商洛市洛南縣東湖水庫溢洪道設(shè)計(jì)及分析

朱少文

(西安景天水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，陜西 西安 710014)

1 引言

溢洪道是東湖水庫的重要組成部分，由進(jìn)口段、連接段、控制段、泄槽段、消能段和尾水渠段組成。東湖水庫建設(shè)于1958年，工程竣工后交付永豐鎮(zhèn)東湖村委會管理，有3名管理人員。工程運(yùn)行60多年來，對緩解灌區(qū)用水矛盾，增加抗御自然災(zāi)害能力，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)增產(chǎn)和保證社會穩(wěn)定發(fā)揮了重大作用。但由于水庫工程質(zhì)量較差，建成蓄水以來，樞紐工程問題較多，水庫效益難以發(fā)揮，直接影響灌區(qū)農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入。

2 工程概況

東湖水庫始是一座以灌溉為主，并兼有防洪功能的小(2)型水利樞紐工程。東湖水庫壩址以上控制流域面積2.5 km2，主溝長約2.5 km，河床平均比降16.9‰。東湖水庫原設(shè)計(jì)水庫總庫容45萬m3，正常蓄水位214.60 m，設(shè)計(jì)洪水位215.00 m，校核洪水位215.90 m，興利庫容39萬m3；東湖水庫除險(xiǎn)加固后水庫總庫容47.62萬m3，正常蓄水位1095.50 m，設(shè)計(jì)洪水位1096.90 m，校核洪水位1097.70 m，興利庫容27.05萬m3。

東湖水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設(shè)施等組成。

大壩為黏土心墻壩。現(xiàn)狀壩頂高程1098.40 m，最大壩高16.20 m，壩頂長105 m，寬5 m，大壩迎水坡比1∶2.77，干砌石砌護(hù)，上部2 m高度無干砌石砌護(hù)，背水坡坡比1∶2.5，下游壩坡堆積雜物頂寬9 m，堆積坡比1∶1.6，坡面無排水設(shè)施和無排水體。

原設(shè)計(jì)溢洪道位于大壩右岸，為梯形開敞式溢洪道，溢洪道采用寬頂堰型式，堰長20 m，堰寬2.7 m，溢洪水深1.0 m，溢洪量為30 m3/s，溢洪道開挖在粘土上，比降為1/20，溢洪道進(jìn)口被回填變成道路，下游無消能防沖設(shè)施。

3 水文

3.1 流域概況

東湖水庫于1958年12月竣工，是一座以灌溉為主，并兼有防洪功能的小(2)型水庫。水庫位于洛南縣永豐鎮(zhèn)東湖村。東湖水庫壩址以上控制流域面積2.5 km2，主溝長約2.5 km，河床平均比降16.9‰。

3.2 氣象

水庫所處位置屬于暖溫帶南緣季風(fēng)性濕潤氣候。由于群山連綿，起伏懸殊，具有明顯山區(qū)氣候特征。季風(fēng)影響明顯。冬季氣候寒冷，雨雪稀少，為一年中干燥季節(jié)；春季氣溫回升較快，降水逐漸增多，如果伴有大風(fēng)，土壤蒸發(fā)加劇，極易形成春旱，當(dāng)寒潮入侵時，往往出現(xiàn)凍害；夏季是一年中最高氣溫季節(jié)，也是降水量最大的季節(jié)，雨量集中，多有雷陣雨、暴雨出現(xiàn)，有時伴有冰雹，有時還出現(xiàn)局部伏旱和夏旱；秋季氣溫速降，初期多有連陰雨，常常形成澇災(zāi)，末期偏少，天氣晴朗，秋高氣爽?？偟臍夂蛱攸c(diǎn)是：四季分明，氣候溫和，雨量充足，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒。

3.3 徑流

東湖水庫所在流域無實(shí)測徑流資料，東湖水庫壩址以上控制流域面積為2.5 km2。采用多年平均徑流深經(jīng)驗(yàn)公式法，根據(jù)《商洛地區(qū)實(shí)用水文手冊》(以下簡稱《水文手冊》)多年平均年徑流深等值線圖和Cv等值線圖查得東湖水庫以上流域中心的多年平均年徑流深為270 mm。變差系數(shù)Cv=0.6，取Cs=2Cv，采用P-Ⅲ型頻率分布曲線，求的多年平均徑流量為67.5萬m3。

3.4 洪水

東湖水庫流域內(nèi)無水文站和雨量站，屬無資料地區(qū)。同時，水庫無觀測資料，無法利用水庫觀測資料反推入庫流量。因此借用《水文手冊》進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水推求。本次洪峰流量采用匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法和暴雨資料推求法計(jì)算分析，最終選擇暴雨資料推求法計(jì)算結(jié)果作為本次設(shè)計(jì)洪峰流量依據(jù)，即200 a一遇洪峰流量為54.4 m3/s，20 a一遇洪峰流量為27.5 m3/s。

3.5 泥沙

經(jīng)實(shí)測，目前東湖水庫淤積高程為1087.10 m，工程運(yùn)行60多年，水庫總淤積量1.1萬m3，多年平均淤積0.02萬m3。

4 溢洪道設(shè)計(jì)

4.1 溢洪道布置

1)溢洪道軸線選擇

根據(jù)現(xiàn)狀地形地質(zhì)條件，大壩左岸為光伏產(chǎn)業(yè)園，不具備布設(shè)溢洪道條件，右岸壩肩為山體，周圍無重要建筑物及設(shè)施，僅有一條上壩道路，該處修建溢洪道，需修建跨溢洪道橋，建成后，庫水可敞泄至下游。

綜上考慮，將溢洪道布置于大壩右岸，新建溢洪道由進(jìn)口段、連接段、控制段、泄槽段、消能段和尾水渠段組成，全長140.0 m。

2)溢洪道進(jìn)口高程選擇

溢洪道進(jìn)口高程選擇愈低愈有利于泄洪，但進(jìn)口過低，則因開挖量大而增加投資，且會導(dǎo)致興利庫容減少，水庫效益難以發(fā)揮，直接影響灌區(qū)的正常灌溉。溢洪道進(jìn)口是倒坡，進(jìn)口高程取1095.50 m。

3)進(jìn)口段(K0+000～K0+014)

進(jìn)口段采用曲面導(dǎo)水墻形式，右側(cè)導(dǎo)墻長15 m，左側(cè)長13 m，底板傾向上游，坡比i=0.01，矩形斷面型式，寬度由6 m漸變至3 m，兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進(jìn)行澆筑，厚度為0.3 m，墻頂與校核洪水位協(xié)調(diào)一致，底板前后設(shè)置齒槽，厚度為0.3 m，進(jìn)口處齒槽深1.0 m，與連接段銜接處齒槽深0.5 m。為降低擋土墻后地下水位，減少靜水壓力，在擋墻上設(shè)置排水孔，排水管采用Φ50PVC管，布置一排，排水孔距離底板0.5 m。

4)連接段(K0+014～K0+019)

本次設(shè)計(jì)在進(jìn)水口彎道段與控制段之間設(shè)置連接段，以保證水流平順進(jìn)入控制段，連接段長5 m，矩形斷面型式，寬度為3 m，兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進(jìn)行澆筑，厚度為0.3 m，底板前后設(shè)置齒槽，齒槽深0.5 m，厚度為0.3 m。墻頂由校核洪水位漸變至與壩頂高程齊平。邊墻設(shè)Φ50PVC排水孔，布置方式與進(jìn)口段一致。

5)控制段(K0+019～K0+025)

新建溢洪道控制段采用開敞式無坎寬頂堰，堰厚6 m，寬3 m，堰頂高程是1095.50 m，墻頂高程是1098.40 m，壩頂高程為1098.40 m，墻頂高程和壩頂高程齊平。矩形斷面形式，寬度為3 m，兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進(jìn)行澆筑，厚度為0.3 m，底板前后設(shè)置齒槽，齒槽深0.5 m，厚度為0.3 m。邊墻設(shè)Φ50PVC排水孔，布置方式與進(jìn)口段一致。

6)泄槽段(K0+025～K0+125)

泄槽段坡比i=0.18，矩形斷面形式，寬度為3 m，兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進(jìn)行澆筑，厚度為0.3 m，翼墻高度隨水面線由高到低減變，每10 m設(shè)置一道伸縮縫，縫寬2 cm，采用聚乙烯泡沫板填充。翼墻設(shè)Φ50PVC排水孔，布置方式與進(jìn)口段一致。

7)消能段(K0+125～K0+135)

樁號K0+125～K0+135為消能段，其形式為底流消能，消力池為等寬矩形，采用C25鋼筋砼進(jìn)行澆筑，池寬3 m、池深1.0 m、池長10 m，翼墻高2.1 m，墻身設(shè)Φ50PVC排水孔，布置方式與進(jìn)口段一致；底板結(jié)構(gòu)為30 cm厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板設(shè)Φ50PVC排水孔，孔距2.0 m，呈梅花型布置，底部設(shè)30 cm厚砂礫石反濾層。

8)尾水渠段(K0+135～K0+140)

樁號(K0+135～K0+140)為尾水渠段，矩形斷面形式，寬度為3 m，兩側(cè)翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進(jìn)行澆筑，厚度為0.3 m，底板末端設(shè)置齒槽，齒槽深1.0 m，厚0.3 m。墻身設(shè)Φ50PVC排水孔，布置方式與進(jìn)口段一致。

4.2 溢洪道水力計(jì)算

1)控制段泄流能力計(jì)算

溢洪道堰型采用無坎寬頂堰，堰寬為3.0 m，堰厚為6.0 m，校核洪水位1097.70 m，設(shè)計(jì)洪水位1096.90 m，堰頂高程1095.50 m，根據(jù)工程實(shí)際情況，堰泄流公式采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中A.2.3式：

式中：m為流量系數(shù)，與相對上游堰高P1/H及堰頭形式有關(guān)，本工程為無坎寬頂堰，其值查《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中表A.2.3-1取0.385；ε為側(cè)收縮系數(shù)，采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中A.2.3-2式計(jì)算；B為堰寬，b=3.0 m；H0為堰前計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，取H0=H，H為堰頂凈水頭。

設(shè)計(jì)水位及校核水位時泄洪能力，見表1。

表1 溢洪道泄洪能力計(jì)算表

根據(jù)水庫調(diào)洪演算要求：設(shè)計(jì)泄量Q=8.6 m3/s，校核泄量Q=16.8 m3/s。

2)泄槽段水力計(jì)算

泄槽段長100 m，坡比i=0.18，按設(shè)計(jì)流量及校核流量兩種工況進(jìn)行計(jì)算，即設(shè)計(jì)下泄流量Q=8.6 m3/s，校核下泄流量Q=16.8 m3/s，糙率取n=0.017。采用分段求和法逐段推算水力要素，確定泄槽斷面。

摻氣水深采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，公式hb=(1+ζv/100)h，hb為計(jì)入波動及摻氣的水深(m)，h為不計(jì)入波動及摻氣的水深(m)，v為不計(jì)入波動及摻氣的計(jì)算斷面上的平均流速(m/s)，ζ為修正系數(shù)，一般取ζ=1.0 s/m～1.4 s/m。按設(shè)計(jì)流量及校核流量兩種工況計(jì)算。

設(shè)計(jì)墻高采用校核工況時的設(shè)計(jì)成果，兩側(cè)砌護(hù)高度為摻氣后水深0.5 m安全超高。

3)出口底流消能

出口消能段采用底流消能，為下挖式消力池。消力池的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為P=5%洪水標(biāo)準(zhǔn)，即以設(shè)計(jì)工況時對應(yīng)的洪水為消力池的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)工況下下游水位為0.56 m，下游河床高程為1078.40 m。

消力池的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算按等寬矩形斷面下挖式消能計(jì)算公式進(jìn)行?！兑绾榈涝O(shè)計(jì)規(guī)范》中(A.5.3-1、A.5.3-2、A.5.3-3)公式：

d=σh2-ht-Δz

Lk=0.8L

式中：d為消力池深，m；σ為水躍淹沒度，可取σ=1.05；h2為池中發(fā)生臨界水深時的躍后水深，m；Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)；h1為收縮斷面水深，m；v1為收縮斷面流速，m/s；ht為消力池出口下游水深，m；Δz為消力池尾部出口水面跌落，m；Q為流量，m3/s；b為消力池寬度，m；Δz為消力池出口段流速系數(shù)，可取0.95；L為自由水躍的長度，L=6.9(h2-h1)，其中，h1為收縮斷面水深。

消力池計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 消力池計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果結(jié)合高程實(shí)際情況，消力池長度取10.0 m，尾坎寬0.3 m，消力池深度按結(jié)構(gòu)及地形取為1.0 m。

5 結(jié)語

東湖水庫除險(xiǎn)加固工程的實(shí)施，對保障水庫安全運(yùn)行及下游防洪安全，提高農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率，增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)收入，穩(wěn)定農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，改善生態(tài)和投資環(huán)境，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長等方面具有積極意義。建議工程盡早實(shí)施，讓項(xiàng)目區(qū)群眾早日受益，為當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。