勉縣大溝水庫(kù)溢洪道消能方式選擇

孔祥東

(陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710065)

大溝水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼有防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用功能的小(2)型水庫(kù);水庫(kù)壩頂高程586.59 m，壩高20.0 m，水庫(kù)正常蓄水位 584.00 m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容 59.29 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容25.61萬(wàn) m3。水庫(kù)樞紐由大壩、溢洪道、放水建筑物等組成。工程防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇洪水設(shè)計(jì)，200 a一遇洪水校核。

1 水文洪水

大溝水庫(kù)位于漢江一級(jí)支流大溝上，壩址以上控制流域面積 3.22 km2，主河道長(zhǎng) 5.11 km，平均比降 45.5‰。大溝水庫(kù)流域洪水由暴雨形成的，較大洪水一般發(fā)生在7－9月，其特點(diǎn)是峰高、量小，歷時(shí)短，峰形尖瘦。

表1 大溝水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果對(duì)比表m3/s

從表中可以看出，安鑒成果比推薦成果偏小。安鑒成果采用的水庫(kù)流域面積為2.00 km2，推薦成果采用陜西省測(cè)繪局2000年航測(cè)1萬(wàn)地形圖量得壩址以上流域面積為3.22 km2，安鑒和推薦成果均采用推理公式法計(jì)算成果，采用暴雨量參數(shù)基本一致，但由于控制流域面積的差異洪水成果相差較大。

2 溢洪道工程概況

溢洪道位于大壩右岸，為開(kāi)敞式溢流堰，堰寬15.0 m，堰頂高程584 m，溢洪道總長(zhǎng)度約90 m，堰后泄槽(寬約3 m)、陡坡、消力池段為漿砌石砌筑，消力池接出水渠。因洪水計(jì)算結(jié)果相差較大。原溢洪道需加大泄洪能力(增加堰頂寬度和泄槽寬度)。

圖1 大溝水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)圖

表2 大溝水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)計(jì)算成果表 m3/s

3 溢洪道地形地貌及工程地質(zhì)

大溝水庫(kù)工程區(qū)位于漢中盆地西北邊緣地帶，為漢江的三級(jí)階地，屬低山丘陵區(qū)，階地地處秦嶺南麓下緣，沖溝較發(fā)育，沖溝多以南北向發(fā)育，將階地切蝕成“梁峁”狀。大溝水庫(kù)溢洪道位于大壩右岸，為開(kāi)挖天然埡口形成，右岸為山崖，邊坡偏陡偏高，表層巖體風(fēng)化和上覆粘土，裂隙構(gòu)造及片理較發(fā)育;左岸為巖質(zhì)邊坡，高出溢洪道邊墻頂0.5 m以上，溢洪道陡坡下有一橫向沖溝，原消力池設(shè)于沖溝底。

基巖為下元古界(Pt1)變質(zhì)巖，溢洪道側(cè)墻上部基巖為強(qiáng)～全風(fēng)化，具體為，

(1)含礫粘土地基的承載力為fk=150 KPa，粘聚力C=16.2 KPa，內(nèi)摩擦角 φ =10.1°。開(kāi)挖邊坡建議為:1:1.0 ～1:1.25 。

(2)基巖地基承載力為700 Kpa，基巖與砌體力學(xué)參數(shù)分別為 f＇=0.8，c＇=0.7，沖刷系數(shù)為 K=1.2，開(kāi)挖坡比建議為1:0.5～1:0.75，巖石開(kāi)挖級(jí)別為Ⅸ ～Ⅹ級(jí)。

4 溢洪道消能方案介紹

根據(jù)現(xiàn)狀溢洪道布置和溢洪道周邊地形地質(zhì)條件，有兩種消能方式可供選擇，分別簡(jiǎn)述如下:

方案一，底流消能，溢洪道在樁號(hào)Y0+054.8處右轉(zhuǎn)30度角后，在樁號(hào)Y0+074.6處進(jìn)入陡坡段，坡比i=0.5，在樁號(hào) Y0+096.1處進(jìn)入水力池，池寬6 m、池深0.5 m，池長(zhǎng)9.5 m，池底板采用30 cm厚C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)。通過(guò)底流消能方案進(jìn)行消能。

方案二，挑流消能，溢洪道在樁號(hào) Y0+054.8處右轉(zhuǎn)8度角后，在樁號(hào)Y0+058處進(jìn)入過(guò)渡段，在樁號(hào)Y0+063處設(shè)挑流坎，挑流坎的挑射角為20度，下游水墊塘水深1.5 m。

溢洪道的平面布置比選圖，見(jiàn)附圖。

現(xiàn)分別說(shuō)明兩個(gè)方案:

1)平面布置。方案一采用原溢洪道軸線(xiàn)，可充分利用原工程設(shè)施，但原溢洪道軸線(xiàn)彎曲轉(zhuǎn)折，水流條件差，不利于洪水下泄。

30多年來(lái)，馮新云夫妻倆一直精心照料著母親，她從未覺(jué)得自己苦自己累，也從未想過(guò)放棄和逃避，為了照顧好母親，多年來(lái)她沒(méi)從出過(guò)一次遠(yuǎn)門(mén)。馮新云說(shuō)：“母親生我養(yǎng)我不容易，我心甘情愿照顧老人家，吃苦受累算不上什么，只盼望著老人能開(kāi)心地生活?！彼闷狡椒卜驳氖?、點(diǎn)點(diǎn)滴滴的情，贏得了周?chē)罕姷馁澝馈！?/p>

方案二可充分利用地形跌坎，挑流消能，可省去陡坡段工程和消力池工程，但挑流消能受安全挑距、下游河床抗沖性等影響。

2)水力條件。

方案一消力池水力計(jì)算。

溢洪道消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇洪水設(shè)計(jì)，30 a一遇洪水校核。水躍計(jì)算依據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算公式進(jìn)行。

式中:Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)，x;h1為收縮斷面水深，xm;V1為收縮斷面流速，xm/s;h2為躍后水深，xm;d為消力池池深，m;σ為水躍淹沒(méi)度，取x;ht為消力池出口下游水深，xm;ΔZ為消力池尾部出口水面跌落，xm;Q為設(shè)計(jì)流量，xm3/s;

由以上計(jì)算得消力池池長(zhǎng) Lk=9.74 m，d=0.23 m，設(shè)計(jì)

由以上計(jì)算得，設(shè)計(jì)和校核兩種洪水下的挑距分別為14.65 m和16.57 m。當(dāng)泄洪流量≤12 m3/m時(shí)挑距為10.28 m

(2)沖刷坑最大水墊深度依據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄A.4.1－2計(jì)算公式進(jìn)行。

式中:T為自下游水面至坑底最大水墊深度，m;q為鼻坎未端斷面意單寬流量，m3/(s·m);z為上、下游水位差，20 m;k為綜合沖刷系數(shù)，取1.1(已砌護(hù))。

由以上計(jì)算得，最大沖坑深6.0 m。

(3)地質(zhì)條件

方案一由于選用原溢洪道軸線(xiàn)，工程坐落在基巖上，利于工程安全。

方案二由于設(shè)計(jì)和校核兩種洪水下的挑距均可進(jìn)入已砌護(hù)水塘內(nèi)，耐沖刷。

(4)工程造價(jià)，方案二可省去陡坡段工程和消力池工程，比方案一節(jié)約工程造價(jià)23%以上。消力池池長(zhǎng)取9.5 m，池深取0.5 m。

下游沖溝雖有空間布置消力池，但消力池為橫向水流，削弱了消能效果，入池水流會(huì)對(duì)消力池造成不均衡沖刷。

方案二挑流消能水力計(jì)算。

(1)挑流水舌挑距依據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄A.4.1－1計(jì)算公式進(jìn)行。

5 溢洪道消能方案選擇

雖然方案二在軸線(xiàn)順直、水力條件好，能將設(shè)計(jì)和校核兩種洪水安全送出，且具有良好的經(jīng)濟(jì)性(節(jié)約工程造價(jià)23%以上)，但其在泄洪流量≤12 m3/s時(shí)挑距僅為10.28 m，不能將洪水挑進(jìn)沖溝水塘內(nèi)，如果遇到小流量洪水，水流能量小挑距更小，還有產(chǎn)生貼壁流的現(xiàn)象，對(duì)溢洪道安全和大壩安全產(chǎn)生威脅;而方案一雖然軸線(xiàn)多彎曲，水力條件差，消能不充分，但工程沿原溢洪道軸線(xiàn)布設(shè)，使洪水遠(yuǎn)離大壩，地基條件也安全可靠。綜合分析，大溝水庫(kù)溢洪道消能方案選擇底流消能方案。

大溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固完成后，經(jīng)過(guò)3年4個(gè)汛期的運(yùn)用，2013年曾安全下泄過(guò)約11 m3/s的洪水，運(yùn)行正常。