張 丹，成克雄

（遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563002）

1 工程概況

永紅山塘位于遵義市匯川區(qū)芝麻鎮(zhèn)竹園村境內(nèi)觀音寺河左岸一級(jí)支流農(nóng)場(chǎng)溝上，距遵義市區(qū)97km。山塘始建于20世紀(jì)60年代， 現(xiàn)狀壩址以上流域面積1.5km2，庫(kù)容較小僅280m3，基本沒(méi)有調(diào)蓄功能。 主要建筑物為土石壩、右岸土渠泄洪兼放水設(shè)施。為解決竹元村人畜飲水及農(nóng)業(yè)灌溉問(wèn)題， 急需對(duì)山塘進(jìn)行全面整治，確保工程供水功能可靠穩(wěn)定發(fā)揮。

初步設(shè)計(jì)階段， 永紅山塘整治工程主要建設(shè)內(nèi)容為大壩加高、新建泄洪及放水建筑物。山塘整治后總庫(kù)容9.78萬(wàn)m3；大壩為土工膜防滲土石壩，整治后最大壩高27.0m，大壩加高17.0m；溢洪道緊鄰右壩肩布置，為開(kāi)敞式溢洪道，堰頂高程1335.00m，溢流凈寬6.0m，溢洪道總長(zhǎng)139.0m，采用底流消能。 工程規(guī)模為山塘，工程等別為Ⅴ等，建筑物按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。 施工階段，為了保護(hù)右岸公益林，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)邊坡開(kāi)挖出露的高邊坡不穩(wěn)定安全隱患等問(wèn)題， 必須對(duì)泄洪方案作相應(yīng)優(yōu)化，合理指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)高效優(yōu)質(zhì)、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的施工建設(shè)。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化緣由

永紅山塘整治工程于2017年7月開(kāi)工建設(shè)，2018年10月壩體填筑完成，并開(kāi)始進(jìn)入岸邊溢洪道施工，至2018年11月岸邊溢洪道進(jìn)口段已開(kāi)挖至1337.00～1337.90m高程。 開(kāi)挖出露現(xiàn)狀基礎(chǔ)主要為黏土夾碎塊石，同時(shí)溢洪道右岸已形成了最大高度約12m的巖土質(zhì)混合邊坡， 受連續(xù)降雨及上部通村公路來(lái)往車輛碾壓影響，現(xiàn)狀路面已出現(xiàn)少量縱向裂縫，路面外側(cè)局部有10～20cm的沉降變形。若繼續(xù)按原岸坡式溢洪道方案進(jìn)行施工，存在以下問(wèn)題：①邊坡開(kāi)挖將影響右岸公益林、通村公路和內(nèi)側(cè)山王廟，對(duì)通行車輛及行人造成較大安全隱患，阻礙村民通行問(wèn)題；②右岸繼續(xù)開(kāi)挖將形成更高邊坡， 其支護(hù)處理難度及工程量均較大。為此，參建各方共同商定進(jìn)行溢洪道設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證工程施工的順利進(jìn)行，合理控制工程投資，并能按期完成建設(shè)任務(wù)。

3 溢洪道設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

3.1 工程地質(zhì)條件

永紅山塘壩址兩岸對(duì)稱性差，左岸地形高陡，整體呈近直立的陡崖，下游有淺切沖溝發(fā)育，上游地形坡度10°～20°，為緩至斜坡；右岸整體為連續(xù)的斜至陡坡，地形坡度20°～50°。 壩址兩岸地形突出、陡峻處基巖多裸露， 在近河床平緩臺(tái)地及相對(duì)較緩的斜坡處有厚薄不均的殘坡積黏土夾碎石、 崩塌堆積碎石和少量人工棄碴分布， 其中壩址左岸上游緩坡臺(tái)地覆蓋層稍厚， 約3～4m。 壩址區(qū)巖層產(chǎn)狀N16°E/SE∠26°，總體傾下游，為不對(duì)稱的“V”型橫向河谷。

壩址區(qū)地層單一，出露志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1l）深灰色、灰色薄至中厚層粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾鈣質(zhì)砂巖，其中粉砂質(zhì)頁(yè)巖占60%～70%， 鈣質(zhì)砂巖占30%～40%。壩址區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的斷層構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造以裂隙為主，受裂隙組合切割巖體完整性較差，風(fēng)化深度大。 左、右岸5～7m，河床3～4m。 壩址基巖主要為弱透水性巖體，但壩基及兩岸淺表部強(qiáng)風(fēng)化巖體透水性強(qiáng)。

3.2 溢洪道布置優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，左岸地形高陡，整體呈近直立的陡崖，下游有淺切沖溝發(fā)育，不宜布置溢洪道。相比左岸，右岸坡度較緩，地形更加開(kāi)闊，從地形條件考慮，可將溢洪道布置在右岸，初步設(shè)計(jì)也推薦右岸開(kāi)敞式溢洪道方案。施工開(kāi)挖出露現(xiàn)狀表明：右岸溢洪道開(kāi)挖將會(huì)形成高7～27m巖土質(zhì)混合邊坡，而大壩右岸有鄉(xiāng)村公路通過(guò)，且項(xiàng)目區(qū)屬高寒地帶，氣候惡劣，強(qiáng)降雨天氣較多，加之右岸公路來(lái)往車輛碾壓等影響，開(kāi)挖后上部覆蓋層發(fā)生滑坡的可能性非常大，影響右岸公路穩(wěn)定，給通行車輛及行人造成極大安全隱患。因此，急需結(jié)合工程施工實(shí)際對(duì)原溢洪道布置方案進(jìn)行優(yōu)化，確保工程高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)。

3.2.1 壩身溢洪道可行性分析

壩身溢洪道是將溢洪道直接修建在土石堆石體上，在壩體沉降、高速水流等因素共同作用下，一旦失事其影響面和危害程度要比岸坡式溢洪道大很多［1］。 教授級(jí)高工方光達(dá)學(xué)者結(jié)合國(guó)內(nèi)外土石壩壩身溢洪道新技術(shù)的建設(shè)和應(yīng)用情況進(jìn)行歸納總結(jié)和和分析研究，得出：對(duì)于有條件的土石壩，溢洪道應(yīng)盡量布置在左岸或右岸壩段， 以降低溢洪道直接建筑在土石壩堆石頭體上的失事風(fēng)險(xiǎn)及危害程度。 但當(dāng)壩址兩岸溢洪道修建條件有限， 壩高低于50m，泄洪單寬流量小于8m3/s·m的中、低土石壩，采用壩身溢洪道技術(shù)是可行的，一般不會(huì)出現(xiàn)特殊問(wèn)題［2］。 土石壩壩身設(shè)置溢洪道不僅可以避免岸邊溢洪道高邊坡開(kāi)挖所帶來(lái)的安全隱患，同時(shí)還節(jié)約工程投資，經(jīng)濟(jì)性非常明顯［3-4］。

永紅山塘土石壩工程泄洪方案優(yōu)化后溢流凈寬7.0m，設(shè)計(jì)頻率P=10%時(shí)，溢洪道下泄流量18.6m3/s，泄洪單寬流量為2.66m3/s·m；在校核頻率P=2%時(shí)，溢洪道下泄流量29.4m3/s， 泄洪單寬流量為4.2m3/s·m。各工況下，溢洪道泄洪流量較小，泄洪單寬流量小于8m3/s·m，且最大壩高為27.0m，屬于低壩。 根據(jù)壩址兩岸地形地質(zhì)條件， 結(jié)合右岸施工開(kāi)挖出露實(shí)際情況， 大壩兩岸布置開(kāi)敞式自由泄洪溢洪道的條件非常有限， 而永紅山塘工程具有布置壩身溢洪道的基本條件和優(yōu)勢(shì)。因此，施工階段將右岸溢洪道方案優(yōu)化為土壩壩身溢洪道。

3.2.2 壩身溢洪道布置

溢洪道布置于大壩中段， 為壩頂開(kāi)敞式自由泄洪溢洪道，包括溢流控制段、泄槽段、消力池段，總長(zhǎng)74.71m。 永紅山塘壩身溢洪道平面布置，如圖1。

圖1 壩身溢洪道平面布置

由于永紅山塘溢洪道直接修建在土石壩壩體上，一旦失事，后果將非常嚴(yán)重，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮工程實(shí)施的具體條件和可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，在可控范圍內(nèi)做出安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。 根據(jù)已建工程成功經(jīng)驗(yàn)， 結(jié)合永紅山塘施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，壩身溢洪道在設(shè)計(jì)時(shí)，從溢流堰堰型選擇、泄槽段穩(wěn)定措施和消力池布置等多方面考慮對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。 溢洪道結(jié)構(gòu)縱剖面，如圖2。

圖2 溢洪道結(jié)構(gòu)縱剖面

（1）溢流堰堰型選擇?？紤]到土壩壩體沉降變形的影響， 在溢流堰選擇時(shí)盡量選用對(duì)承載力較差的土基適應(yīng)能力較強(qiáng)的堰型，還考慮節(jié)約工程投資。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，在相同溢流凈寬條件下，優(yōu)選泄流能力較強(qiáng)的駝峰堰作為永紅山塘土石壩溢流堰堰型。溢流堰采用C25鋼筋混凝土澆筑，基礎(chǔ)厚80cm，堰頂高程1335.00m，溢流凈寬7.0m，溢流堰堰面曲線采用三圓弧曲線組成， 中圓弧半徑R=1.0m， 圓心角θ=56.14°；上下圓弧半徑R=2.4m，圓心角θ=28.07°。 上游與大壩混凝土預(yù)制塊護(hù)坡結(jié)構(gòu)相接， 并將防滲土工膜伸入溢流堰堰體內(nèi)，下游接泄槽段。

（2）泄槽段布置。為了滿足溢洪道泄槽段的穩(wěn)定要求， 做好壩身段泄槽底板的錨固措施和分縫措施是非常有必要的。 永紅山塘土石壩工程泄槽段底板與壩體間設(shè)置φ25水泥砂漿錨桿 （L=4.5m， 間排距2.0m）增加溢洪道底板穩(wěn)定性，同時(shí)溢洪道底板每隔8.0m設(shè)一道施工縫，分縫型式采用搭接縫，縫內(nèi)設(shè)銅片止水和膨脹止水。 溢洪道泄槽段底板及側(cè)墻采用40cm厚C25鋼筋混凝土澆筑； 其底坡與大壩下游壩面同坡，為1∶2；底板寬度在樁號(hào)溢0+007.79m～溢0+022.79m 段為7.0 ～4.0m， 墻高2.0 ～1.2m， 在溢0+022.79m～溢0+054.71m段為4.0m，墻高1.2～4.0m。

（3）消力池布置。 消力池位于溢洪道樁號(hào)溢0+054.71m～溢0+074.71m段， 其基礎(chǔ)置于原土石壩壩體上，而壩體填筑體厚度達(dá)6.0m。 由于消力池基礎(chǔ)不能直接置于基巖上，為滿足消力池結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性， 設(shè)計(jì)考慮消力池基礎(chǔ)采用C15埋石混凝土處理成臺(tái)階狀，厚1.0～2.0m。 通過(guò)計(jì)算，消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)特性參數(shù)為：池長(zhǎng)20.0m，池深1.0m，池寬4.0m，墻高4.0m，斷面型式為矩形，邊墻和底板均采用C25鋼筋混凝土澆筑。

4 壩頂溢洪道設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 泄流能力

永紅山塘土石壩壩身溢洪道為壩頂開(kāi)敞式溢洪道，駝峰堰堰型，泄流能力計(jì)算公式為［5］：

式中 Q為流量（m3/s）；B為溢洪道總凈寬，取7m；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)， 取0.92；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭（m）；m為流量系數(shù)，取0.42。

根據(jù)永紅山塘土石壩洪水調(diào)度方式，選取P=2%校核洪水標(biāo)準(zhǔn)和P=10%設(shè)計(jì)及消能洪水標(biāo)準(zhǔn)共2種工況，計(jì)算得溢洪道泄流能力成果，如表1。

表1 溢洪道泄流能力計(jì)算成果

從表1可知，壩身溢洪道在2種工況條件下，實(shí)際能下泄流量均大于設(shè)計(jì)下泄流量， 溢洪道泄流能力滿足泄洪下泄流量要求，且具有一定余量，溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸選擇合理。

4.2 泄槽水面線

泄槽上游接駝峰堰，泄槽首端水深：校核工況時(shí)為1.2m，設(shè)計(jì)工況時(shí)為0.89m。 根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式為［5］：

式中 ΔL1-2為分段長(zhǎng)度 （m）；h1、h2，v1、v2，α1、α2及R1、R2分別為計(jì)算段始末斷面水深（m）、平均流速（m/s）、流速分布不均與系數(shù)（取1.05）及水力半徑（m）；i為泄槽底坡；J為分段平均摩阻系數(shù)；n為泄槽槽身糙率系數(shù)，綜合取0.017。

在校核工況下泄洪水流量（P=2%、29.4m3/s）、設(shè)計(jì)工況下泄流量（P=10.0%、18.6m3/s）時(shí)，溢洪道泄水槽各樁號(hào)水深和流速計(jì)算成果，如表2。

表2 溢洪道泄水槽段水力特性表

從表2分析成果可知，泄槽邊墻高度按考慮摻氣影響后的水面線加0.5～1.5m安全加高確定， 泄槽邊墻設(shè)計(jì)高度滿足要求。

4.3 溢流堰穩(wěn)定

溢流堰穩(wěn)定分析以垂直水流方向?qū)挾?.0m作為計(jì)算對(duì)象，計(jì)算公式為［5］：

式中 Ks為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 為溢洪道混凝土地板與土石壩體間的摩擦系數(shù)；∑W、∑P 分別為作用于溢流堰體上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量和切向分量。

在正常蓄水位 （1335.00m） 工況和校核洪水位（1336.92m）工況條件下，溢流堰穩(wěn)定計(jì)算成果，如表3。

表3 溢流堰穩(wěn)定計(jì)算成果

從表3分析成果可知，校核洪水位工況安全系數(shù)為7.8； 正常蓄水位工況安全系數(shù)為15.1， 均大于1.05，滿足規(guī)范要求且安全富余度較大，溢流堰結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

4.4 泄槽段底板及側(cè)墻穩(wěn)定

根據(jù)SL253—2018《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，泄槽段底板及側(cè)墻的穩(wěn)定主要依靠防滲、排水、止水及錨筋等工程措施來(lái)解決。由于永紅山塘溢洪道規(guī)模較小、單寬流量較小， 溢洪道泄槽段穩(wěn)定計(jì)算采用經(jīng)典理論力學(xué)公式進(jìn)行初步分析計(jì)算， 用工程類比確定泄槽的錨固方式。 由于永紅山塘溢洪道底板及側(cè)墻采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆為一個(gè)整體。 因此，溢洪道泄槽段穩(wěn)定計(jì)算時(shí)， 將底板及側(cè)墻作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算，如圖3。

圖3 泄槽穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

泄槽底板及側(cè)墻的抗滑安全系數(shù)計(jì)算公式同溢流堰。 選擇完工未蓄水和校核洪水兩種工況， 在設(shè)φ25水泥砂漿錨桿（L=4.5m，間排距2.0m）條件下進(jìn)行分析，計(jì)算得泄槽底板及側(cè)墻的抗滑安全系數(shù)成果，如表4。

表4 泄槽段底板及側(cè)墻穩(wěn)定計(jì)算成果

從表3分析成果可知， 抗滑安全系數(shù)K＞1.05，溢洪道泄槽安全穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求， 所設(shè)錨拉筋滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）永紅山塘土石壩整治加高工程，由于壩址左岸地形較陡，右岸溢洪道開(kāi)挖出露高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，邊坡支護(hù)處理工程量較大， 不宜繼續(xù)修建岸邊溢洪道。 結(jié)合土石壩壩身溢流新技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)資料并參照同類工程建設(shè)與應(yīng)用成功經(jīng)驗(yàn)， 設(shè)計(jì)將溢洪道優(yōu)化調(diào)整為壩身溢洪道， 解決右岸邊坡開(kāi)挖可能帶來(lái)的高邊坡不穩(wěn)定安全隱患，且調(diào)整方案經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（2）論證分析和設(shè)計(jì)計(jì)算成果表明：采用壩身溢洪道方案，溢洪道泄流能力、邊墻高度和溢流堰抗滑穩(wěn)定均滿足相關(guān)規(guī)范指標(biāo)要求， 優(yōu)化調(diào)整方案技術(shù)可行。永紅山塘土石壩壩體于2018年10月填筑完成，壩身溢洪道于2019年4月日開(kāi)始澆筑。 溢洪道澆筑時(shí)，壩體已達(dá)到沉降穩(wěn)定期，壩體沉降變形對(duì)溢洪道結(jié)構(gòu)影響較小。

（3）土石壩壩身溢洪道設(shè)計(jì)時(shí)，從溢流堰型選擇、泄槽段抗滑穩(wěn)定措施等多角度考慮是必要的。

（4）永紅山塘土石壩整治工程于2019年12月竣工，蓄水運(yùn)行至今已有一年多， 經(jīng)歷了汛期大流量泄洪檢驗(yàn)，溢洪道結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)沉降、變形、開(kāi)裂等不利現(xiàn)象，土石壩整體運(yùn)行狀況良好。