柳林泉补水项目设计与分析

刘耀文

（柳林县水利局，山西 柳林 033300）

1 概况

柳林泉是吕梁市最大的岩溶泉，也是山西省十大泉之一。泉域范围主要涉及离石区、方山县全域，中阳县、柳林县大部，临县东部、南部及兴县南部，总面积6 274 km2。柳林泉域岩溶地下水是吕梁市区、中阳和柳林县城供水以及六县（区）部分农村生活用水和工业用水的主要来源，对保障泉域内各县（区）城乡居民饮水安全、生态环境平衡、经济快速发展、社会全面进步，以及离柳能源基地建设具有重要的支撑作用。由于近年来气候变化及泉域内矿产开采渗漏、岩溶地下水超采、地表水补给减少，导致柳林泉呈现出流明显衰减，且衰减速度逐年加快的趋势；已严重危及泉域内六县（区）人民生活用水保障和生态环境的可持续发展。因此，通过修建渗漏坝拦洪蓄水，增加岩溶地下水的补给量，是十分必要的，既对保护柳林泉起到了积极作用，又能改善库区周边生态环境。

柳林泉补水项目于家沟渗漏坝位于吕梁市柳林县于家沟村，处于柳林泉域补给区，山西省水文西区产流地类为灰岩灌丛山地。项目拟建4 座渗漏坝，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物为5 级，次要建筑物为5 级，临时建筑物为5 级。工程区设计基本地震峰值加速度值为0.05 g，特征周期值为0.45 s，抗震设防烈度为6 度。

2 水文

2.1 防洪标准及设计洪水分析计算

本次渗漏坝设计防洪标准为30 年一遇，校核防洪标准为200 年一遇。该项目4 座渗漏坝都位于主沟道内，上游坝对洪水的调节作用，改变了下游天然洪水的时程分配及峰、量大小，从而直接影响下游坝的设计洪水计算。分析设计断面的洪水就需要考虑上游坝的下泄洪水和上游坝～下游坝址区间洪水的遭遇和组合，因此，设计断面洪水推求采用同频率地区洪水组成法。该法是根据防洪要求，指定某一个分区出现与下游设计断面同频率的洪量，其余各分区的相应洪量按实际洪量组成比例分配。设计断面以上分为上游坝址和区间两个分区。从流域内面积与洪量分配关系考虑，本次同频率地区组成按最不利情况考虑，方案为：“上游坝址与设计断面同频率，区间相应”，即当设计断面发生频率为P 的设计洪水（以设计洪量表示）W设，P时，上游坝址也发生同频率洪水W上游坝，P，区间发生相应的洪水W区间，即W区间=W设，P-W上游坝，P。

以同频率的上游坝址下泄洪水与相应的区间洪水叠加，推求设计断面洪峰流量。

本次设计洪水计算需要进行渗漏坝的洪水调节计算，虽然推理公式法的理论比较完备，《山西省水文计算手册》也提供了一套完整的运算系统，参数分析所选资料均来自省内成果，但其洪水过程为概化过程线，与实际的洪水过程的拟合程度相差悬殊，用于调洪计算其精度不能保证，因此，各分区的洪水分析计算采用上述《手册》中提供的流域模型法。

通过计算得出：1#坝的设计洪水位为1 044.04 m，校核洪水位为1 045.59 m。2# 坝的设计洪水位为1 018.94 m，校核洪水位为1 020.71 m。3#坝的设计洪水位为997.80 m，校核洪水位为999.42 m。4#坝的设计洪水位为974.12 m，校核洪水位为975.49 m。

2.2 设计洪水成果合理性分析

本次对1#～4# 坝各设计断面进行了3.33%和0.5%的洪水分析计算，分析计算方法采用地区洪水同频率组成法和《山西省水文计算手册》提供的流域模型法。2#坝～4#坝设计断面洪水计算选用了地区洪水同频率组成法，洪水地区组成是大中型水利水电工程、防洪系统工程设计洪水计算的重要内容。本次分析计算在对各坝址上游洪水来源组成分析的基础上，拟定了洪水组成的基本方案。用该方案推求的设计断面洪水计算成果作为设计断面的设计洪峰流量是安全可靠的。

3 工程地质

据中国岩溶地质研究所资料和踏勘结果，渗漏坝库区地层近南北以条状出露。库区内出露有奥陶系上马家沟组第三系和第四系地层；库区处东部出露为寒武系和变质岩地层，西部出露奥陶系峰峰组地层。渗漏坝库区仅洪雨季节有洪水排泄。地下水仅有第四系松散岩类接受降水入渗补给形成的少量地下水，但形不成区域统一水位，地下水以蒸发、低洼处倚出地表和越层下渗流出坝库区排泄。

坝址区经踏勘地层岩性简单，1 号至4 号坝址地层仅有奥陶系灰岩和第四系土类松散层、第四系冲洪卵砾石和砂土三类。奥陶系灰岩向西倾但倾角较小，灰岩单层厚度小，层理明显，间夹多层细小溶孔，棱角交叉节理表层发育。岩性以薄层白云质泥灰岩为主，顶部为薄层状泥质灰岩居多。第四系土类松散层，只在1 号坝址沟东坝的上部分布，表层为黄土类，岩性为灰黄色砂土为主。第四系冲洪积卵砾石砂土层，仅在3 号、4 号坝址沟谷底不连续不规则分布，且厚度小而不一致，岩性为近年小洪水冲积残留的卵砾、砂土，卵砾棱角明显，基本无磨圆度，砂土以粉砂为主。

坝址区地质构造简单，只有岩层层理，垂直岩层的节理，以及间夹多层细小溶孔三种现象。坝址区地下水类型有第四系松散岩类孔隙水和变质岩裂隙水两种类型。坝址区河水及第四系孔隙水均属HCO3—Ca 型水，侵蚀性CO2为零，环境水对混凝土不具腐蚀性。

坝址区物理地质现象以风化为主，坝基强风化层基岩变形模量按800～1 000 MPa 考虑，泊松比按0.35考虑；全强风化层凝聚力c 按100 kPa 考虑，φ 值按31°考虑。坝基中等风化层基岩变形模量按2×104MPa考虑，泊松比按0.18～0.20 考虑。

根据勘测结果，将坝基风化层全部清理，坝体直接座在新鲜基岩上，即可解决坝基渗漏、保证渗透稳定性；各坝址处左右坝肩基岩裸露，清除风化表层后将坝肩顶在新鲜基岩上，不存在明显绕坝渗漏问题；两岸岩体完整，岩性较硬，自然坡角在40°—55°，坝坡较稳定。

4 渗漏坝主体设计及稳定计算

结合地质情况和实地地形，4 座渗漏坝座于基岩上，型式采用堆石自密实混凝土重力坝，顶宽3.0 m，1#坝、2#坝、3#坝、4#坝从上到下依次布置。上游坝坡1∶0.1，下游坝坡1∶0.5。中间设6 m 宽溢流孔，溢流孔分别高2.59 m、2.71 m、2.42 m、2.49 m。溢流段表层为厚20 cm 的C25 混凝土溢流面，由WES 曲线段、直线段和反弧段组成。溢流坝段采用挑流消能方式，沟道下游底部为基岩，不进行防护。

渗漏坝入库泥沙较小，基流稳定且基流流量较小，洪水在库区调节后全部从溢流孔通过，不设其它泄洪设施。泥沙和洪水主要由1#坝拦截调蓄，1#坝设置冲沙管和放水管，当1#坝达到淤积年限时，打开冲沙孔并进行冲淤，2#坝、3#坝和4#坝只设置放水管。渗漏坝参数见表1。

表1 渗漏坝参数表

坝体受力情况：大坝受自身重力、水压力、饱和土压力、扬压力和冰压力。水压力按静水总压力计算；本次坝基未设防渗帷幕和上游排水孔，坝底处的扬压力和饱和土压力为梯形分布；冰压力按静冰压力计算，冰层厚度按80 cm 计算，查表B.4.1 为215 KN/m，将表中值乘以0.87 后按187.05 KN/m 计算冰压力。经过对地基承载力、抗倾和抗滑计算，均能满足稳定要求。

5 大坝堆石混凝土施工

土、石方开挖前首先考虑土石方平衡问题，通过合理调配施工工序，最大限度减少物料往返运输。坝基开挖到新鲜基岩后，先对基岩面进行清理，又用水冲洗干净，切实做到没有浮渣、杂物等；然后放线安装模板，模板采用胶木板、每层立模高度为1 m。模板安装好后，进行堆石填装，堆石入仓前先对石块进行冲洗、严禁把杂物带进仓面内；使用挖掘机进行堆石入仓作业，人工辅助平仓，堆石高度基本与模板顶部齐平。

堆石入仓就绪后，进行自密实混凝土浇注作业，使用泵送混凝土直接浇入仓内，一直浇到本仓顶部以下10 cm 处。预留堆石顶10 cm 厚不浇注，作为下一仓的接茬；在上层浇筑前，先对下层的施工缝面，进行冲洗或凿毛处理。坝体各层内横向每20 m 设一道贯通上下游坡面的伸缩缝，伸缩缝采用上游不锈钢和橡胶止水带两道止水，并用水泥封口。

6 运行管护

为加强水库管理，结合自然地理条件和当地情况，参照《水库工程管理设计规范》（SL106—96），确定渗漏坝的工程管理范围和保护范围。渗漏坝库区的管理范围在淹没线以下；渗漏坝坝体管理范围为上游从坝轴线向上水平延伸150 m，下游从坝脚线向下150 m，大坝两端向外水平各延伸200 m；渗漏坝保护范围：由坝址以下、库区两岸向外延伸50 m，以上至第一道分水岭脊线之间的陆地。

总的管护原则是：局部服从总体，兴利服从防洪。即以防洪安全为前提，合理调配水资源。水库的泄水设施主要为溢流孔，要建立调度值班制度，随时掌握雨情、水情、险情等情况，及时向领导汇报，以保证调度运用计划的贯彻落实。

工程的养护维修是工程管理的常规工作，对所属机械设备进行定期养护，对检查出的工程问题，根据具体情况，确定具体方案，及时进行维修，以确保工程永续利用。