小型水庫除險加固新增溢洪道設(shè)計優(yōu)化技術(shù)

葉文廣

(福建瑞鴻建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 漳州 363000)

小型水庫除險加固新增溢洪道設(shè)計優(yōu)化技術(shù)

葉文廣

(福建瑞鴻建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 漳州 363000)

小型水庫受到投資預(yù)算的限制，一般僅能滿足較低標準的洪水數(shù)據(jù)要求。隨著小型水庫使用周期的加長，勢必帶來泄洪能力不足的問題，嚴重時會影響大壩的安全運行。因此，對小型水庫進行溢洪道優(yōu)化設(shè)計，從而滿足其除險加固的要求有著重要的應(yīng)用意義。本文以國內(nèi)某地某小型病險水庫的溢洪道優(yōu)化設(shè)計工程為實例，分析了小型水庫溢洪道設(shè)計中的常見問題，并從洪水調(diào)節(jié)計算、溢流堰優(yōu)化、溢洪道優(yōu)化等角度對該項目的設(shè)計提出優(yōu)化方案。采用優(yōu)化技術(shù)后，可以大大提高水庫的泄洪能力，同時提高工程投資效益。

小型水庫；溢洪道；優(yōu)化；除險加固

溢洪道是水庫的重要部分，其設(shè)計的科學(xué)性、合理性直接決定了洪水期水庫的安全[1]。然而，在實際工程中，由于受到工程造價、投資預(yù)算等因素的影響，中小型水庫一般很難滿足較大洪水的泄洪要求。一般為了節(jié)省投資費用，都按照較小的洪水指標進行溢洪道設(shè)計。這就造成了在洪水嚴重時期，中小型水庫的安全性得不到保證。另外，隨著水庫使用時間的加長，受自然條件的影響往往會出現(xiàn)巖體塌落、結(jié)構(gòu)老化的問題，更加影響了小型水庫的泄洪能力[2-3]。

本文以國內(nèi)某地某小型水庫A的溢洪道優(yōu)化改造工程為實例，在充分分析項目特點的基礎(chǔ)上，從洪水調(diào)節(jié)計算、溢流堰優(yōu)化、溢洪道優(yōu)化等角度提出了溢洪道優(yōu)化改造設(shè)計方案。由于A水庫原本的設(shè)計中是不包含溢洪道的，因此，本次改造實際是為了除險加固目的而新增溢洪道的方案。

1 工程概況

A水庫位于國內(nèi)某縣兩個自然村的交界處，本區(qū)域內(nèi)原建有4個小型水庫，A水庫為其中之一。這4個水庫始建于1971年，1973年8月建成完工后正式投入使用。4個水庫的建立目的是為縣城北側(cè)干渠流量調(diào)節(jié)，同時兼顧防洪、事故泄水、居民養(yǎng)殖等。4個水庫的總控流面積能夠達到25 km2。目前，4個水庫還都具有一定的蓄洪、泄洪能力，都仍在使用中。

A水庫的總庫容為170×104m3，其中有效的庫容為85×104m3，滯洪庫容達到85×104m3，而約10×104m3的庫容目前為死庫。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2000)中的相關(guān)規(guī)定要求，A水庫屬于IV等小(1)型水庫，30～50 a一遇洪水設(shè)計，300～1000 a一遇洪水校核。然而，水庫建設(shè)時為了節(jié)省投資，在考慮周圍自然條件和評估受影響區(qū)域人民群眾生命及財產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上，采取了最低標準建設(shè)，即能夠滿足30 a一遇洪水設(shè)計，300 a一遇洪水校核。

然而，A水庫于20世紀70年代建成，由于當時的技術(shù)條件有限、測量儀器和設(shè)備的準確度較低，因此測得的數(shù)據(jù)并不十分準確。另外，經(jīng)過三十多年的使用，目前工程周邊的地質(zhì)情況已經(jīng)發(fā)生了改變，土石塌方現(xiàn)象也很常見。A水庫建成時并未設(shè)計專門的溢洪道，而是簡單搭建了幾根排水管以滿足泄洪要求。另外，A水庫周邊的一些企業(yè)和個人未經(jīng)主管部門允許，在水庫周邊開展了加高工程或利用水庫提供其他服務(wù)等。由于日常的維護費用有限，沒有專人負責(zé)24 h的看守水庫，因此，水庫內(nèi)雜草叢生、淤積嚴重。

綜上所述，A水庫目前已經(jīng)不能夠滿足泄洪的要求，須開展除險加固改造工程，進行新增泄洪道的優(yōu)化設(shè)計。

2 新增溢洪道優(yōu)化設(shè)計

2.1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)和工程情況復(fù)核

在正式的設(shè)計施工開始之前，要對已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)和工程情況進行復(fù)核，從而保證基本信息的準確性。由于水庫的特殊性，需要復(fù)核其徑流面積經(jīng)過多年使用后是否發(fā)生了改變，是否存在其他未在原有規(guī)劃設(shè)計中的外流域引入的水源，原有設(shè)計方案中的引洪、排水設(shè)施是否還能正常使用。對水庫的幾個關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)，包括主河道長度、徑流面積、平均比降進行復(fù)核。

A水庫因為屬于小型水庫，使用多年來維護資金有限，日常維護的水平較差，在絕大部分時間內(nèi)均保持在正常的蓄水位以下。因此，掌握的設(shè)計庫容值與A水庫的真實庫容值之間存在差別。當然庫容的減小也可能是由于使用多年的淤積所造成的。也有可能是因為在建設(shè)的過程中出現(xiàn)了工期拖延的現(xiàn)象，不得已未完成設(shè)計的庫容值，完工上報的庫容值較小。或是在施工過程中，未能及時測量導(dǎo)致完工時規(guī)模超出預(yù)設(shè)值，上報庫容偏大。如果掌握的庫容值與水庫的真實水平不符，會造成調(diào)洪水位不準確的問題，從而給水庫的運行帶來隱患。因此，必須實測庫區(qū)地形圖，復(fù)核水庫的庫容值。

2.2 洪水調(diào)節(jié)計算

A水庫所處的區(qū)域內(nèi)沒有水文觀測站和雨量監(jiān)測站，對這個區(qū)域內(nèi)的水文情況沒有可參考的資料。因此，選用推理公式法和經(jīng)驗公式法進行A水庫的洪峰流量計算。另外3個水庫的現(xiàn)實狀況與A水庫類似，處于年久失修的狀態(tài)，庫容可以近似于零。因此，在設(shè)計A水庫的溢洪道方案時，須將4個水庫的控流面積全部考慮在內(nèi)。由此，計算出A水庫的洪水流量結(jié)果見表1。

由表1中的數(shù)據(jù)可知，應(yīng)采用推理公式法計算A水庫的洪水流量。推理公式法是以A水庫所在地的歷年暴雨資料數(shù)據(jù)推算洪水情況的。

當然，還可以有效地利用其他3個水庫來實現(xiàn)A水庫的泄洪。例如，將B水庫的庫容綜合考慮進來，通過聯(lián)合調(diào)用兩個水庫實現(xiàn)泄洪。此時計算兩個水庫洪水疊加的數(shù)據(jù)如下：

P=3.33%時，Qm=87.6 m3/s,W=217.3×104m3(滯后0.5 h)；P=0.33%時，Qm=168.6 m3/s,W=379.3×104m3(滯后0.5 h)。

將計算結(jié)果與表1中的計算結(jié)果相結(jié)合得到表2。

表1 A水庫洪水流量計算結(jié)果 m3/s

表2 A水庫洪水流量結(jié)果匯總 m3/s

由表1和表2中的數(shù)據(jù)對比可知，聯(lián)合應(yīng)用A和B兩個水庫的溢洪能力較強。有效利用已有的B水庫可以大大減少新增泄洪道工程的投資預(yù)算，因此，選則第二種方案進行本工程的設(shè)計。

使用列表法，根據(jù)A水庫所在區(qū)域的洪峰流量進行調(diào)洪能力計算，從而確定溢洪道的設(shè)計尺寸。可以使用多種不同的水位作為起調(diào)水位，然后根據(jù)各種方案的投資費用和建設(shè)效果對比確定最優(yōu)的起調(diào)水位。具體包括起調(diào)水位為650 m時對應(yīng)的是空庫度汛的方案，即汛期保證水庫為空；起調(diào)水位設(shè)置為655 m時，對應(yīng)的是在汛期降低正常蓄水位的方案，以保證水庫安全；起調(diào)水位為662 m時，對應(yīng)的方案是在汛期高于正常蓄水位的方案；而起調(diào)水位為660.5 m，則表示采用正常蓄水位的方案。通過全面分析投資預(yù)算和建設(shè)效果，確定使用起調(diào)水位為660.5 m的方案。

最后，根據(jù)A水庫周圍環(huán)境特點，按入庫洪水過程線、泄洪洞水位泄量關(guān)系曲線、水庫水位庫容曲線、新建溢洪洞的水位下泄流量這幾個數(shù)據(jù)之間的關(guān)系完成計算，從而得到滿足泄洪要求需要的防洪庫容，最終確定A水庫的最高蓄水位。

2.3 溢流堰優(yōu)化設(shè)計

選擇溢流堰的合適堰形對于溢洪道的設(shè)計也是非常關(guān)鍵的。比較常用的兩種堰形是實用堰和寬頂堰。實用堰的特點是堰前隱渠的深度一般要求挖深一些，從而保證上游堰具備一定的高度，而寬頂堰的上游堰高度一般較低。寬頂堰施工時產(chǎn)生的挖方量較小，所需的溢流前緣長度較長，隱渠和陡槽較寬。具體到本次的項目中，采用實用堰的工程量較小，另外更加適合A水庫的地形特點。因此，選用實用堰的設(shè)計。

實用堰也包括曲線型和直線型兩種方式。對于A水庫來說，使用曲線形實用堰，能夠保證流水舌更好的吻合堰面，從而具有更好的承壓性。因此，在相同的過水寬度、水頭溢流的條件下，使用曲線型實用堰的設(shè)計可以承載更大的水流量[4]。故本工程采用曲線型實用堰的設(shè)計模式。

2.4 溢洪道優(yōu)化設(shè)計

針對溢洪道本身的優(yōu)化設(shè)計可以采用兩種方案。第一個方案是建造成完全開敞式的溢洪道，已有的防汛道路以架設(shè)橋梁的方式使其從溢洪道頂端通過，下游則建成明渠溢洪道。第二個方案是溢洪道從已有的防汛道路中間穿過，穿過的部分要修筑涵洞，后面的部分也全修筑涵洞。從施工的角度來說，這兩個方案都是可行的[5]。但是，方案一中還需要完成橋梁架設(shè)的工作，從經(jīng)濟的角度考慮，方案二要優(yōu)于方案一。因此，本項目采用方案二完成溢洪道的優(yōu)化設(shè)計。

另外，溢洪道需要從防水洞上面與其交叉后通過，其末端離河面還有一段距離。因此，在充分分析項目現(xiàn)場特點的基礎(chǔ)上，選擇連續(xù)式鼻坎挑流消能型式。

2.5 其他問題

由于本項目所處區(qū)域的4個水庫基本都不能滿足防洪的功能需求，改造后的A水庫承擔了更大的泄洪以及儲水的任務(wù)。在水庫供水范圍較大又具備擴容條件的情況下，考慮可以在除險加固新增溢洪道施工的同時，同步實施水庫的擴容工作。

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，出于對資源的有效利用和優(yōu)化配置的目的，現(xiàn)有的水庫除了滿足泄洪需求、農(nóng)業(yè)灌溉儲水需求等，還逐漸能為城鎮(zhèn)、工業(yè)提供用水。因此，可以在科學(xué)評估的基礎(chǔ)上，完成對A水庫的擴容工作。

根據(jù)國家的相關(guān)規(guī)定要求，水庫進行除險加固工作時一般不擴大其規(guī)模，即要保證其堰頂高程不變。但是，如果同時進行水庫擴容操作，則可以不受此規(guī)定的限制。可將培厚增高3～5 m，從而將水庫擴容至原有的幾倍。兩項工程如果不同步實施，在除險加固完成后再進行水庫擴容，則除險加固工程就不能再利用，造成巨大的資源浪費。

3 結(jié) 論

以A水庫的除險加固新增溢洪道設(shè)計優(yōu)化工程為例，分析了除險加固工程實施過程中的一些關(guān)鍵問題。采用優(yōu)化技術(shù)后，可以大大提高水庫的泄洪能力，同時提高工程投資效益。

[1] 張碧芬.小型水庫除險加固中的溢洪道設(shè)計常見問題及其對策[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2011(23).

[2] 李高民.小型水庫除險加固新增溢洪道設(shè)計優(yōu)化技術(shù)[J].科技傳播，2011(9): 33-35.

[3] 崔華存.小型病險水庫溢洪道設(shè)計中的問題及解決方案[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014(3)：62-64.

[4] 任勇奇.某水庫除險加固新增溢洪道設(shè)計的優(yōu)化方法[J].珠江水運,2015(21):84-85.

[5] 李高民.小型水庫除險加固新增溢洪道設(shè)計優(yōu)化技術(shù)[J].水利與建筑工程學(xué)報,2011(1):83-86.

葉文廣(1985-)，男，福建平和人，助理工程師，主要從事水利水電設(shè)計、施工與管理工作。E-mail：67871798@qq.com。

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