濟(jì)南市臥虎山水庫溢洪道過流能力分析

李 政，時(shí) 靜，曹岳陽

（濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250099）

臥虎山水庫位于濟(jì)南市南部山區(qū)，在錦繡川、錦陽川、錦云川三川匯流的玉符河河口，屬黃河水系，于1958 年9 月2 日開工，至1960 年7 月20 日竣工，建庫之初總庫容只能達(dá)到0.67 億m3，后經(jīng)多次擴(kuò)容續(xù)建，總庫容為1.203 億m3。2022 年3 月，臥虎山水庫服務(wù)處為有效防御洪水災(zāi)害，提高水庫防御洪水能力，錨定“人員不傷亡、水庫不垮壩、重要堤防不絕口、重要基礎(chǔ)設(shè)施不受沖擊”的目標(biāo)，對(duì)水庫溢洪道泄洪能力進(jìn)行重新復(fù)核，以便對(duì)過流能力達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求的溢洪道，及時(shí)清除泄洪障礙，采取工程措施和非工程措施，恢復(fù)行洪能力或修訂報(bào)批水庫汛期調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃和防御洪水方案，確保水庫安全度汛。

1 溢洪道斷面復(fù)核計(jì)算

1.1 溢洪閘泄流能力復(fù)核

臥虎山水庫現(xiàn)狀溢洪道堰型采用的是低實(shí)用堰，實(shí)測(cè)閘底板高程118.32 m，溢洪道共5 孔，每孔凈寬13 m。溢洪閘泄流能力計(jì)算采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）附錄A.2.1 的開敞式溢流堰公式計(jì)算。

公式如下：

式中：Q為流量，m3/s；B 為總凈寬，65 m；H0為計(jì)入流速水頭的堰上總水頭，m；m 為流量系數(shù)，由《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）附錄表A.2.1-1 查得；ε 為閘墩側(cè)收縮系數(shù)；σ 為淹沒系數(shù)，由《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）附錄圖A.2.1-3 查得。

由計(jì)算可知，當(dāng)水位為127 m、128 m、129 m、130 m 時(shí)，現(xiàn)狀復(fù)核泄量Q 分別為1 787.42 m3/s、2 290.84 m3/s、2 831.43 m3/s、3 424.70 m3/s。對(duì)比除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)值Q 分別為1 762.14 m3/s、2 269.50 m3/s、2 807.96 m3/s、3 379.30 m3/s，復(fù)核泄量略高于除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)泄量，且差距較小，因此，溢洪閘泄流能力滿足水庫運(yùn)用要求。

1.2 閘頂高程及檢修橋、交通橋凈空復(fù)核

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）規(guī)定，閘墩頂高程在宣泄校核洪水位時(shí)不應(yīng)低于校核洪水位加安全超高；在擋水時(shí)不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水位或正常蓄水位加波浪計(jì)算高度和安全超高值。2 級(jí)建筑物擋水時(shí)安全超高下限值為0.5 m，泄水時(shí)安全超高下限值為0.4 m。

溢洪閘閘上校核洪水位（137.61 m）+安全超高（0.4 m）為138.01 m。溢洪閘閘上設(shè)計(jì)洪水位（135.85 m）+安全超高（0.5 m）為136.35 m。溢洪閘閘上正常蓄水位（130.50 m）+波浪計(jì)算高度（2.05 m）+安全超高（0.5 m）為133.05 m。

由以上計(jì)算可知，閘墩頂高程不應(yīng)低于138.01 m。現(xiàn)狀閘墩頂高程139.50 m 滿足要求。檢修橋、交通橋底高程與閘墩頂高程一致，為139.50 m，橋下凈空1.89 m，滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）橋下最小凈空0.5 m的要求。

1.3 溢洪道斷面內(nèi)的違章建筑及違法活動(dòng)情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況可知，臥虎山水庫溢洪道現(xiàn)狀良好，溢洪道內(nèi)不存在任何違章建筑，不存在侵占、堵塞溢洪道斷面等情況，不存在設(shè)置攔魚網(wǎng)、攔魚樁等違法活動(dòng)。

1.4 溢洪閘泄流復(fù)核結(jié)論

根據(jù)臥虎山水庫主要技術(shù)特性指標(biāo)表可知，水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)100 年一遇設(shè)計(jì)洪水情況下，水庫最高洪水位為135.85 m，下泄流量為1 300 m3/s（控泄），現(xiàn)狀敞泄流量為7 096.85 m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)5 000 年一遇情況下，水庫最高洪水位為137.61 m，下泄流量7 212 m3/s，現(xiàn)狀敞泄流量為8 241.34 m3/s。從復(fù)核計(jì)算結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀溢洪道泄流能力滿足水庫運(yùn)用要求。

2 泄槽邊墻頂高程復(fù)核

2.1 陡坡判別

1）現(xiàn)狀底坡。溢洪道現(xiàn)狀縱坡i=0.011。

2）臨界底坡。臨界底坡公式如下：

式中：Ck為臨界水深的謝才系數(shù)，Ck=Rk1/6/n；Ak為臨界水深的過水面積，Ak=b·hk；Rk為臨界水深的水力半徑，Rk=Ak/（b+2hk）；b 為泄槽段底寬，m；hk為臨界水深；hk=（1.05·q2/g）1/3，m；q 為單寬流量，m3/（s·m）；n 為糙率，取0.014。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)P=2%時(shí)，ik=0.001 50；當(dāng)P=1%時(shí)，ik=0.001 39；當(dāng)P=0.02%時(shí)，ik=0.001 16。

溢洪道現(xiàn)狀縱坡i=0.011，大于溢洪道臨界底坡，屬于陡坡。

2.2 水面線推求

溢洪道水面曲線計(jì)算根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）附錄A.3.1 推薦方法即利用能量方程分段求和法計(jì)算，公式如下：

式中：Δl1-2為分段長(zhǎng)度，m；h1，h2為分段始、末斷面水深，m；v1、v2分別為分段始、末斷面平均流速，m/s；?1、?2為流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；i 為出水渠底坡；J 為分段內(nèi)平均摩阻坡降。

1）在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100 年一遇情況下，水庫最高洪水位為135.85 m，下泄流量為1 300 m3/s，采用百圖水利土石方軟件，計(jì)算出起始斷面臨界水深hk=3.12 m。

2）在校核洪水標(biāo)準(zhǔn)5 000 年一遇情況下，水庫最高洪水位為137.61 m，下泄流量7 212 m3/s，采用百圖水利土石方軟件，計(jì)算出起始斷面臨界水深hk=9.76 m。

3 溢洪道消能復(fù)核

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018），水庫溢洪道消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為：50 年一遇洪水設(shè)計(jì)，水庫下泄流量為800 m3/s 情況下，采用百圖水利土石方軟件，計(jì)算出起始計(jì)算斷面臨界水深hk=2.25 m，起始計(jì)算斷面相關(guān)計(jì)算參數(shù)及結(jié)果列于表1。

表1 50 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)的起始計(jì)算斷面相關(guān)計(jì)算參數(shù)及結(jié)果表

消能計(jì)算公式采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）中有關(guān)公式，挑距計(jì)算公式：

式中：L 為自挑坎末端算起至挑流水舌外緣與下游水面交點(diǎn)的水平距離，m；V1為挑坎坎頂水面流速，取16.19 m/s；α 為挑流水舌水面出射角，近似可取用挑坎挑角，取35°；h1為坎頂末端法向水深，取0.67 m；h2為坎頂至下游水面高差，取2.57 m；g 為重力加速度，m/s2。

由以上計(jì)算知，洪水頻率P=2%，流量800 m3/s，q=10.33 m3/s，挑距L=29.85 m，沖坑深度5.88 m，沖坑深最大上游坡度5.07°，沖坑底高程99.87 m，沖坑不影響挑坎基礎(chǔ)穩(wěn)定及相鄰建筑物安全，溢洪道消能防沖設(shè)施滿足要求。

4 下游河道連接段復(fù)核

4.1 下游河道連接段現(xiàn)狀

臥虎山水庫下游河道玉符河，連接段河道長(zhǎng)717 m，寬度70.49~125.20 m，河道內(nèi)現(xiàn)狀良好，無行洪障礙物，無阻水情況。

4.2 下游河道連接段泄洪能力復(fù)核

玉符河采用50 年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，河道流量800 m3/s。水面線計(jì)算采用明渠恒定非均勻漸變流的水面曲線計(jì)算原理，公式為：

式中：Z1、Z2分別為下斷面和上斷面的水位高程；hf和hj分別為下斷面和上斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失。

下游河道（玉符河）連接段兩岸超高采用《濟(jì)南市玉符河綜合治理工程可行性研究報(bào)告》（已批復(fù)）的計(jì)算成果，取0.8 m。

經(jīng)復(fù)核可知，下游河道（玉符河）連接段兩岸現(xiàn)狀高程高于核算的岸頂高程，50 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下，洪水不會(huì)漫出河道兩岸，下游河道連接段滿足泄洪要求。

5 回水情況

臥虎山水庫下游河道為玉符河，河道走向?yàn)槲鞅狈较颍鶕?jù)下游河道連接段水面線及兩岸高度復(fù)核成果可知，下游河道（玉符河）連接段兩岸現(xiàn)狀高程高于洪水水位，洪水不會(huì)漫出河道兩岸，因此，回水不會(huì)沖刷壩腳。

6 結(jié) 論

1）現(xiàn)狀溢洪道（含出水渠）的實(shí)際斷面、坡度等均滿足設(shè)計(jì)要求，溢洪道消能防沖設(shè)施滿足50年一遇洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2）溢洪道內(nèi)不存在任何違章建筑，不存在侵占、堵塞溢洪道斷面等情況，不存在設(shè)置攔魚網(wǎng)、攔魚樁等違法活動(dòng)。

3）現(xiàn)狀溢洪道實(shí)際過流能力滿足原設(shè)計(jì)要求，下游河道（玉符河）連接段不影響泄洪。

4）溢洪道邊墻（岸坡）頂高程滿足設(shè)計(jì)要求。

5）溢洪閘泄流能力復(fù)核、泄槽邊墻頂高程復(fù)核、溢洪道消能復(fù)核、下游河道連接段復(fù)核均滿足要求。

參考文獻(xiàn)

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