某小型水库泄水建筑物设计比选

韩鹏辉，张 浩，罗 杰

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

1 工程概况

某小型水库位于黄土高原沟壑区，是一座以农业灌溉为主的IV 等小（1）型水库。本工程目前处于施工阶段，坝高43.70 m，总库容 293 万 m3。根据《防洪标准》(GB 50201-2014)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）[1,2]大坝、泄水建筑物等主要建筑物级别为4 级，洪水标准为设计洪水30 年一遇，校核洪水300 年一遇。

工程所在的河道全长20.1 km，平均比降24.9‰, 蚂蚁沟坝址以上流域面积为47.3 km2。全流域为东西走向，东高西低，地形差异明显，兼有塬、坡、沟、峁等多种地貌类型。沟道断面主要多呈“U”型。

流域属暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均年降水量583.7 mm。年内降水分配不均，降水主要集中在7 月～9 月份，多以暴雨的形式出现。坝址多年平均流量0.100 m3/s，平均年径流量为315 万m3。洪水多发生在6 月～9 月，洪水一般峰高量小，由于河槽调蓄能力较小，一次暴雨形成一个洪峰，在多雨季节形成陡涨陡落的连续洪峰。设计、校核洪峰流量分别为259 m3/s、541 m3/s[3]。

2 工程地质

2.1 库区工程地质

工程区位于华北地层区的陕甘宁盆地分区，以发育中、新生代陆相地层为特征。三叠系主要为内陆盆地含油汽沉积地层，侏罗系、白垩系为内陆盆地含煤碎屑岩组合（J）及红色碎屑岩组合（K）。新生代在本区以上第三系红色碎屑岩组合及第四系冲洪积～冲湖积层为主，以第四纪黄土堆积为特色，为中国黄土高原的主要组成部分。

工程区地震动峰值加速度a=0.05 g，地震动反应谱特征周期T=0.45 s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。工程区属构造相对稳定地区。

2.2 坝址区工程地质

（1）地形地貌

坝址区河道顺直，河谷形状为不对称“V”型。左右岸均为土质岸坡，坡体为第四系残坡积黄土层所覆盖，植被茂密。右岸岸坡总体较缓，下部低高程有基岩出露。坝址区左右岸上下游均发育有冲沟。

（2）地层岩性

坝址地层主要为侏罗系中统（J2）、白垩系下统（K1）和第四系（Q）。第四系地主要为中更新统（Q2）黄土状土，上更新统（Q3）黄土，全新统（Q4）冲洪积砂卵砾石、残坡积黄土等。

（3）地质构造

坝址区岩体中未发现断裂构造，河床两岸岸坡基本为第四系所覆盖，仅河槽右边岸坡脚部位有侏罗系、白垩系近水平岩层出露，岩层倾角2°～4°，向NNW 缓倾，构造裂隙不发育。

（4）物理地质现象

坝址区物理地质现象不发育，两岸未发现滑坡、变形体及规模较大的崩塌、泥石流等，物理地质现象主要表现为岩体的风化与卸荷。

3 坝址、坝型选择

3.1 坝址选择

坝址区河道仅150 m 长，且坝址左右岸、上下游均发育有冲沟，受此条件限制，坝线可选择余地很小，只能将坝线布置于两岸山脊中部，因此本工程坝线唯一。

在人群中的感染很普遍,存在于精液中的病毒,不仅使宫颈受到感染,还可通过胎盘感染胚胎或胎儿,导致胎儿死亡和流产的发生。

3.2 坝型选择

坝址基岩深埋，出露高程较低，坝址区天然石料、骨料质量不满足要求，均需要从外地采购，因此采用堆石坝和混凝土坝型不经济。工程区域位于黄土高原，坝址区域分布有大范围的黄土，土料储量和质量均质坝的要求。根据现场调查情况，当地已建的小型水库均采用均质土坝[4]，技术成熟，施工速度快。因此，推荐坝型为均质土坝。

4 泄水建筑物比选

4.1 泄水建筑物选择及布置原则

（1）由于本工程规模小，从安全性、经济性、运行管理的方便性等方面考虑，泄水建筑物由溢洪道和泄洪洞（兼导流洞）组成。

（2）本工程枯水期来水量较小，汛期洪水较大，大坝为均质土坝，因此泄水建筑物应满足超泄能力较大、运行简单、管理方便、造价低廉的原则，故溢洪道不设闸门，采用自由溢流方式。

（3）泄水建筑物布置应尽量选择有利的地形和地质条件布置在岸边，并尽量避免开挖而形成高边坡。溢洪道进、出口的布置应使水流顺畅。

（4）泄洪洞与导流洞结合，施工期参与导流，运行期参与泄洪。泄洪洞兼导流洞一次建成，满足导流泄洪的要求，减少工程投资。

4.2 泄水建筑物孔口尺寸比选

本工程泄洪洞与导流洞结合，一次建成，前期导流，后期泄洪。根据本工程的特点，参考类似工程经验，泄水建筑物孔口尺寸拟定，应使泄洪洞在满足导流要求泄量的前提下，设计和校核洪水尽量采用溢洪道泄洪，以减小泄洪洞的断面，减少工程投资。

本工程施工期度汛标准取20 年一遇，相应流量Q5%=230 m3/s，参考类似工程，并进行了泄流能力计算。满足施工期度汛的泄洪洞（兼导流）底板高程1065.00 m，出口孔口尺寸为4 m×3 m。溢洪道堰顶高程与正常蓄水位同高，为1093.20 m，溢洪道宽度为12 m。

为降低泄水建筑物的规模，联解有限差形式的水量平衡方程式、泄水量Q 与坝前库水位关系式、蓄水量V 与库水位Z 关系式，即可求得各时段的坝前水位、水库泄量及蓄水量。根据上述原理，采用试算法迭代求解，逐时段连续演算，进行整个调洪过程。调洪演算工况为校核、设计工况下溢洪道、泄洪洞均参与泄洪。调洪演算成果见表1，泄量分配见表2。

表1 调洪演算成果表

表2 泄量分配表

4.3 泄水建筑物轴线比选

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）[5]，溢洪道应根据地形和地质条件布置在岸边或者垭口，宜避免开挖形成高边坡。坝址左右岸无明显的垭口布置溢洪道，左岸地形较缓，右岸地形较陡。溢洪道布置在左岸，水流顺畅，开挖量较小，归槽条件较好。右岸地形也适宜布置溢洪道，开挖量较小。从地质条件看，左岸溢洪道基础湿陷性Q4黄土厚度为2.1 m～7.9 m，Q3黄土厚度3 m～11 m，根据溢洪道体型布置，湿陷性黄土将全部挖除；根据地质分析，右岸溢洪道湿陷性黄土Q4厚9.6 m～10.0 m，Q3黄土厚16 m～20 m，基础存在湿陷性处理问题。另一方面，右坝肩湿陷性黄土全部挖除后，溢洪道将位于坝体之上，若溢洪道发生破坏，渗水进入坝体，会对坝体稳定产生不利影响，存在一定的风险。综上所述，左右两岸地形地质条件均具备布置溢洪道的条件，相比而言，左岸不存在湿陷性问题，更适宜布置溢洪道。

（2）泄洪洞位置比选

坝址左右岸均有布置泄洪洞的地形条件。泄洪洞布置在左岸，水流顺畅，开挖量较小，归槽条件较好。泄洪洞初拟的洞径为5 m，开挖高度6.6 m。根据坝址区地质条件，泄洪洞若布置在左岸，洞身长度159 m，围岩最大厚度13.5 m，对洞身结构稳定有利，但进出口的开挖量较大，并造成高边坡问题，尤其是进口开挖已经延伸至上游1 号滑坡处，开挖高度达到了70 m。泄洪洞布置在右岸，洞身长度达到246 m，洞线较长，地形相对平缓，围岩最大厚度仅为6 m，洞身上部土层较厚，成洞困难；受上、下游冲沟的影响，进口水流条件及出口归槽条件不好。

除了左、右岸泄洪洞布置思路，另外考虑了坝下泄洪洞的布置方案。参考类似工程布置经验[6]，结合当地类似已建工程案例，对坝下泄洪洞方案进行比选。根据左右岸地形条件，在河床右岸1065 m 高程的阶地布置坝下泄洪洞，洞线与坝轴线垂直，上部为均质土坝，洞身为现浇钢筋混凝土明拱结构，坝下洞身长度为160 m，基础位于基岩之上。该方案的优点在于开挖量小，施工方便，工程造价小；缺点在于由于坝下为泄洪洞，一旦发生内水外渗，形成渗漏通道后，会对坝体带来安全问题。故对防渗、洞身结构、混凝土浇筑质量以及洞身周围的坝体填筑质量的要求较高。

4.4 泄水建筑物布置比选

根据泄水建筑物轴线的比选，共拟定2 个方案。方案1，左岸泄洪洞+右岸坝身溢洪道；方案2，坝下泄洪洞+左岸溢洪道。

方案1：溢洪道布置于右岸坝体之上，总长220.38 m，泄洪洞位于大坝左岸，总长度为474.18 m，洞身段围岩为Ⅳ、Ⅴ类，稳定性较差。优点：①溢洪道布置在坝体上，引渠及泄槽段开挖量小，投资较省；②泄洪洞能充分利用左岸冲沟有利地形，水流归槽条件好。缺点：①溢洪道引渠段、堰闸段、泄槽上游段位于均质土坝之上，存在不均匀沉降问题，溢洪道发生破坏，水流渗入坝体，会对坝体稳定产生不利影响，风险较大；②溢洪道的施工进度受坝体制约；③泄洪洞进口、出口明渠开挖量较大。进口开挖会影响到1 号滑坡，开挖最大坡高达78 m，造成高边坡问题，泄洪洞投资较大。坝体、泄水建筑物投资1.40 亿元。

方案2：溢洪道布置于左岸坝肩，总长308.91 m。泄洪洞位于右岸坝体之下总长度为378.50 m，基础位于基岩上。优点：①溢洪道布置在坝体左岸，基础位于没有湿陷性的Q2黄土和基岩上，出口水流顺畅，归槽条件较好；②泄洪洞洞身段基础为明挖，开挖量小；洞身段施工条件好，造价低。缺点：①左岸地形高，溢洪道开挖量较大；②泄洪洞位于均质坝体下，内水外渗对坝体有影响，存在一定风险；③泄洪洞位于均质坝体下，对坝体和泄洪洞结合处填筑以及洞身段的施工质量要求较高。坝体、泄水建筑物投资为1.25 亿元。

通过地质条件、水流流态、工程投资等方面综合比选，最终选定方案2 为推荐方案，即左岸溢洪道+右岸坝下泄洪洞的布置型式。

5 结论

（1）受地形、地质条件的限制，本工程的坝址、坝线、坝型唯一。

（2）本工程泄水建筑物布置较为困难。溢洪道布置在左岸，避免了基础湿陷性黄土的处理。由于泄洪洞不宜按照常规布置于两岸坝肩下部，最终采用了坝下泄洪洞的布置方式。

（3）根据以往工程类似工程的运行情况，坝下泄洪洞的布置方式虽然也存在一定的风险，但只要做好了基础处理牢靠，管身防渗措施到位，结构稳定，就可以保证泄洪洞的安全运行。

（4）随着水利事业的发展，将更多的小水库兴建，黄土高原地区相当一部分小水库都位于湿陷性黄土地区，这类地区的坝型几乎都为均质土坝，都存在湿陷性黄土的处理问题，泄洪洞或者放水管都位于坝下。本工程可为今后类似工程提供经验。