坝身溢洪道在小型土石坝工程中的应用

张 丹，成克雄

（遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002）

1 工程概况

永红山塘位于遵义市汇川区芝麻镇竹园村境内观音寺河左岸一级支流农场沟上，距遵义市区97km。山塘始建于20世纪60年代， 现状坝址以上流域面积1.5km2，库容较小仅280m3，基本没有调蓄功能。 主要建筑物为土石坝、右岸土渠泄洪兼放水设施。为解决竹元村人畜饮水及农业灌溉问题， 急需对山塘进行全面整治，确保工程供水功能可靠稳定发挥。

初步设计阶段， 永红山塘整治工程主要建设内容为大坝加高、新建泄洪及放水建筑物。山塘整治后总库容9.78万m3；大坝为土工膜防渗土石坝，整治后最大坝高27.0m，大坝加高17.0m；溢洪道紧邻右坝肩布置，为开敞式溢洪道，堰顶高程1335.00m，溢流净宽6.0m，溢洪道总长139.0m，采用底流消能。 工程规模为山塘，工程等别为Ⅴ等，建筑物按5级建筑物设计。 施工阶段，为了保护右岸公益林，结合现场边坡开挖出露的高边坡不稳定安全隐患等问题， 必须对泄洪方案作相应优化，合理指导现场高效优质、节能经济的施工建设。

2 设计优化缘由

永红山塘整治工程于2017年7月开工建设，2018年10月坝体填筑完成，并开始进入岸边溢洪道施工，至2018年11月岸边溢洪道进口段已开挖至1337.00～1337.90m高程。 开挖出露现状基础主要为黏土夹碎块石，同时溢洪道右岸已形成了最大高度约12m的岩土质混合边坡， 受连续降雨及上部通村公路来往车辆碾压影响，现状路面已出现少量纵向裂缝，路面外侧局部有10～20cm的沉降变形。若继续按原岸坡式溢洪道方案进行施工，存在以下问题：①边坡开挖将影响右岸公益林、通村公路和内侧山王庙，对通行车辆及行人造成较大安全隐患，阻碍村民通行问题；②右岸继续开挖将形成更高边坡， 其支护处理难度及工程量均较大。为此，参建各方共同商定进行溢洪道设计优化，保证工程施工的顺利进行，合理控制工程投资，并能按期完成建设任务。

3 溢洪道设计优化方案

3.1 工程地质条件

永红山塘坝址两岸对称性差，左岸地形高陡，整体呈近直立的陡崖，下游有浅切冲沟发育，上游地形坡度10°～20°，为缓至斜坡；右岸整体为连续的斜至陡坡，地形坡度20°～50°。 坝址两岸地形突出、陡峻处基岩多裸露， 在近河床平缓台地及相对较缓的斜坡处有厚薄不均的残坡积黏土夹碎石、 崩塌堆积碎石和少量人工弃碴分布， 其中坝址左岸上游缓坡台地覆盖层稍厚， 约3～4m。 坝址区岩层产状N16°E/SE∠26°，总体倾下游，为不对称的“V”型横向河谷。

坝址区地层单一，出露志留系下统龙马溪组（S1l）深灰色、灰色薄至中厚层粉砂质页岩夹钙质砂岩，其中粉砂质页岩占60%～70%， 钙质砂岩占30%～40%。坝址区未发现大的断层构造发育，构造以裂隙为主，受裂隙组合切割岩体完整性较差，风化深度大。 左、右岸5～7m，河床3～4m。 坝址基岩主要为弱透水性岩体，但坝基及两岸浅表部强风化岩体透水性强。

3.2 溢洪道布置优化调整

根据坝址地形地质条件，左岸地形高陡，整体呈近直立的陡崖，下游有浅切冲沟发育，不宜布置溢洪道。相比左岸，右岸坡度较缓，地形更加开阔，从地形条件考虑，可将溢洪道布置在右岸，初步设计也推荐右岸开敞式溢洪道方案。施工开挖出露现状表明：右岸溢洪道开挖将会形成高7～27m岩土质混合边坡，而大坝右岸有乡村公路通过，且项目区属高寒地带，气候恶劣，强降雨天气较多，加之右岸公路来往车辆碾压等影响，开挖后上部覆盖层发生滑坡的可能性非常大，影响右岸公路稳定，给通行车辆及行人造成极大安全隐患。因此，急需结合工程施工实际对原溢洪道布置方案进行优化，确保工程高效优质的施工建设。

3.2.1 坝身溢洪道可行性分析

坝身溢洪道是将溢洪道直接修建在土石堆石体上，在坝体沉降、高速水流等因素共同作用下，一旦失事其影响面和危害程度要比岸坡式溢洪道大很多［1］。 教授级高工方光达学者结合国内外土石坝坝身溢洪道新技术的建设和应用情况进行归纳总结和和分析研究，得出：对于有条件的土石坝，溢洪道应尽量布置在左岸或右岸坝段， 以降低溢洪道直接建筑在土石坝堆石头体上的失事风险及危害程度。 但当坝址两岸溢洪道修建条件有限， 坝高低于50m，泄洪单宽流量小于8m3/s·m的中、低土石坝，采用坝身溢洪道技术是可行的，一般不会出现特殊问题［2］。 土石坝坝身设置溢洪道不仅可以避免岸边溢洪道高边坡开挖所带来的安全隐患，同时还节约工程投资，经济性非常明显［3-4］。

永红山塘土石坝工程泄洪方案优化后溢流净宽7.0m，设计频率P=10%时，溢洪道下泄流量18.6m3/s，泄洪单宽流量为2.66m3/s·m；在校核频率P=2%时，溢洪道下泄流量29.4m3/s， 泄洪单宽流量为4.2m3/s·m。各工况下，溢洪道泄洪流量较小，泄洪单宽流量小于8m3/s·m，且最大坝高为27.0m，属于低坝。 根据坝址两岸地形地质条件， 结合右岸施工开挖出露实际情况， 大坝两岸布置开敞式自由泄洪溢洪道的条件非常有限， 而永红山塘工程具有布置坝身溢洪道的基本条件和优势。因此，施工阶段将右岸溢洪道方案优化为土坝坝身溢洪道。

3.2.2 坝身溢洪道布置

溢洪道布置于大坝中段， 为坝顶开敞式自由泄洪溢洪道，包括溢流控制段、泄槽段、消力池段，总长74.71m。 永红山塘坝身溢洪道平面布置，如图1。

图1 坝身溢洪道平面布置

由于永红山塘溢洪道直接修建在土石坝坝体上，一旦失事，后果将非常严重，因此，在设计时应认真考虑工程实施的具体条件和可能带来的风险，在可控范围内做出安全、可靠、经济的设计产品。 根据已建工程成功经验， 结合永红山塘施工现场实际情况，坝身溢洪道在设计时，从溢流堰堰型选择、泄槽段稳定措施和消力池布置等多方面考虑对方案进行优化调整。 溢洪道结构纵剖面，如图2。

图2 溢洪道结构纵剖面

（1）溢流堰堰型选择。考虑到土坝坝体沉降变形的影响， 在溢流堰选择时尽量选用对承载力较差的土基适应能力较强的堰型，还考虑节约工程投资。经技术经济比较，在相同溢流净宽条件下，优选泄流能力较强的驼峰堰作为永红山塘土石坝溢流堰堰型。溢流堰采用C25钢筋混凝土浇筑，基础厚80cm，堰顶高程1335.00m，溢流净宽7.0m，溢流堰堰面曲线采用三圆弧曲线组成， 中圆弧半径R=1.0m， 圆心角θ=56.14°；上下圆弧半径R=2.4m，圆心角θ=28.07°。 上游与大坝混凝土预制块护坡结构相接， 并将防渗土工膜伸入溢流堰堰体内，下游接泄槽段。

（2）泄槽段布置。为了满足溢洪道泄槽段的稳定要求， 做好坝身段泄槽底板的锚固措施和分缝措施是非常有必要的。 永红山塘土石坝工程泄槽段底板与坝体间设置φ25水泥砂浆锚杆 （L=4.5m， 间排距2.0m）增加溢洪道底板稳定性，同时溢洪道底板每隔8.0m设一道施工缝，分缝型式采用搭接缝，缝内设铜片止水和膨胀止水。 溢洪道泄槽段底板及侧墙采用40cm厚C25钢筋混凝土浇筑； 其底坡与大坝下游坝面同坡，为1∶2；底板宽度在桩号溢0+007.79m～溢0+022.79m 段为7.0 ～4.0m， 墙高2.0 ～1.2m， 在溢0+022.79m～溢0+054.71m段为4.0m，墙高1.2～4.0m。

（3）消力池布置。 消力池位于溢洪道桩号溢0+054.71m～溢0+074.71m段， 其基础置于原土石坝坝体上，而坝体填筑体厚度达6.0m。 由于消力池基础不能直接置于基岩上，为满足消力池结构的抗滑稳定性， 设计考虑消力池基础采用C15埋石混凝土处理成台阶状，厚1.0～2.0m。 通过计算，消力池优化设计特性参数为：池长20.0m，池深1.0m，池宽4.0m，墙高4.0m，断面型式为矩形，边墙和底板均采用C25钢筋混凝土浇筑。

4 坝顶溢洪道设计计算

4.1 泄流能力

永红山塘土石坝坝身溢洪道为坝顶开敞式溢洪道，驼峰堰堰型，泄流能力计算公式为［5］：

式中 Q为流量（m3/s）；B为溢洪道总净宽，取7m；ε为闸墩侧收缩系数， 取0.92；H0为计入行近流速水头的堰上总水头（m）；m为流量系数，取0.42。

根据永红山塘土石坝洪水调度方式，选取P=2%校核洪水标准和P=10%设计及消能洪水标准共2种工况，计算得溢洪道泄流能力成果，如表1。

表1 溢洪道泄流能力计算成果

从表1可知，坝身溢洪道在2种工况条件下，实际能下泄流量均大于设计下泄流量， 溢洪道泄流能力满足泄洪下泄流量要求，且具有一定余量，溢洪道结构设计及尺寸选择合理。

4.2 泄槽水面线

泄槽上游接驼峰堰，泄槽首端水深：校核工况时为1.2m，设计工况时为0.89m。 根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式为［5］：

式中 ΔL1-2为分段长度 （m）；h1、h2，v1、v2，α1、α2及R1、R2分别为计算段始末断面水深（m）、平均流速（m/s）、流速分布不均与系数（取1.05）及水力半径（m）；i为泄槽底坡；J为分段平均摩阻系数；n为泄槽槽身糙率系数，综合取0.017。

在校核工况下泄洪水流量（P=2%、29.4m3/s）、设计工况下泄流量（P=10.0%、18.6m3/s）时，溢洪道泄水槽各桩号水深和流速计算成果，如表2。

表2 溢洪道泄水槽段水力特性表

从表2分析成果可知，泄槽边墙高度按考虑掺气影响后的水面线加0.5～1.5m安全加高确定， 泄槽边墙设计高度满足要求。

4.3 溢流堰稳定

溢流堰稳定分析以垂直水流方向宽度1.0m作为计算对象，计算公式为［5］：

式中 Ks为抗滑稳定安全系数；f 为溢洪道混凝土地板与土石坝体间的摩擦系数；∑W、∑P 分别为作用于溢流堰体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量和切向分量。

在正常蓄水位 （1335.00m） 工况和校核洪水位（1336.92m）工况条件下，溢流堰稳定计算成果，如表3。

表3 溢流堰稳定计算成果

从表3分析成果可知，校核洪水位工况安全系数为7.8； 正常蓄水位工况安全系数为15.1， 均大于1.05，满足规范要求且安全富余度较大，溢流堰结构安全稳定。

4.4 泄槽段底板及侧墙稳定

根据SL253—2018《溢洪道设计规范》，泄槽段底板及侧墙的稳定主要依靠防渗、排水、止水及锚筋等工程措施来解决。由于永红山塘溢洪道规模较小、单宽流量较小， 溢洪道泄槽段稳定计算采用经典理论力学公式进行初步分析计算， 用工程类比确定泄槽的锚固方式。 由于永红山塘溢洪道底板及侧墙采用C25钢筋混凝土现浇为一个整体。 因此，溢洪道泄槽段稳定计算时， 将底板及侧墙作为一个整体进行计算，如图3。

图3 泄槽稳定计算简图

泄槽底板及侧墙的抗滑安全系数计算公式同溢流堰。 选择完工未蓄水和校核洪水两种工况， 在设φ25水泥砂浆锚杆（L=4.5m，间排距2.0m）条件下进行分析，计算得泄槽底板及侧墙的抗滑安全系数成果，如表4。

表4 泄槽段底板及侧墙稳定计算成果

从表3分析成果可知， 抗滑安全系数K＞1.05，溢洪道泄槽安全稳定性满足规范要求， 所设锚拉筋满足要求。

5 结语

（1）永红山塘土石坝整治加高工程，由于坝址左岸地形较陡，右岸溢洪道开挖出露高边坡稳定问题，边坡支护处理工程量较大， 不宜继续修建岸边溢洪道。 结合土石坝坝身溢流新技术相关文献资料并参照同类工程建设与应用成功经验， 设计将溢洪道优化调整为坝身溢洪道， 解决右岸边坡开挖可能带来的高边坡不稳定安全隐患，且调整方案经济效益明显。

（2）论证分析和设计计算成果表明：采用坝身溢洪道方案，溢洪道泄流能力、边墙高度和溢流堰抗滑稳定均满足相关规范指标要求， 优化调整方案技术可行。永红山塘土石坝坝体于2018年10月填筑完成，坝身溢洪道于2019年4月日开始浇筑。 溢洪道浇筑时，坝体已达到沉降稳定期，坝体沉降变形对溢洪道结构影响较小。

（3）土石坝坝身溢洪道设计时，从溢流堰型选择、泄槽段抗滑稳定措施等多角度考虑是必要的。

（4）永红山塘土石坝整治工程于2019年12月竣工，蓄水运行至今已有一年多， 经历了汛期大流量泄洪检验，溢洪道结构未发现沉降、变形、开裂等不利现象，土石坝整体运行状况良好。