平原圍封水庫的進(jìn)、出水設(shè)計(jì)

高勝利

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程簡(jiǎn)介

平原地區(qū)年徑流量特點(diǎn)是季節(jié)上分配不均、地表徑流損失嚴(yán)重，為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)內(nèi)徑流的合理優(yōu)化，達(dá)到豐蓄枯用，修建平原蓄水水庫是平原地區(qū)蓄水保水的一種切實(shí)有效的方法。

耿莊水庫是位于山西省萬家寨引黃入晉工程北干線向朔州市供水線路末端的調(diào)節(jié)水庫，主要任務(wù)是向朔城區(qū)供水和事故調(diào)節(jié)。引黃工程北干線將黃河水送入耿莊水庫，來水穿過庫區(qū)送入朔州水廠，供朔城區(qū)工農(nóng)業(yè)及人畜用水。同時(shí)如果引黃北干線供水干管出現(xiàn)問題需要檢修，耿莊水庫也可以收納一部分管道棄水。由于引黃水含沙量較大，干線來水進(jìn)入耿莊水庫以后，在水庫的進(jìn)出水口之間低速流動(dòng)時(shí)，進(jìn)行了水質(zhì)交換。進(jìn)水口處來水在運(yùn)行至出水口的過程中大部分泥沙沉淀于庫底，出水口處經(jīng)過澄清的水再送入朔州水廠，緩解了朔州水廠水處理的部分壓力。

2 設(shè)計(jì)概要

一般來說，平原圍封水庫宜修建在庫址區(qū)平坦的地形上，容易做到挖填平衡，降低庫盆周圍最大壩高。由于地形條件的限制，耿莊水庫選擇修建在坡地上。庫址區(qū)地形北高南低，高差10余m，縱坡達(dá)1.4%。在這樣的地形上修建平原水庫難度較大，考慮的因素也比較多，設(shè)計(jì)時(shí)主要指導(dǎo)原則有兩個(gè)：一是盡量做到挖填平衡，不買土少棄土；二是最大壩高不宜太高，減小失事風(fēng)險(xiǎn)?；谝陨峡紤]，同時(shí)為不間斷向朔城區(qū)供水，耿莊水庫最終按雙庫設(shè)計(jì)，庫盆為臺(tái)階區(qū)域式，即庫底并非傳統(tǒng)的在同一個(gè)高程上，而是沿水流方向設(shè)置了2～3個(gè)臺(tái)階區(qū)域（Ⅰ庫2個(gè)臺(tái)階，Ⅱ庫3個(gè)臺(tái)階），每個(gè)臺(tái)階區(qū)域擁有一定的積水面積。

這樣多平臺(tái)庫底設(shè)計(jì)最大的好處是因勢(shì)制宜，較小挖方，減少棄土。美中不足在于庫區(qū)南端壩高相對(duì)較大，且全部處于填方段。

兩庫庫容均為118萬m3，總庫容236萬m3，最大壩高10m，為?、裥退畮欤饕夹g(shù)節(jié)點(diǎn)有進(jìn)、出水系統(tǒng)、庫盆防滲系統(tǒng)、壩基地基處理以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。耿莊水庫的平面布置見圖1。

3 進(jìn)、出水設(shè)計(jì)

圖1 耿莊水庫平面布置簡(jiǎn)圖

與攔河水庫相比，平原圍封水庫受天然地貌約束較小，設(shè)計(jì)者可以充分發(fā)揮聰明才智，在合理正確的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的自由度更大一些。在確定了水庫規(guī)模和位置的前提下，水庫的進(jìn)出水口布置顯得尤為重要。攔河水庫一般不設(shè)進(jìn)水口和出水口。攔河水庫的進(jìn)水依靠天然河道匯集徑流，來水超過設(shè)計(jì)庫容時(shí)靠泄水閘門或溢流堰泄洪，不專門設(shè)置出水口。

平原圍封水庫不然，由于其功能和結(jié)構(gòu)的特殊性需要專門設(shè)置進(jìn)水口與上游來水銜接，專門設(shè)置出水口與下游用水戶銜接。進(jìn)水形式的選擇非常重要，一般來說進(jìn)水口置于水庫正常蓄水位以上，通過自流方式取水較為有利。同時(shí)，來水自流入庫會(huì)對(duì)庫區(qū)產(chǎn)生沖刷，需要進(jìn)行消能設(shè)計(jì)消除富裕水頭。出水口是連接水庫與下游用水戶的特殊建筑物，設(shè)置在壩下。由于壩下取水導(dǎo)致的水庫滲漏事件極為常見，因此出水形式的選擇也極其重要。

耿莊水庫形狀鳥瞰為橢圓形，水庫進(jìn)水口位于庫區(qū)正北端第一臺(tái)階區(qū)域上游，出水口位于庫區(qū)南端末級(jí)臺(tái)階區(qū)域底部。

耿莊水庫進(jìn)水口是北干線朔州支線與水庫的連接建筑物，位于大壩北部，入庫設(shè)計(jì)流量1.6m3/s。進(jìn)水形式為引黃管線壓力流流經(jīng)耿莊水庫進(jìn)水調(diào)壓井，調(diào)壓井一級(jí)消能后通過進(jìn)水箱涵和進(jìn)水閘門流入庫區(qū)，水流入庫消能型式為挖深式底流消能，進(jìn)水口建筑物主要由調(diào)壓井、進(jìn)水箱涵、進(jìn)水閘室、消能工和出口護(hù)坦組成，Ⅰ庫為正向取水、Ⅱ庫為側(cè)向取水。

耿莊水庫出水口是為朔州市供水而設(shè)，位于水庫的南部、庫區(qū)地形較低的位置，出庫設(shè)計(jì)流量均為1.4m3/s，采用壩下廊道內(nèi)套管型式與朔州水廠供水管線相接。出水線路上布設(shè)有檢修閥、工作閥和流量計(jì)等，主要建筑物由進(jìn)口段、壩下廊道、出水線路連接段、控制閥井及與朔州水廠供水線路銜接段組成。

從進(jìn)出水流態(tài)考慮，進(jìn)水口和出水口軸線夾角應(yīng)不小于90°，否則不利于水質(zhì)交換，也容易形成死水區(qū)。由于引黃水含泥沙較大，水庫運(yùn)行一定時(shí)間以后必定出現(xiàn)淤積問題。耿莊水庫擬采用干法清淤。根據(jù)耿莊水庫的雙庫特點(diǎn)和北干線供水運(yùn)行方式，泥沙的處理在水庫運(yùn)行若干年后的9月末開啟泄水閥排空水庫，經(jīng)2個(gè)月晾干后采用挖掘機(jī)清淤，次年1月清淤工作完成后正常充庫。由于雙庫設(shè)置，兩庫交替清淤，可以保證朔城區(qū)供水不間斷。

4 模型試驗(yàn)

耿莊水庫來水從水庫穿行，進(jìn)、出水建筑物的布置必須滿足水庫水交換的要求，不允許出現(xiàn)死水區(qū)。為了驗(yàn)證工程進(jìn)、出水口的布置能否滿足水庫水交換的要求，對(duì)水庫不同水力工況進(jìn)、出水交換過程進(jìn)行了模型試驗(yàn)，為工程的布置提供依據(jù)。

水庫水源來自于黃河水，泥沙含量較大，泥沙沉積處理一直是引黃工程一大難題，耿莊水庫按雙庫設(shè)計(jì)，利用干法清淤，這是水利工程一大創(chuàng)新。為了積累經(jīng)驗(yàn)，管理便利，為設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)，進(jìn)行了模型試驗(yàn)，確定進(jìn)水挾裹的泥沙沉淀區(qū)域，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示在試驗(yàn)要求的各個(gè)工況，在正常水庫水位區(qū)間運(yùn)行時(shí)，水庫庫區(qū)不存在死水區(qū)。水庫進(jìn)口消力池采用底流式消能，有效消除水流余能。護(hù)坦區(qū)域能夠包含水流沖刷范圍，保護(hù)庫底不受水流沖刷。

水庫正常運(yùn)行后，進(jìn)水口區(qū)域首先出現(xiàn)泥沙沉積，然后以扇形形狀從進(jìn)水口沿水流方向向外擴(kuò)散。在最大流量1.6m3/s下，水庫滿庫運(yùn)行三年后，泥沙淤積主要集中在第一臺(tái)階（進(jìn)水口區(qū)），而且還未淤滿，出水口區(qū)域淤積很少，具體淤積范圍見圖2。

圖2 水庫滿庫運(yùn)行三年后泥沙淤積范圍示意圖

根據(jù)多個(gè)平原區(qū)圍封水庫調(diào)查統(tǒng)計(jì)，進(jìn)水流量穩(wěn)定、流速較小的水庫，泥沙沉積一般都集中在進(jìn)水口消能工外的沖積扇區(qū)域內(nèi)。由于流速較小，水流無法將淤積泥沙向下游搬運(yùn)。本試驗(yàn)也充分證明了這點(diǎn)。由于泥沙淤積主要集中在第一臺(tái)階（進(jìn)水口區(qū)），那么工程設(shè)計(jì)中在這一區(qū)預(yù)留了清淤車輛通道，而且在試驗(yàn)顯示的清淤區(qū)域庫底上加鋪一層砂礫料，以利于干法清淤。

5 結(jié)語

興建平原圍封蓄水水庫，對(duì)地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。本文從實(shí)際工程出發(fā)，對(duì)耿莊水庫的進(jìn)、出水設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了闡述，也從水力模型試驗(yàn)中印證了設(shè)計(jì)的合理性。本文研究成果有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以供類似工程參考。