淤地坝除险加固工程初步设计探讨

李生惠 卫三平

（吕梁市水利局）

淤地坝除险加固工程初步设计探讨

李生惠 卫三平

（吕梁市水利局）

山西省现已确认的中型以上病险淤地坝1 020座，除险加固工程设计任务繁重而艰巨。根据设计工作实践，就病险淤地坝除险加固工程初步设计中的明渠修复、泄槽侧墙高度计算、消力池断面确定等问题进行了探讨。

淤地坝 除险加固 工程设计 溢洪道泄槽 消力池 尾水渠 山西省

结合2015-2016年间淤地坝除险加固工程设计实践，现就淤地坝除险加固工程设计中的几个问题进行探讨。

1 山西省淤地坝病险情况

根据相关标准确认，山西省现有中型以上病险淤地坝1 020座，其中骨干坝729座，中型坝291座，涉及9市48县。在确认的病险淤地坝中，大坝下游影响范围内有村庄、学校、工矿、道路等重要设施，溃坝后可能影响下游人民群众生命财产安全、急需除险加固的坝863座，其中骨干坝628座，中型坝235座。在急需除险加固的病险淤地坝中，大坝运行正常，工程管护良好，但淤地坝枢纽组成为“两大件”、无配套泄洪建筑物，从安全角度考虑需增设泄洪建筑物的659座；坝体、放水建筑物、泄洪建筑物完整性发生变化或出现损毁，存在较严重的安全隐患，需除险加固的204座。

2 淤地坝除险加固工程设计问题

2.1 涵洞（管）出口明渠修复

从近两年的淤地坝除险加固工程设计实践看，修复涵洞（管）出口明渠大多采用矩形断面：宽×高=80 cm×80 cm。据实地调查，淤地坝涵洞（管）出口明渠水毁的原因，主要是涵洞（管）满洞出流以后，洪水溢过明渠侧墙，掏刷明渠基础造成垮塌。因此，紧邻涵洞（管）出口的明渠侧墙，拟高出涵洞20 cm，在涵洞出口明渠3 m处，明渠侧墙宜降为80 cm高。

2.2 溢洪道宽度

从骨干坝除险加固工程设计实践看，增设的溢洪道黄土地基较多，在调洪前就应考虑溢洪道的宽度。据设计经验，坝控流域面积3 km2，溢洪道底宽可选3-3.5 m；坝控流域面积4 km2，溢洪道底宽可选4 m；坝控流域面积5 km2，溢洪道底宽可选5 m。校核洪水水深一般控制在3 m左右为宜。具体尺寸在粗调中确定。溢洪道宽度小于3 m的按3 m计算。

2.3 泄槽设计

2.3.1 泄槽水面曲线计算

泄槽的水面曲线计算有两个目的：一是确定侧墙高度；二是确定泄槽末端的水深，为消力池设计提供跃前水深。

《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）及《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL 289-2003）中规定，“泄槽边墙高度应按设计流量计算，高出水面线0.5 m，并满足下泄校核流量的要求。”

目前，设计人员确定泄槽侧墙高度时一般采用的方法是：设计水深+掺气高度+0.5 m，与校核洪水的水深+掺气高度比较，取大值。起始断面、泄槽10 m处断面和泄槽末端断面三个断面的连线即为设计泄槽侧墙高。笔者认为，这种方法确定的泄槽侧墙高度难满足实际要求。因为淤地坝淤面存在翘尾巴现象，一般翘起高度1/200-1/100，这样就减少了滞洪库容，当校核洪水来临时，水位升高，洪水就会溢过侧墙造成破坏。建议采用：泄槽边墙高度=设计洪水水深+掺气高度＋0.5 m，与校核洪水水深+掺气高度+ 0.2 m相比较，取大值。若侧墙高度低于80 cm，则取80 cm。

2.3.2 泄槽长度计算

泄槽长度计算，是指计算泄槽始端—末端的长度。因消力池深暂时未定，计算时设计人员先假设消力池深，然后计算泄槽长度。水面曲线计算完成后，根据设计洪水水面曲线计算的泄槽末端水深计算消力池深，对比计算消力池深与假设消力池深是否一致，通过几次试算，最终确定消力池深。

根据设计经验，现介绍两种不需试算的方法：一是在计算时把泄槽段总落差值暂取为宽顶堰底到下游出水渠底的高差，这样计算的坡长是泄槽始端到尾水渠底高程的坡长；二是先计算消力池，然后计算泄槽坡长。具体步骤是：首先，确定下游尾水渠始端高程及底坡，计算尾水渠水深；然后，计算设计洪水正常水深及消力池断面尺寸（长、深）；最后，计算陡槽长度。

2.4 溢洪道末端消力池长度计算

溢洪道末端消力池长度计算通常采用《水土保持治沟骨干工程技术规范》中公式：L2=（3-5）h2计算，一般以取大值为宜。另一种方法是按《中型水库设计》计算的水跃长度确定消力池长度。

2.5 尾水渠

目前，淤地坝消力池末端不再布设建筑物。根据实际运行状况来看，淤地坝消力池末端最好设尾水渠，这样有利于保护消力池。

3 设计案例

以临县甘沟骨干坝除险加固设计为例，说明涵洞出口明渠、泄槽、消力池、尾水渠的设计方法。

3.1 淤地坝简况

临县甘沟骨干坝，坝控流域面积2.84 km2，洪水标准为20年一遇设计，200年一遇校核。坝高17.4 m，总库容50.6万m3，其中拦泥库容29.0万m3；放水建筑物由竖井、涵洞及明渠组成，竖井内径1 m，涵洞的断面尺寸为0.8 m×1.2 m（宽×高），明渠为矩形断面0.8 m×0.8 m，长20 m；溢洪道宽为3.5 m。详调结果：P=5%时，宽顶堰最大水深1.1 m，最大泄量6 m3/s；P= 0.5%时，宽顶堰最大水深2.3 m，最大泄量18.1 m3/s。

3.2 淤地坝除险加固设计

3.2.1 涵洞明渠修复设计

涵洞明渠段长20 m，始端断面设计为宽×高= 0.8 m×1.2 m，3 m处断面变为宽×高=0.8 m×0.8 m，出口处断面宽×高=0.8 m×0.8 m；始端侧墙高1.2 m，3 m处侧墙高0.8 m，末端侧墙高0.8 m。全部采用M7.5砂浆砌石。

3.2.2 溢洪道泄槽水面曲线计算

溢流堰高程890.6 m，溢洪道出口高程877 m，泄槽的落差为p=13.6 m，水平距离p×n=47.6 m，泄槽坡比1/3.5。经计算，泄槽始端—消力池侧墙顶端的泄槽坡长为：

泄槽总坡长（至消力池侧墙底部）为：

表1 溢洪道陡槽末端正常水深计算表

泄槽设计洪水水面曲线计算结果见表2。从表2可知，设计洪水在泄槽30.28 m处的水深是0.234 m，而正常水深为0.232 m，说明设计洪水在泄槽内出现正常水深。

表2 泄槽设计洪水水面曲线计算表

表3 泄槽校核洪水水面曲线计算表

泄槽校核洪水水面曲线计算结果见表3。从表3可知：校核洪水在泄槽49.5 m处的水深是0.478 m，而正常水深为0.469 m，说明校核洪水在泄槽内不出现正常水深。

经计算，泄槽段侧墙从上向下，始端侧墙高取1.7 m，10 m处侧墙高取0.9 m，末端侧墙高取0.8 m（详见表4）。

表4 侧墙高度取值表

3.2.3 消力池计算

第一种方法：按《水土保持治沟骨干工程技术规范》中的公式（4.2.4-3）计算跃后水深：

下游河床段的水深0.687 m，池深d设=1.1×1.573-0.687=1.04 m，取消力池深1.1 m。

池长L2=（3-5）h2=（3-5）×1.573=4.72-7.86 m，取消力池长8 m。消力池结构尺寸：长×宽×深=8 m× 3.5 m×1.1 m。

第二种方法：按《中型水库设计》计算水跃长度，确定消力池尺寸。

已知泄槽末段设计洪水水深：h0=0.232 m；单宽流量：q5%=1.714 m3/s。

故跃前断面的佛劳德数为：

代入《中型水库设计》（14-22）式计算水跃长度：

故取消力池长8 m。消力池结构尺寸：长×宽×深= 8 m×3.5 m×1.1 m。

3.2.4 尾水渠设计

尾水渠一般取5-10 m长，底宽和溢洪道底同宽，本坝取3.5 m。底坡与河道的坡度一致，本坝取1/100。用明渠均匀流公式计算水深，得0.687 m，侧墙高取1.2 m。

S157.3+1

B

1008-0120（2017）01-0021-03

2016-11-28

李生惠（1960-）：男，工程师；通讯地址：山西省吕梁市滨河北西路1号，033000