辛莊水庫擴建工程庫區沖刷淤積分析

吳 溪

（湖北省核工業地質局，湖北 孝感 432000）

0 前言

水是人類賴以生存和發展經濟的生命線，是實現可持續發展的重要物質基礎，是直接影響國計民生的重要基礎設施[1]。我國水資源貧乏，由于特定的自然地理特點和氣候條件，降雨具有時空分配不均，年內年際變化大，多集中在汛期的特點，造成了不同地區、不同程度的資源型、工程型或水質型缺水，嚴重制約了經濟社會和生態環境的可持續發展[2～3]。經濟的快速增長、城市化進程的加快和產業結構、布局的調整，決定了水利與經濟社會發展的密切關系，以及水利在經濟社會發展中的基礎性地位。水利由農業的經濟命脈轉變為國民經濟的命脈，成為國民經濟的基礎產業。

山亭區位于魯南山區的西南部邊緣地帶，屬暖溫帶季風區半濕潤氣候，適宜的氣候和土壤條件有利于櫻桃的種植。水泉鎮位于山亭區北部，作為全市唯一的無糧鎮，是我國櫻桃標準化示范區。然而，由于季節性降雨分配不均，現狀水源工程設置不夠完善，很大程度上影響了水泉鎮櫻桃的正常生長和產量、質量的提高。辛莊水庫位于水泉鎮下辛莊北，沒有已建成的萬人以上集中供水工程，農村居民飲水供水能力不足，水質和水量不能滿足供水要求，亟需改善集中供水工程，從而解決用水安全問題。因此，開展辛莊水庫擴建工程建設可提高農村飲水保障程度，從根本上解決項目區農村飲水不安全問題，保障人民的生命健康，促進農村經濟社會和諧發展。沖淤分析是水庫建設的重要評價因子[4]，因此本文將結合辛莊水庫擴建工程開展庫區沖淤分析。

1 項目區概況

辛莊水庫位于城河辛莊支流上游，控制流域面積為17.5 km2，呈扇形。辛莊水庫現狀為小（1）型水庫，興利水位為195.3 m，設計洪水位196.50 m，校核洪水位199.5 m，為緩解區域灌溉水源緊缺的狀況，解決區域飲水安全問題，提高流域的防洪能力，改善庫區周邊生態環境，擬對已建的辛莊水庫進行擴容增效。辛莊水庫上游多年平均來水512.08萬m3，擴建后的辛莊水庫可滿足2.268萬畝櫻桃種植的灌溉要求，較現狀工程條件下的1.2萬畝新增1.068萬畝，同時解決了當地飲水安全問題。

擴建后的辛莊水庫是以防洪、灌溉為主，兼顧多種功能的中型水庫，總庫容為1056.57萬m3，興利水位為200.00 m，設計洪水位為201.90 m，校核洪水位203.30 m，興利庫容642.6萬m3，死庫容111萬m3，水庫大壩壩型為均質壩，最大壩高25.2 m，壩長550 m。擴建工程設計，大壩壩頂高程由原200.60 m，加高至204.10 m，壩頂寬6.0 m，邊坡1∶3。溢洪道設計底高程為197.0 m，在原址設3孔平底板溢洪閘，閘孔凈寬為4.0 m，高3.0 m，閘墩墩頂高程為203.00 m；放水洞擬在原址（水庫大壩0+030）改建，設壩前豎井式放水洞，放水洞為1 m×1 m鋼筋砼箱涵，設計最大引水流量1.28 m3/s；管理所設在溢洪閘西南。

本工程的總體工程規模為中型。主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時建筑物為5級。

2 擴建工程庫區沖刷淤積分析

擴建工程起調水位采用200.0 m，水庫50年一遇洪水位200.74 m，比擴容前50年一遇洪水位196.5 m高4.24 m；500年一遇洪水位為202.51 m，比擴容前500年一遇洪水位199.5 m高3.01 m。擴建工程設計洪水設計及校核標準提高，相應洪水位抬高。目前工程設計中對沖刷與淤積的分析評價以經驗公式以及參照巖馬水庫實測資料分析，本文水庫沖刷分析擬采用規范公式進行計算驗證，淤積分析則根據實測泥沙量開展分析研究。

2.1 水庫下游沖刷分析

辛莊水庫擴容前溢洪道凈寬16 m，最大泄量為315 m3/s，單寬過流能力為19.7 m3/s，擴容后溢洪閘凈寬12 m，單寬過流能力增大到21.1 m3/s。需對消能防沖措施進行水力計算復核。

工程現狀為開敞式溢洪道，不帶閘控制，現狀溢洪道明槽寬16 m，溢洪道下游漸窄，下游距交通橋145 m處溢洪道轉彎。兩側現狀無擋墻，無消能防沖設施，溢洪時對兩岸淘刷嚴重；擬建溢洪道控制段為帶閘控制的駝峰堰。駝峰堰堰高1.7 m，堰頂高程為197.0 m，堰底高程為195.3 m，為素混凝土結構，局部加筋。駝峰堰上溢洪閘共設3孔，單孔凈寬4.0 m，總凈寬12.0 m，邊墩寬1.2 m，中墩寬1.2 m，工作閘門吊點中心線與駝峰堰中心線重合；現狀溢洪道泄槽平面呈曲線布置，起始走向東北，0+000～1+000為直線段，1+000～1+060為圓弧段，轉向南部，軸線圓弧半徑為90.0 m，轉角為38°，1+060～2+000為直線段。設計泄槽為矩形斷面，“U”形結構，底寬為14.4 m（與溢洪閘同寬），高度為2.5 m，底板及側墻均為鋼筋混凝土結構。泄槽長度為200 m（0+000～0+200），比降為1∶50。泄槽末端接挑流鼻坎，反弧半徑為10 m，挑射角度23°。挑坎為連續等寬式，根據溢洪道設計規范要求，挑流鼻坎反弧半徑R采用反弧最低點最大水深h的6～12倍，其中R為10 m，h為1 m。

（1）挑流水舌外緣挑距計算[5～6]：

按溢洪道設計規范計算要求：

式中：L為挑流水舌外緣挑距，從挑坎末端算起，m；θ為挑流水舌水面出射角，采用鼻坎挑角近似計算，取23°；h1表示挑流鼻坎末端位置的法向水深，m，取1.0 m；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m，取4.6 m；ν1為鼻坎坎頂主流流速，按末端斷面平均流速的1.1倍計，m/s，取13 m/s。

（2）沖坑最大水墊深度計算[5～6]：

同時根據設計規范計算沖坑水墊深度

式中：T為水面至沖坑最低點的水墊深度，m；q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s·m），取21.1；Z為上、下游水位差，m，取58；K為綜合沖刷系數，取K=1.1。

根據30年一遇洪水資料，計算結果顯示挑距達到20.35 m，滿足設計的18 m挑距要求；沖刷坑深度4.68 m，沖坑上游坡度小于1/3，30年一遇設計洪水泄洪時，沖坑不會危及挑坎齒墻的安全，設計消能防沖設施滿足規范要求的不影響挑坎基礎、兩岸岸坡穩定及相鄰建筑物的安全規定。

此外，擴建工程的大壩壩體加高、壩坡護砌、防浪墻工程的實施能夠有效降低庫區來水沖刷及波浪影響；環庫生產路加高工程對庫區來水形成良好的攔擋及整流效果；同時，流域內其他水利工程的運行及協調配合，能夠有效降低汛期洪水對單一水庫的沖刷影響。綜上所述，擴建工程相關設計能夠有效防護水位抬升帶來的庫區沖刷影響。

2.2 淤積分析

庫區上游侵入巖組成低山丘陵，植被稀少，基巖多裸露，表層全風化層剝落后形成中粗砂、礫砂，呈砂土狀，極易被雨水沖蝕流入庫內，加上人工開山造田、局部小規模的庫岸再造、汛期入庫洪水攜帶大量泥砂入庫，固體徑流來源較豐富，易產生庫區淤積問題。因此，應做好庫區水土保持、植樹造林、整治沖溝，以減少固體徑流來源，消減水庫淤積量。

辛莊水庫附近無實測泥沙資料，本次壩址以上泥沙參照巖馬水庫實測資料分析。巖馬水庫不同時期水位庫容關系見表1。

表1 巖馬水庫不同時期水位～庫容關系

巖馬水庫死水位為117.0 m，根據巖馬水庫不同時期水位～庫容關系分析計算，1960年以后至1998年39年期間，死庫容減少了532.1萬m3，多年平均淤積量為13.6萬m3，其中1960年～1972年12年間淤積302.1萬m3，年平均淤積25.17萬m3，1972年～1979年7年間淤積190萬m3，年平均淤積27.14萬m3，1979年～1998年19年間淤積40萬m3，年平均淤積僅為2.0萬m3。1998年以后隨著流域內水土保持、生態建設、蓄水攔沙等工程措施的實施，水庫來沙量明顯減少。

按巖馬水庫1960年～1998年年均淤積量13.6萬m3，考慮水庫的排沙量（按30%估算），巖馬水庫的多年平均輸沙量約為18.2萬m3，按干容重1.35 t/m3，根據水庫水文資料觀測數據顯示，辛莊水庫多年平均天然徑流量為512.08萬m3，巖馬水庫多年平均天然徑流量為9805萬m3，水庫流域徑流量之比為0.05。辛莊水庫與巖馬水庫條件類似，符合水文比擬法的應用條件，辛莊水庫與巖馬水庫的平均輸沙量之比可近似等于徑流量之比，以此進行估算。即：辛莊水庫壩址多年平均輸沙量約為18.2×0.05=0.91萬m3，年平均淤積量為8568 t。考慮1998年以后隨著流域內水土保持、生態建設、蓄水攔沙等工程措施的實施，水庫來沙量明顯減少。

綜上所述，壩址以上可能最大淤積量為334152 t，共計24.75萬m3，同時考慮庫區料場布置取土，且為采砂區，水庫至少80萬m3的死庫容可供淤積。因此可見，水庫的淤積對調洪、興利影響不大。

3 結論

（1）將辛莊水庫現狀正常蓄水位195.3 m抬高至200.0 m，水庫蓄水能力增加至1056.6萬m3，蓄水能力較之前增加502.6 萬 m3。

（2）泄槽末端接挑流鼻坎，反弧半徑為10 m，挑射角度為23°，30年一遇挑距20.35 m，沖刷坑深度4.68 m，消力坎段的側墻高度為2.3 m～2.8 m。沖刷計算結果顯示，泄槽末端挑流消能效果明顯，對下游泄洪河段影響較小。

（3）結合巖馬水庫庫區泥沙淤積資料分析，辛莊水庫擴建工程庫區最大淤積量約為24.75萬m3，遠小于水庫死庫容，即水庫淤積對調洪、興利影響不大。

（4）辛莊水庫擴建工程滿足庫區沖淤要求，且對下游局部河段影響甚微，由此可知，該工程建設滿足防洪、安全要求。