海龍川水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

周 媛，楊 芬，楊曉雪

(1. 海城市水利水電工程移民局，遼寧 海城114200;2. 興城市曹莊鎮(zhèn)水利站，遼寧 興城125107;3. 錦州市水土保持站，遼寧 錦州121015)

1 工程概況

海龍川水庫(kù)位于海城市南部，距市內(nèi)40 km。壩址位于岔溝鎮(zhèn)海龍川村，該水庫(kù)屬于海城河支流，壩址以上河道長(zhǎng)2.33 km，河道平均坡度為124‰，多年平均徑流量69.6 萬m3。水庫(kù)集雨面積2.94 km2，屬于山區(qū)小型水庫(kù)。

該地區(qū)屬于秋春兩季多季風(fēng)、北風(fēng)，夏秋兩季多南風(fēng)，年平均風(fēng)速3.6 m/s。年平均降水量為600 ～700 mm，大部分集中在7—9月，占年平均降水量的61.5%。根據(jù)海城站提供多年平均蒸發(fā)量為1 767 mm，由于春風(fēng)影響，5—6月蒸發(fā)量為589.5 mm，占全年蒸發(fā)量的33.97%，最大蒸發(fā)量約為7 ～10 mm/d。

海龍川水庫(kù)主要由攔河大壩、輸水洞、開敞式溢洪道組成。水庫(kù)原設(shè)計(jì)總庫(kù)容20.6 萬m3，防洪庫(kù)容為10.2 萬m3，興利庫(kù)容9.9 萬m3，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》( SL252—2000)［1］規(guī)定，水庫(kù)工程規(guī)模屬于小(2) 型水庫(kù)，所以海龍川水庫(kù)原工程規(guī)模為: 工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5 級(jí)。

2 除險(xiǎn)加固的必要性和緊迫性

2.1 水庫(kù)除險(xiǎn)加固的必要性

該水庫(kù)工程始建于1958年，屬于“三邊”、“三無工程”，施工質(zhì)量差，雖然經(jīng)過幾次加固改造，但經(jīng)過多年運(yùn)行，加上冬季氣溫較低，經(jīng)過反復(fù)凍融破壞，風(fēng)化巖堆積加劇。經(jīng)過對(duì)大壩現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)存在以下4個(gè)問題:

1) 上游護(hù)坡石大范圍出現(xiàn)坍陷，局部塊石滑動(dòng)和丟失，水庫(kù)左側(cè)壩肩上壩公路低于壩頂高程1.5 m。

2) 溢洪道右側(cè)山體局部脫坡，底板年久失修。

3) 輸水洞閘閥銹蝕，啟閉困難。

4) 輸水洞下游輸水渠道兩側(cè)擋墻局部坍塌。

2.2 安全鑒定結(jié)論

根據(jù)水庫(kù)大壩安全鑒定評(píng)價(jià)結(jié)論，海龍川水庫(kù)屬三類壩，為病險(xiǎn)水庫(kù)，不能滿足水庫(kù)工程安全運(yùn)行。依據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL274—2001)［2］及水利部和省水利廳關(guān)于病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固實(shí)施方案等規(guī)定，鑒于海龍川水庫(kù)存在諸多嚴(yán)重的問題，并且經(jīng)鑒定為病險(xiǎn)水庫(kù)，必須進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。

2.3 除險(xiǎn)加固的緊迫性

海龍川水庫(kù)主要是以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容20.6 m3。水庫(kù)調(diào)度原則是在確保水庫(kù)主體工程安全的前提下，確保水庫(kù)下游海龍川村、岔溝鎮(zhèn)人口2.6 萬人，耕地900 hm2的防洪安全。從水庫(kù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度考慮，除險(xiǎn)加固是必要的。

除險(xiǎn)加固是確保水庫(kù)安全運(yùn)行的需要。水庫(kù)興建至今，雖未發(fā)生重大事故，但主要建筑物大壩、輸水洞、溢洪道等目前存在較多較嚴(yán)重的安全隱患，且水庫(kù)在安全運(yùn)行和管理方面亦存在不少問題，已危及到水庫(kù)的安全運(yùn)行。

海龍川水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程是一項(xiàng)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大事，除險(xiǎn)加固后，將徹底消除險(xiǎn)情并有明顯的經(jīng)濟(jì)合理性，因此除險(xiǎn)加固非常必要和十分緊迫。

3 水庫(kù)任務(wù)

海龍川水庫(kù)是以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的小( 2) 型水利樞紐工程?？刂屏饔蛎娣e2.94 km2，水庫(kù)總庫(kù)容20.6 ×104m3。自1958年以來，水庫(kù)發(fā)揮了攔洪削峰的作用，同時(shí)還灌溉了33 hm2耕地和發(fā)展了養(yǎng)魚等副業(yè)。水庫(kù)的防洪任務(wù)很重，社會(huì)效益顯著。

農(nóng)業(yè)供水嚴(yán)格按年初提出的用水計(jì)劃執(zhí)行。水庫(kù)每年的供水量隨蓄水、來水、需水的變化而不同。控制灌溉面積30 hm2，供水保證率75%。9月20日以后—次年6月10日為非汛期，其中5月末—10月上旬為灌溉期，在灌溉期間由水庫(kù)輸水洞放水灌溉13 hm2水田，水位超過防洪限制水位時(shí)洪水將自動(dòng)泄流。

4 規(guī)模復(fù)核

4.1 原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)模

海龍川水庫(kù)原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)300 a一遇。水庫(kù)總庫(kù)容20.6 萬m3，防洪庫(kù)容為10.2 萬m3，興利庫(kù)容9.9 萬m3，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》( SL252—2000) 規(guī)定，水庫(kù)工程規(guī)模屬于小(2) 型水庫(kù)。

4.2 水庫(kù)規(guī)模復(fù)核

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》( SL252—2000) 中有關(guān)規(guī)定，海龍川水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。復(fù)核后的洪水標(biāo)準(zhǔn)值為設(shè)計(jì)洪峰流量77 m3/s，校核洪峰流量137 m3/s。水庫(kù)總庫(kù)容為17.70 萬m3，其庫(kù)容量＜100 萬m3，因此海龍川水庫(kù)屬小(2) 型水庫(kù)，主要建筑物為5 級(jí)。

5 死水位復(fù)核

中小型水庫(kù)淤積年限一般為15 ～30 a，本次設(shè)計(jì)根據(jù)小(2) 型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)報(bào)告編制規(guī)程和初步設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見，水庫(kù)淤沙年限可采用10 ～20 a，固本次設(shè)計(jì)采用淤沙年限為20 a。

式中:V 為淤積庫(kù)容，m3; T 為淤積年限，a; G 為多年平均懸移質(zhì)輸沙量，t/a 或G = FS0;S0為多年平均侵蝕模數(shù)，t·km2/a;F 為壩址集水面積，km; γ 為泥沙的容重，約為1.0 ～1.4 t/m3，一般用1.3 t/m3; E 為為推移質(zhì)和岸崩二者占懸移質(zhì)泥沙的百分?jǐn)?shù)，一般用15% ～30%，本次設(shè)計(jì)采用20%。

即: V = GT/γ × (1 + E) =1.09 萬m3

經(jīng)過計(jì)算可得海龍川水庫(kù)死庫(kù)容為1.09 萬m3，而海龍川水庫(kù)原有設(shè)計(jì)死庫(kù)容0.5 萬m3。水庫(kù)自1958年12月竣工后已運(yùn)行近53 a，其累積淤積量為37 679 t，折合成總淤積庫(kù)容為2.89 萬m3。如上述淤積庫(kù)容全部產(chǎn)生在死庫(kù)容內(nèi)，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，海龍川水庫(kù)死庫(kù)容已全部淤滿。根據(jù)實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)地形圖水庫(kù)已經(jīng)淤至近259 m高程。因此，本次加固設(shè)計(jì)水庫(kù)死水位，經(jīng)復(fù)核后選用260.00 m，死庫(kù)容選用1.09 萬m3。

6 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

6.1 基本資料

依據(jù)2006年水庫(kù)安全鑒定階段實(shí)測(cè)的1/2 000庫(kù)區(qū)地形圖及1/10 000地形圖分別復(fù)核水庫(kù)水位與庫(kù)容關(guān)系曲線，復(fù)核結(jié)果與2006年安全鑒定一致，故仍采用安全鑒定成果，水位庫(kù)容關(guān)系曲線見1 表與圖1。

表1 海龍川水庫(kù)水位～庫(kù)容關(guān)系曲線表

圖1 海龍川水庫(kù)水位庫(kù)容關(guān)系曲線

6.2 水庫(kù)調(diào)度原則

水庫(kù)采用自由泄洪方式，不考慮洪水預(yù)報(bào)和預(yù)騰防洪庫(kù)容，正常蓄水位即為防洪限制水位，當(dāng)水位超過正常蓄水位264.5 m時(shí)自由泄流。輸水洞不參加洪水的調(diào)節(jié)。海龍川水庫(kù)溢洪道水位～泄量關(guān)系曲線見表2 與圖2。

表2 海龍川水庫(kù)溢洪道水位～泄流量關(guān)系曲線

圖2 海龍川水庫(kù)水位～流量關(guān)系曲線

6.3 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果

6.3.1 主峰洪水過程線形狀系數(shù)rp的計(jì)算

沿用上表中的Qp和W24p，根據(jù)水文分區(qū)Ⅲ4區(qū)，采用東部( ⅡⅢⅣ區(qū)) 計(jì)算式計(jì)算，其結(jié)果為:

式中: rp=0.03 ＜0.05，可不計(jì)算過程線，只計(jì)算出不同頻率下參與調(diào)洪的洪水總量W調(diào)p( 萬m3) 。

Wp= 0.67W24p+0.12Qpι，各頻率的Wp值為:6

.3.2 調(diào)洪計(jì)算

此次設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)易調(diào)洪方法調(diào)洪，即用簡(jiǎn)化公式:

式中: qM為某一頻率的最大泄量，m3/s; Qp 為某一設(shè)計(jì)頻率洪峰流量，m3/s; V防為溢洪道底以上防洪庫(kù)容，萬m3; W調(diào)p為某一設(shè)計(jì)頻率參與調(diào)洪的洪量，萬m3。

溢洪道下泄流量計(jì)算公式為:

式中: q 為下泄流量，m3/s; B 為溢洪道底寬，m; H 為溢洪水深，m; M 為流量系數(shù)，m 取0.385。調(diào)洪計(jì)算成果見表3。

表3 海龍川水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果

按本次洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果，20 a一遇設(shè)計(jì)洪水位266.03 m，相 應(yīng) 庫(kù) 容14.16 × 104m3，最 大 泄 量64.28 m3/s;200 a一遇設(shè)計(jì)洪水位266.79 m，相應(yīng)庫(kù)容16.93 ×104m3，最大泄量118.52 m3/s。

7 結(jié) 論

通過對(duì)海龍川水庫(kù)這座小2 型病險(xiǎn)水庫(kù)的死水位的復(fù)核和對(duì)除險(xiǎn)加固后洪水成果的計(jì)算分析，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固是確保水庫(kù)安全運(yùn)行和社會(huì)發(fā)展的需要。

［1］長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL252—2000 水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)［S］. 北京: 中國(guó)水利水電出版社，2002.

［2］黃河水利委員會(huì)勘測(cè)研究設(shè)計(jì)院.SL274—2001 碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.