商洛市洛南縣東湖水庫溢洪道設計及分析

朱少文

(西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司，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。東湖水庫建設于1958年，工程竣工后交付永豐鎮東湖村委會管理，有3名管理人員。工程運行60多年來，對緩解灌區用水矛盾，增加抗御自然災害能力，保護人民生命財產安全，促進當地農業增產和保證社會穩定發揮了重大作用。但由于水庫工程質量較差，建成蓄水以來，樞紐工程問題較多，水庫效益難以發揮，直接影響灌區農民經濟收入。

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‰。東湖水庫原設計水庫總庫容45萬m3，正常蓄水位214.60 m，設計洪水位215.00 m，校核洪水位215.90 m，興利庫容39萬m3；東湖水庫除險加固后水庫總庫容47.62萬m3，正常蓄水位1095.50 m，設計洪水位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、放水設施等組成。

大壩為黏土心墻壩?，F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，上部2 m高度無干砌石砌護，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，坡面無排水設施和無排水體。

原設計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，溢洪道進口被回填變成道路，下游無消能防沖設施。

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

3.3 徑流

東湖水庫所在流域無實測徑流資料，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驗公式法，根據《商洛地區實用水文手冊》(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

東湖水庫流域內無水文站和雨量站，屬無資料地區。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》進行設計洪水推求。本次洪峰流量采用匯水面積相關法、綜合參數法和暴雨資料推求法計算分析，最終選擇暴雨資料推求法計算結果作為本次設計洪峰流量依據，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

經實測，目前東湖水庫淤積高程為1087.10 m，工程運行60多年，水庫總淤積量1.1萬m3，多年平均淤積0.02萬m3。

4 溢洪道設計

4.1 溢洪道布置

1)溢洪道軸線選擇

根據現狀地形地質條件，大壩左岸為光伏產業園，不具備布設溢洪道條件，右岸壩肩為山體，周圍無重要建筑物及設施，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)溢洪道進口高程選擇

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

3)進口段(K0+000～K0+014)

進口段采用曲面導水墻形式，右側導墻長15 m，左側長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，兩側翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑，厚度為0.3 m，墻頂與校核洪水位協調一致，底板前后設置齒槽，厚度為0.3 m，進口處齒槽深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)

本次設計在進水口彎道段與控制段之間設置連接段，以保證水流平順進入控制段，連接段長5 m，矩形斷面型式，寬度為3 m，兩側翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑，厚度為0.3 m，底板前后設置齒槽，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Φ50PVC排水孔，布置方式與進口段一致。

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，兩側翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑，厚度為0.3 m，底板前后設置齒槽，齒槽深0.5 m，厚度為0.3 m。邊墻設Φ50PVC排水孔，布置方式與進口段一致。

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，兩側翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑，厚度為0.3 m，翼墻高度隨水面線由高到低減變，每10 m設置一道伸縮縫，縫寬2 cm，采用聚乙烯泡沫板填充。翼墻設Φ50PVC排水孔，布置方式與進口段一致。

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Φ50PVC排水孔，布置方式與進口段一致；底板結構為30 cm厚C25鋼筋混凝土結構，底板設Φ50PVC排水孔，孔距2.0 m，呈梅花型布置，底部設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，兩側翼墻及底板均采用C25鋼筋砼進行澆筑，厚度為0.3 m，底板末端設置齒槽，齒槽深1.0 m，厚0.3 m。墻身設Φ50PVC排水孔，布置方式與進口段一致。

4.2 溢洪道水力計算

1)控制段泄流能力計算

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，設計洪水位1096.90 m，堰頂高程1095.50 m，根據工程實際情況，堰泄流公式采用《溢洪道設計規范》中A.2.3式：

式中：m為流量系數，與相對上游堰高P1/H及堰頭形式有關，本工程為無坎寬頂堰，其值查《溢洪道設計規范》中表A.2.3-1取0.385；ε為側收縮系數，采用《溢洪道設計規范》中A.2.3-2式計算；B為堰寬，b=3.0 m；H0為堰前計入行進流速水頭的堰上總水頭，取H0=H，H為堰頂凈水頭。

設計水位及校核水位時泄洪能力，見表1。

表1 溢洪道泄洪能力計算表

根據水庫調洪演算要求：設計泄量Q=8.6 m3/s，校核泄量Q=16.8 m3/s。

2)泄槽段水力計算

泄槽段長100 m，坡比i=0.18，按設計流量及校核流量兩種工況進行計算，即設計下泄流量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《溢洪道設計規范》，公式hb=(1+ζv/100)h，hb為計入波動及摻氣的水深(m)，h為不計入波動及摻氣的水深(m)，v為不計入波動及摻氣的計算斷面上的平均流速(m/s)，ζ為修正系數，一般取ζ=1.0 s/m～1.4 s/m。按設計流量及校核流量兩種工況計算。

設計墻高采用校核工況時的設計成果，兩側砌護高度為摻氣后水深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。消力池的設計標準為P=5%洪水標準，即以設計工況時對應的洪水為消力池的設計標準，設計工況下下游水位為0.56 m，下游河床高程為1078.40 m。

消力池的結構尺寸計算按等寬矩形斷面下挖式消能計算公式進行。《溢洪道設計規范》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為池中發生臨界水深時的躍后水深，m；Fr1為收縮斷面弗勞德數；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，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。

消力池計算結果見表2。

表2 消力池計算結果

由以上計算結果結合高程實際情況，消力池長度取10.0 m，尾坎寬0.3 m，消力池深度按結構及地形取為1.0 m。

5 結語

東湖水庫除險加固工程的實施，對保障水庫安全運行及下游防洪安全，提高農業灌溉供水保證率，增加當地農業收入，穩定農業經濟持續發展，改善生態和投資環境，促進地區經濟持續增長等方面具有積極意義。建議工程盡早實施，讓項目區群眾早日受益，為當地社會經濟發展做出貢獻。