太原市南坪头水库更新改造工程泄洪洞设计

樊亚婷

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，太原030024）

1 工程概况

南坪头水库位于太原市东山南部南坪头村东黑驼沟上游。工程所在黑驼沟属于黄河流域，汾河的二级支流，汇入一级支流许坦排洪渠。坝址以上控制流域面积10.6 km2，多年平均降雨量467.1 mm，多年平均径流量44万m3。

水库于1972年竣工，初始建设目的是保障城市防洪，水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水洞等建筑物组成，2011年对水库进行一次除险加固。随着城市建设的发展，水库下游已兴建大型建筑，现状水库存在坝顶不能满足两岸交通需要，水库淤积严重，库区临建较多等问题。因此，对水库进行再次改造，工程任务转变为以防洪为主，兼顾生态蓄水与环境美化。

本次改造工程内容：大坝加高加宽，增加观测设施；原放水洞封堵、溢洪道拆除；新建泄洪洞，设闸门控制；水库清淤、库区及坝坡防渗处理，修建管理站及库区道路；左岸库区削坡整治美化，下游沟道回填及绿化。

改造后，南坪头水库枢纽工程由大坝、泄洪洞及景观绿化等建筑物组成。改造后总库容111.6万m3，设计洪水位861.46 m，校核洪水位864.04 m，水库清淤53.99万m3，护坡绿化35 565 m2，水库景观美化80 068 m2。水库规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级；洪水标准为30年一遇设计，300年一遇校核。

2 新建泄洪洞设计

新建泄洪洞布置于原溢洪道北侧，中心线位于大坝桩号0+020.0，泄洪洞全长219.69 m（X0-035.19—X0+184.50）。由进口段、闸室段、无压洞身段及出口段组成，校核洪水位下控制下泄流量15 m3/s。闸室前为有压引水箱涵，闸室后接无压洞，闸室内顺水流方向依次设事故平板检修门和弧形工作闸门。

2.1 进口段

进口段包括喇叭口段和引水箱涵段，均布置在培厚坝体内。

桩号X0-035.19—X0-023.33为喇叭口段，长11.86m，为C25钢筋混凝土矩形断面，底板高程853.0 m。底宽10.9～3.0 m，底板厚0.6 m，侧墙高度0.647～4.6 m，墙厚0.5～1.65 m，边墙外坡1:0.25。

桩号X0-023.33—X0-016.5为有压引水箱涵段，长6.83 m，为C25钢筋混凝土矩形结构，断面尺寸3.0 m×3.6 m（宽×高），平底，底板高程853.0 m，底板厚0.6 m，侧壁厚0.5～1.525 m，外坡1:0.25，顶板厚0.5 m。

2.2 闸室段

桩号X0-016.5—X0+000.0为竖井式进水塔闸室段，长16.5 m，宽5.2 m，为C25钢筋混凝土矩形结构。闸室底板高程853.0 m，塔内布置事故检修平板门及弧形工作门，其中事故检修门孔口尺寸为3.0 m×3.6 m，弧形工作闸门孔口尺寸为3.0 m×3.0 m。

事故检修门检修平台高程为861.5 m，启闭平台高程868.2 m，检修平台和启闭平台之间为C25钢筋混凝土排架，排架高度6.7 m，排架上部事故检修门的启闭机房为框架结构，启闭机室布置1台250 kN卷扬机。

工作门的启闭平台设在高程868.20 m处，布置1台400 kN卷扬机启吊弧门，启闭机室平面尺寸12.8 m×5.2 m×3.7 m（长×宽×高），在启闭平台与工作门之间竖井侧壁布置爬梯，在竖井中间隔墙设DN 300通气孔。

启闭平台近大坝侧布置先张法预应力混凝土简支空心板工作桥，桥长16 m，桥宽5.0 m，桥面高程868.20 m，桥面至坝坡后接台阶通至坝顶。事故检修平台利用钢梯连接至启闭平台，然后经过工作门启闭机室与工作桥连接。

2.3 无压洞身段

无压洞身段位于竖井工作闸门下游，布置在大坝坝体内，进、出口高程分别为853.0 m、852.1 m，洞长90.0 m，底坡1/100，城门洞型，顶拱中心角为180°。其中桩号X0+000.0 m—X0+005.0 m段断面尺寸3.0 m×5.0 m（宽×高）；桩号X0+005.0 m—X0+010.0 m为渐变段，断面尺寸由3.0 m×5.0 m（宽×高）渐变为3.0×4.0 m（宽×高）；桩号X0+010.0 m—X0+090.0 m段断面尺寸为3.0 m×4.0 m（宽×高）。

无压洞身段均为C30钢筋混凝土城门洞型结构，底板厚0.6 m，侧壁厚0.5～0.85 m，外坡1∶0.25，顶拱厚0.5 m，底板下土体夯实后铺设10 cm厚C15混凝土垫层。洞身段横穿原大坝坝体，利用原溢洪道拆除后开挖平台继续下挖至泄洪洞建基面，开挖边坡为1∶1.5。同时为增加泄洪洞两侧和顶部土体的塑性，在泄洪洞侧墙及顶部回填高塑性粘土，单侧厚度3 m，混凝土表面涂抹浓黏土浆，之后进行铺土碾压。混凝土衬砌每8 m设一横缝，缝间设止水，采用“651”橡胶止水带，高密度聚乙烯闭孔板嵌缝，临水面变形缝内设30 mm双组分聚硫密封胶封口。

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钢筋混凝土结构。桩号X0+090.0 m—X0+114.0 m为陡坡段，坡度1∶2.5，矩形断面，断面尺寸为3.0 m×2.5 m（宽×高），底板厚0.6 m，侧壁厚0.5～0.79 m，外坡1∶0.1，顶板厚0.4 m，底板下土体夯实后铺设10 cm厚C15混凝土垫层。

桩号S0+114.0 m—S0+135.0 m为消力池段，池长21.0 m，矩形断面，断面尺寸3.0 m×5.0 m（宽×高），底板厚0.9 m，侧壁厚0.5～1.04 m，外坡1∶0.1，顶板厚0.4 m，底板下土体夯实后铺设10 cm厚C15混凝土垫层。

消力池后接矩形箱涵（X0+135.00—X0+184.50）并入城市排水体系，矩形断面，断面尺寸3.0 m×2.5 m（宽×高），底板厚0.5 m，侧壁厚0.5～0.79 m，外坡1∶0.1，顶板厚0.4m，底板下土体夯实后铺设10cm厚C15混凝土垫层。

3 水力学计算

3.1 泄流能力计算

根据调度运行规定，在库水位超过汛限水位859.0 m时，按照有压进口计算，控制闸门开度，保证最大泄量不超过15 m3/s，采用公式如下：

式中：Q——流量，m3/s；

μ——流量系数；

e、B——分别为闸孔开启高度和水流收缩断面处的底宽，m；

g——重力加速度，取值9.81 m/s2；

H——由闸孔底板高程算起的上游库水深，m；

ε——工作闸门垂直收缩系数。

计算得到闸门不同开度下水位～流量关系见表1。

表1 不同开度下水位～流量关系表 单位：m3/s

3.2 无压洞水面线推算

无压洞断面为城门洞型，底宽B=3 m，底坡i=1%，最大泄量Q=15 m3/s。按矩形求得临界水深hk=1.37 m，正常水深h0=0.99 m，因h0＜hk，故无压隧洞底坡为陡坡。无压洞控制断面X0+004.1处水深为0.82 m，根据能量方程，推出无压洞末端控制水深0.95 m，据此可判断出无压洞段水面线为cⅡ型雍水曲线。

（1）利用分段求和法计算水面线，公式如下：

式中：hi、hi+1——i、i+1断面处水深，m；

vi、vi+1——i、i+1断面处流速，m/s；

Δl——流段的长度，m；

i——底坡；——流段的平均水力坡度。

（2）掺气水流的水深，采用下式计算：

式中：ζ——修正系数，取1.2；

h、hb——泄槽计算断面的水深及掺气后水深，m；

v——不掺气时泄槽计算断面的流速，m/s。

经计算，无压洞段水面线计算结果见表2。

?

计算结果表明，无压洞段沿线净空面积比均大于15%，且水面线没有超出直墙范围，满足规范要求。

3.3 底流消能计算

经计算分析，消力池的深度和长度均按泄量为15 m3/s设计，计算分析后设计为综合消力池。

（1）下游水深ht确定

消力池后接明渠，底坡1/300，按渠道均匀流水深考虑，即ht=h0，下泄15m3/s流量时，相应水深为1.47m。

（2）确定消力池池长Lk和池深d

根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018），计算公式如下：

式中：Fr1——收缩断面的佛汝德数；

v1——收缩断面的流速，m/s；

h1——收缩断面的水深，m；

h2——池中发生临界水跃时的跃后水深，m；

ht——消力池出口下游水深，m；

d——池深，m；

σ——水跃淹没度，取1.05；

ΔZ——消力池尾部出口水面跌落，m；

Q——流量，m3/s；

b——消力池宽度，m；

φ——消力池出口段流速系数，取0.95；

L——自由水跃的长度，m；

Lk——消力池的长度，m。

由上述各式联解，通过试算，求出消力池池深2.5 m，池长21 m。

4 进水塔稳定应力分析

进水塔总高度20.1 m，高程860.0 m以下埋设于坝体土中，埋设深度约7.0m，不存在抗滑稳定和抗倾覆稳定问题，本次仅对进水塔抗浮和基底应力进行计算。

4.1 荷载及荷载组合

荷载及荷载组合见表3。

?

4.2 抗浮稳定计算

闸室抗浮稳定按下式计算：

式中：Kf——抗浮安全系数；

∑V——建基面上垂直力总和，kN；

∑U——建基面上扬压力总和，kN。

经计算，进水塔满足抗浮稳定要求。计算成果见表4。

表4 抗浮稳定计算成果表

4.3 基底应力计算

基底应力计算公式：

ΣG——作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；

ΣMx、ΣMy——作用在闸室上的全部竖向和水平荷载，对于基础底面形心轴x、y的力矩，kN·m；

A——闸室基底面的面积，m2；

Wx、Wy——闸室基底面对于该底面形心轴x、y的截面矩，m3。

不同荷载组合的基底应力计算成果见表5。经计算，最大基底应力为201.9 kPa，超过地基容许承载力100 kPa，基底应力不满足规范要求。

表5 基底应力计算成果表 单位：kPa

4.4 闸室地基处理

4.4.1 复合地基承载力特征值计算

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012），对散体材料增强体复合地基按下式计算：

式中：fspk——复合地基承载力特征值，kPa；

fsk——处理后桩间土承载力特征值，可按地区经验确定，对于松散土可取原天然地基承载力特征值的（1.2～1.5）倍，本工程取原天然地基承载力特征值1.4倍，计算值为140 kPa；

n——复合地基桩土应力比，可按地区经验确定，取3；

m——面积置换率d2/de2；d为桩身平均直径,m；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m；等边三角形布桩de=1.05s，s为桩间距离，经计算本工程m=0.08。

经计算，复合地基承载力特征值可提高至162.86 kPa。

4.4.2 修正地基承载力特征值

根据《复合地基技术规范》（GB/T 50783-2012），修正后的复合地基承载力特征值fa应按下式计算：

式中：fsak——复合地基承载力特征值，kPa；

γm——基础底面以上土的加权平均重度，kN/m3，地下水位以下取浮重度；

D——基础埋置深度，m。

计算修正地基承载力为242.86 kPa，大于各种工况下闸室地基应力值，处理后的基底应力满足要求。

5 结语

南坪头水库改造，不但可以缓解许坦排洪渠的排洪压力，而且可改善东山片区周边生态环境，也为周边发展提供了良好的投资环境和人居环境。通过计算分析，新建泄洪洞各断面型式均满足泄洪设计要求。