雞鳴寺水庫溢洪道除險加固設計探討

【摘要】雞鳴寺水庫位于丘陵地帶，完工時間早，隨著幾十年的運行使用，雖多次進行除險加固措施，但主要水工建筑物均有不同程度的問題甚至安全隱患，而該水庫具有灌溉、防洪、養殖等功能，須積極做好除險加固措施，保障水庫功能的發揮與下游居民安全。本文探討了水庫溢洪道的加固改造設計。

【關鍵詞】溢洪道；除險加固；設計

1、工程背景概況

雞鳴寺水庫位于鐘祥市東橋鎮清明村，地處丘陵地帶，1980年2月完工。水庫控制來水面積4.85km2，設計總庫容42.7萬m3，興利庫容20.0萬m3，死庫容1.4萬m3。設計標準20年一遇洪水位155.10m，校核標準200年一遇洪水位156.05m，正常高水位152.32m，死水位145.00m。該水庫具有灌溉、防洪、養殖等綜合效益，為小（2）型水庫。設計灌溉面積500畝（實際灌溉面積600畝），養殖水面20畝。該水庫防洪保護下游東橋鎮六個村民組以及下游水庫的安全，保護人口有2000多人。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管等組成。溢洪道在大壩的左側，屬開敞式溢洪道，現狀進口底高程152.32m，堰頂寬度10.5m，最大泄量124.32m3/s。溢洪道左側緊鄰大壩壩體，右側為山體，溢洪道底部是人工開采的自然石料面，凹凸不平。溢洪道采用底流消能方式，消力池底高程144.5m（自然沖坑），尾水直接進入渠道。

2、水庫溢洪道問題的發現

水庫溢洪道雖經歷次除險加固，但每次都因經費限制，沒有解決根本性問題。現綜合歷年工程出險和現場檢查，發現溢洪道部分的問題如下：

（1）溢洪道位于大壩左壩端，沿山體人工開采而成，凹凸不平，斷面不規整。

（2）溢洪道堰頂寬10.5m，溢洪道總長85.1m，分為一級跌水，其中進口段長22m，斜坡段長31.9m，尾水直接進入渠道。經復核，溢洪道寬度不夠，泄洪能力不足。

（3）溢洪道左側部分為山體，山體出露巖性為泥質白云巖，坡高3.0～5.0m，表層0.5～1.0m屬強風化，風化裂隙極發育，影響水庫安全泄洪。

（4）溢洪道右側緊鄰大壩壩體，邊坡最大高度3.5m，最小高度1.5m。由于水庫運行時間長，水庫泄洪頻率高，多處邊坡出現垮塌現象。

3、溢洪道除險加固措施的確定

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017），山區、丘陵區小（2）型水庫土石壩設計洪水標準：30～20年一遇設計，300～200年一遇校核，故雞鳴寺水庫按20年一遇設計，200年一遇校核。

由于庫區無實測徑流資料，本次設計暴雨計算采用△t=0.5小時，6小時的瞬時單位線方法計算洪水。

在萬分之一地形圖上量得水庫壩址以上集水面積F=4.85km2，流域長度L=3.164 km，河道比降j=45.6‰，流域形狀系數0.35，屬山區扇形流域。

根據《湖北省暴雨統計參數圖集》，分別查出1h、6h、24h的均值依次為50mm、80mm，120mm，Cv值為0.50、0.57、0.50，Kp5%為1.99、2.14、1.99， Kp0.5%為3.05、3.45、3.05，計算各頻率下點雨量值如下。

P=5%時，H24p=Kp H24=1.99×120=238.8（mm）

P=0.5%時，H24p=Kp H24=3.05×120=366.0（mm）

根據設計點雨量，由《湖北省可能最大降雨圖集》提供分區成果，查1h、6h、24h面深系數，計算壩址設計面暴雨成果，計算壩址設計面暴雨成果。本次設計雨型采用《湖北省暴雨徑流查算圖集》推薦的tc=6h，△t=0.5h雨型，各時段雨量順次扣除穩損fc×△t后的值即為各頻率下的6h凈雨。

匯流計算采用瞬時單位線法。本流域位于水文分區第Ⅵ區，匯流參數取《圖表》中第Ⅵ水文分區的綜合公式：

由參數n、k值（其中k=m1/n）查《查算圖表》，求得綜合單位線S（t），換算為瞬時單位線u（t），再求出時段單位線q（t）=Fh/3.6Δt×u（t）即為地面徑流。地下徑流按下式計算。

t≤T Qt=Q0+（Qg+Q0）×t/T

t>T Qt=Qg+e-β（t-T）

式中：

β—退水指數 β=0.133F-0.28

T—地面徑流底寬 T=tc+D-Δt

D—時段Δt之單位線底寬

將各時段的地面徑流加上相應時段的地下徑流即全部設計洪水過程，得出不同頻率的洪峰流量。P=5%時為122.58 m3/s；P=0.5%時為189.63m3/s。計算成果如下表。

水庫6小時設計洪水成果表

根據該水庫大壩安全鑒定結論，結合本工程任務、現狀、洪水調節計算成果，將溢洪道除險加固工程措施設計為溢洪道進行擴寬寬。

4、溢洪道除險加固設計

4.1溢洪道校核

本次加固溢洪道采用開敞式寬頂堰，其過流能力依據武漢大學水利水電學院《水力計算手冊》（第二版）以及高等教育出版社《水力學》（吳持恭主編）相關公式計算。

Q=mB（2g）1/2H03/2

式中： Q—下泄流量（m3/s）；

m—流量系數，m=0.385；

H0—堰上水頭（m）；

B—寬頂堰溢流寬度（m）。

現狀溢洪道下泄流量Q=0.385×10.5 ×（2×9.8）1/2×3.733/2=122.29（m3/s）

溢洪道下泄流量122.99 m3/s小于水庫調洪后的流量152.76m3/s，可見溢洪道不能夠滿足洪水安全下泄。

溢洪道寬度應為：

B=152.76÷0.365÷ （2×9.81）1/2÷3.733/2=12.43（m），取值12.5m。

溢洪道設計流量Q=0.385×12.5×（2×9.81）1/2×2.78/2=98.81（m3/s）

溢洪道校核流量Q=0.385×12.5×（2×9.81）1/2×3.733/2=153.56（m3/s）

4.2溢洪道設計

根據水庫除險加固原則：在滿足壩頂高程的前提下，適當加大樞紐泄洪能力的方式，使水庫防洪能力達到設計標準。

本次設計溢洪道底高程152.32m保持不變，溢洪道寬度增加到12.5m，右側新建溢洪道導水墻和岸墻。溢洪道底部用C25混凝土護底，導水墻和右側岸墻均用C20混凝土做擋土墻。

4.3溢洪道結構設計

溢洪道由進口堰頂段、泄槽段和消力池段組成。

進口樁號0-022～0-010段按現狀斷面開挖至設計高程152.32m。樁號0-010～0+000段為堰頂段，堰頂高程152.32m，設計底寬12.5m，底板采取C25砼現澆，厚40cm，面層布Φ12鋼筋，底板下部鋪設10cm厚C10砼墊層；兩側邊墻采用C20砼現澆。 樁號0+000～0+025.6段為泄槽段，長25.6m，坡降1：2.9，設計底寬12.5m，底板采取30cm厚的C25砼現澆，面層布Φ12鋼筋，底板下部鋪設10cm厚C10砼墊層，兩側邊墻采用C20砼現澆。0+025.6～0+048.6段為消力池段，底寬12.5m，底板采取30cm厚的C25砼現澆，面層布Φ12鋼筋，底板下部鋪設30cm厚三級反濾料，兩側邊墻采用C20砼現澆。堰頂段、泄槽段和消力池段底板與兩側砼擋土墻均采用橡膠止水。

5、結束語

雞鳴寺水庫除險加固工程已完工驗收，通過對溢洪道等水工建筑物的監測與分析，此次改造設計均有較滿意的成效，對后期同類型的工程有一定的指導和借鑒意義。