洋縣黨河水庫(kù)正常溢洪道出口消能設(shè)計(jì)

冀 飛

（漢中市水利水電建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院 陜西 漢中 723000）

1 概述

洋縣黨河水庫(kù)位于縣城以北7km周家坎村，是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼發(fā)電、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的全國(guó)重點(diǎn)中型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐主要包括：均質(zhì)土壩、正常溢洪道、非常溢洪道、輸水涵洞等建筑物。土壩最大壩高51m，原設(shè)計(jì)總庫(kù)容4190萬(wàn)m3。黨水河發(fā)源于秦嶺南麓洋縣鐵河鄉(xiāng)境內(nèi)，屬漢江一級(jí)支流?？偭饔蛎娣e281.4km2，壩址以上控制流域面積237km2，多年平均徑流量0.892 億m3。

水庫(kù)樞紐于1966年10月動(dòng)工，1970年3月建成蓄水。由于歷史的原因，水庫(kù)運(yùn)行近40年來(lái)，多次發(fā)生嚴(yán)重險(xiǎn)情，雖經(jīng)臨時(shí)加固處理，但限于資金緊缺未能徹底解決已存的多處病險(xiǎn)，特別是“5·12”地震發(fā)生后，水庫(kù)險(xiǎn)情加重。

2007年4月漢中市水利局依據(jù)水利部頒發(fā)的《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》及陜西省水利廳的有關(guān)要求，確定該水庫(kù)為三類病險(xiǎn)水庫(kù)。

2 溢洪道現(xiàn)狀及出口病險(xiǎn)成因分析

根據(jù)水電部《關(guān)于復(fù)核水庫(kù)防洪安全的幾點(diǎn)規(guī)定》和陜西省1975年水利會(huì)議精神“大中型水庫(kù)都要以可能最大洪水作為保壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核，提出加固處理的工程措施”。黨河水庫(kù)最大可能洪水定為3800m3/s，其下泄流量3050m3/s遠(yuǎn)大于原溢洪道保壩下泄流量1230m3/s，故1977年增建第二溢洪道（即正常溢洪道）。

正常溢洪道現(xiàn)狀為：進(jìn)口寬頂堰，堰寬53m，堰頂高程529.0m，漸變段樁號(hào)0+000～0+080，底坡 1∶20，底寬 53m～40m；梯形泄槽段樁號(hào) 0+080～0+150，底坡 1∶30，底寬 40m；樁號(hào) 0+150～0+330，底坡 1∶50，底寬 40m；樁號(hào)0+330～0+340為的拋物線泄流面，樁號(hào)0+340～0+345 為 1∶3 底坡，樁號(hào) 0+345～0+352為R=9m的反弧挑坎，挑射角θ=25°。泄槽末端0+330處高程819.07m，鼻坎高程516.089m。

黨河水庫(kù)為Ⅲ等中型水利工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇洪水設(shè)計(jì)，Q泄=954m3/s；1000年一遇洪水校核，Q泄=1496m3/s；消能防沖采用30年一遇洪水設(shè)計(jì)，Q泄=717m3/s。正常溢洪道于1984年建成至今，最大實(shí)測(cè)泄量為133m3/s，由于長(zhǎng)時(shí)間小流量沖刷，致使挑坎齒墻基礎(chǔ)裸露，高出沖坑底部6.0m，局部掏空1.0m，并且下游河道狹窄，洪水回旋沖刷嚴(yán)重，基礎(chǔ)懸空外露，致使兩岸邊坡崩塌特別嚴(yán)重。1995年除險(xiǎn)加固時(shí)，由于資金缺乏，僅在溢洪道鼻坎基礎(chǔ)位置修建6.3m長(zhǎng)護(hù)坦。

正常溢洪道出口破壞形式是小流量貼流沖刷引起，主要原因是：①反弧段前段坡較緩（底坡1∶3）；②挑流鼻坎設(shè)置較高，鼻坎落差僅為2.981m，挑流水頭??；③鼻坎根部基礎(chǔ)及其下游為風(fēng)化云母片巖，抗沖能力弱；④下游河床變化，不能形成較穩(wěn)定的沖坑。因此，小流量時(shí)反弧段成了消力池，水流沒(méi)有足夠的能量起挑，形成貼流，沖刷鼻坎根部基礎(chǔ)。

3 工程地質(zhì)條件

正常溢洪道位于大壩左側(cè)山坡，由NW向SE方向延伸，在下游與一近南北走向的小沖溝交匯。山坡地貌單位屬黨水河四級(jí)階地，為基座式階地，基地高程約為520m，階地上部為粘土層，下部為砂卵石層。

表1 溢洪道出口消能方式方案比較

表2 各種頻率洪水消能計(jì)算結(jié)果表 單位:m

根據(jù)溢洪道底板高程，溢洪道上段（0+000～0+093）底板地基上部為棕色粘土層，呈硬塑狀，厚度0～3.6m，下部為砂卵石層，最大厚度約4.8m，密實(shí)，下伏全～強(qiáng)風(fēng)化片巖；溢洪道中段（0+093～0+253）底板地基上部為密實(shí)的砂卵石層，下伏全～強(qiáng)風(fēng)化片巖。溢洪道下段（0+253～0+371）底板直接處于強(qiáng)風(fēng)化片巖上。下游沖刷坑基巖裸露為強(qiáng)風(fēng)化片巖。溢洪道全段為無(wú)大的斷層切割，底板工程地質(zhì)條件較好。

溢洪道下段側(cè)墻底部為全～強(qiáng)風(fēng)化片巖，中部為厚度9.4m～9.8m的砂卵石層，上部為粘土層，最大厚度達(dá)21m，下部砂卵石層為漿砌石砌護(hù)，砌護(hù)高度為9.2m，坡度 45°～48°，穩(wěn)定性較好。上部粘土質(zhì)邊坡由于高度大，坡度陡，穩(wěn)定性差，挑流鼻坎段左、右邊坡風(fēng)化基巖、砂卵石層以及粘土層均外露，長(zhǎng)期遭受風(fēng)化剝蝕，加之泄洪時(shí)水流飛濺，淘蝕岸坡坡腳，造成邊坡失穩(wěn)。

4 溢洪道出口消能設(shè)計(jì)

溢洪道現(xiàn)狀出口消能采用挑流消能，根據(jù)黨河水庫(kù)的工程規(guī)模，消能設(shè)施按照30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際地形，設(shè)計(jì)對(duì)挑流消能和綜合跌水消能兩種方案進(jìn)行比較，見表1。通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較，推薦挑流消能作為溢洪道出口的效能方案。

由于溢洪道出口破壞形式主要是由小流量貼流沖刷引起，根據(jù)其病險(xiǎn)原因并根據(jù)消能設(shè)施的規(guī)模以及長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際地形，出口消能設(shè)施接泄槽末端（樁號(hào)0+326.9）將原拋物線泄流面改為y=8x2/289，長(zhǎng)度仍為10m，采用 9m長(zhǎng)的1∶2底坡連接，反弧段R=10m，挑射角θ=25°，挑流鼻坎高程由516.089m降至 511.57m（見圖1）。出口消能部分均采用C20鋼筋混凝土現(xiàn)澆，厚1.5m。鼻坎末端做1.5m深齒墻，并通過(guò)現(xiàn)澆橫向鋼筋混凝土梁將原溢洪道末端挑坎Φ=1.0m的5個(gè)鋼筋混凝土柱連接，增強(qiáng)挑坎的抗滑穩(wěn)定性。同時(shí)在整個(gè)出口段增加Φ=25mm的錨桿，長(zhǎng)2.8m，間距2.5m，呈梅花形布置。

由于下游河道較窄，加之挑流鼻坎左、右邊坡風(fēng)化基巖、砂卵石層以及粘土層均外露，長(zhǎng)期遭受風(fēng)化剝蝕，為避免挑流水舌對(duì)出口兩岸山坡的沖刷，增大單寬流量，減緩沖坑坡比，設(shè)計(jì)將挑流出口由40m縮窄至30m。

通過(guò)對(duì)不同頻率泄量進(jìn)行出口消能水力計(jì)算（見表2），沖坑后坡比均滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)用能量方程和平底水躍公式及實(shí)用堰流公式，聯(lián)立求解，得臨界起挑流量Q=95.5m3/s，應(yīng)用挑流計(jì)算公式求得此流量下的挑射距離為23.84m。短護(hù)坦防護(hù)范圍首先要使貼流沖刷得到有效的防護(hù)，其次不使挑射水流直接沖擊護(hù)坦。根據(jù)計(jì)算結(jié)果接原護(hù)坦末端新建15m長(zhǎng)鋼筋混凝土護(hù)坦，護(hù)坦范圍內(nèi)兩岸山體采用漿砌石擋土墻砌護(hù)，對(duì)于出口巖石滑坡體根據(jù)地形適當(dāng)削坡后采用掛鋼筋網(wǎng)混凝土噴護(hù)。

挑流鼻坎側(cè)墻墻趾以及鼻坎中心處設(shè)置與原泄槽底板排水系統(tǒng)銜接的縱向排水溝，坡比隨挑流鼻坎坡度設(shè)置；樁號(hào)溢 0+332.9、溢0+342.9和溢 0+352.9設(shè)置坡比為2%的橫向排水溝與縱向排水溝相連。排水溝均為矩形斷面，尺寸0.4m×0.3m（寬×高），溝內(nèi)充填耐風(fēng)化碎石。

5 小結(jié)

通過(guò)分析黨河水庫(kù)正常溢洪道出口段病險(xiǎn)原因，經(jīng)過(guò)分析比較采用降低挑流鼻坎高程，增大挑距的消能方式，同時(shí)計(jì)算下泄臨界起挑流量（95.5m3/s）時(shí)的挑距，并結(jié)合出口實(shí)際地形情況，新建15m混凝土結(jié)構(gòu)護(hù)坦，保護(hù)鼻坎根部基礎(chǔ)。

該設(shè)計(jì)方案建設(shè)周期短，建成后即可投入使用。通過(guò)2010年汛期的實(shí)際運(yùn)行消能效果理想，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。出口段的除險(xiǎn)加固使得黨河水庫(kù)在灌溉和防洪功能得以充分發(fā)揮，為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)力的發(fā)展提供了有力支撐。陜西水利