比，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定，取3；

m——面積置換率d2/de2；d為樁身平均直徑,m；de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，m；等邊三角形布樁de=1.05s，s為樁間距離，經(jīng)計(jì)算本工程m=0.08。

經(jīng)計(jì)算，復(fù)合地基承載力特征值可提高至162.86 kPa。

4.4.2 修正地基承載力特征值

根據(jù)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50783-2012），修正后的復(fù)合地基承載力特征值fa應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：fsak——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

γm——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，kN/m3，地下水位以下取浮重度；

D——基礎(chǔ)埋置深度，m。

計(jì)算修正地基承載力為242.86 kPa，大于各種工況下閘室地基應(yīng)力值，處理后的基底應(yīng)力滿足要求。

5 結(jié)語

南坪頭水庫改造，不但可以緩解許坦排洪渠的排洪壓力，而且可改善東山片區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境，也為周邊發(fā)展提供了良好的投資環(huán)境和人居環(huán)境。通過計(jì)算分析，新建泄洪洞各斷面型式均滿足泄洪設(shè)計(jì)要求。