小型水库水文计算与溢洪道控制段加固方案关系探讨

潘保存

（山东农业大学 勘察设计研究院，山东 泰安 271018）

小型水库水文计算与溢洪道控制段加固方案关系探讨

潘保存

（山东农业大学 勘察设计研究院，山东 泰安 271018）

以山东省典型水库——黄家庄水库的洪水调节计算方法为例，得出影响溢洪道加固方案的主要水文参数，并结合现状溢洪道控制段存在的问题，分析水文计算与溢洪道控制段加固方案之间的关系，结果表明：溢洪道净宽与溢洪道进口处水深两指标与采取何种溢洪道控制段加固方案关系密切，可为类似水库工程的除险加固提供设计参考。

小型水库；水文计算；溢洪道；控制段加固方案

据统计，截至2007年底，山东省山丘区共建成小型水库5281座，占全省水库总数的96.5%，其中小型险库3854座，占小型水库总数的73%。由于受建库时的历史条件、工程技术等客观因素的限制，很多水库在缺乏基本的水文、地质资料和必要的工程技术条件下就仓促动工，工程质量存在很多缺陷，再加之50a来老化失修，已经对水库下游人民生命财产安全造成了重大威胁，对病险水库除险加固迫在眉睫。通过水文计算给水库加固提供基本的水位、流量资料，溢洪道为一般小型水库洪水下泄的唯一设施，以山东省为例，探讨水文计算与溢洪道控制段加固方案之间的关系，对于解决水库现有险情，节约工程投资，具有十分重要的意义。

1 水文计算

山东省小型水库一般位于山丘区，流域面积相对较小，大多小于30km2，流域内缺少暴雨或流量等基础资料，故采用暴雨等值线图成果，小流域采用瞬时单位线法分配净雨推求的洪峰流量值相对偏小，从工程运行安全角度考虑，小型水库水文以 《山东省小型水库洪水核算办法》（简称《办法》）进行计算。下面以黄家庄水库的洪水调节计算方法为例，简单介绍该计算方法。

1.1 黄家庄水库概况

黄家庄水库位于泰安市岱岳区满庄镇黄家庄村北，属大汶河流域漕河支流，水库控制流域面积5km2。该水库于1959年9月动工兴建，1966年6月竣工建成，现有农业灌溉333.33hm2，养鱼水面面积20hm2，该水库是以防洪、农业灌溉为主，兼水产养殖等综合利用的小（I）型水库［1］。

1.2 设计洪水计算

结合水库原始资料，综合考虑确定黄家庄水库设计洪水标准为：设计标准50a一遇，校核标准300a一遇［2］。

1.2.1 流域基本特征参数

（1）流域面积F。本工程流域面积为5km2。

（2）主要河道长度L。从地形图上量算本工程主要河道长度4.5km。

（3）主河道比降J。 J取值为0.027。

（4）流域特征综合参数。由附图表查得：

（5）流域特征综合参数。 k＝L/（J1/3F2/5）＝7.89。

根据“山东省部分县（市、区）暴雨统计参数分析成果表”查出工程地点以上流域中心多年平均最大24h降雨量24＝110mm，变差系数Cv＝0.57，取Cs＝3.5Cv，根据皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表，查得Kp值，然后计算出某种频率的设计标准24h暴雨量。

1.2.3 单位面积洪峰流量模数qm及最大洪峰流量Qm

根据流域特征综合参数K和设计标准降雨量H24，按工程地点所在位置和流域坡度、土壤土质、植被等情况，查《办法》泰沂山南山区qm～H24～k关系曲线，得出设计标准的单位面积洪峰流量模数qm。将单位面积最大洪峰流量模数qm，乘以流域面积F，即可求得设计标准的最大洪峰流量：Qm＝qm×F。

1.2.4 洪水总量的推求

以设计标准的最大24h暴雨量H24P%的75%，加上前期影响雨量Pa，经P＋Pa～hR降雨径流关系曲线求出净雨hR，其中山区小型水库的前期影响雨量Pa取40mm。以净雨hR乘流域面积F即得到洪水总量：W＝0.1hR×F（万m3）。

洪水过程按三角形计算，洪水历时T（即三角形过程的底宽）按下式计算：

式中 W为洪水总量；Qm为最大洪峰流量。

涨洪历时为1/3t，即最大洪峰Qm出现在1/3t的地方。依据《办法》中的相关公式，计算结果如表1。

表1 各洪水标准相关指标表 单位：%

1.3 调洪演算

1.3.1 水库水位、水深和溢洪道泄量q关系计算

黄家庄水库为无闸控制的小型水库，加固后溢洪道控制段设宽顶堰，净宽57m，黄家庄水库溢洪道泄量q的计算，采用以下简化公式进行计算，计算水库不同水位溢洪道的相应泄量，见表2。

式中 1.5为综合流量系数；B为溢洪道宽度（m）；h为溢洪道堰顶以上的水深（m）。

表2 水库水位～溢洪道泄量～库容关系

1.3.2 调洪演算

调洪演算起调水位取溢洪道堰顶高程，顶高程为141.3m，根据《办法》采用三角形调洪法进行。

首先根据水库的水位～泄量关系曲线和水位～容积曲线绘制溢洪道堰顶以上调洪库容V调洪与下泄流量q的关系曲线，将该曲线绘在图1的左方，其右方绘制入库洪水过程线Q～t。

在v调洪坐标轴上取一点A，用OA等于洪水总量W，过Qm作水平线交纵坐标轴于B，连接AB，与V调洪～q曲线交于D，过D点作水平线交洪水过程线Q～t的退水段于C，则C点的坐标表示最大下泄流 量 q，D 点的横坐标OD表示相应的调洪库容V调洪，根据水位～泄量关系，查出相应标准的防洪水位，计算结果见表3。

表3 洪水调节计算成果表

综上，溢洪道净宽（B）直接影响洪水出口处的宽度，而溢洪道进口处水深（h）直接取决于堰顶高程，两个指标为洪水调节计算的两项关键指标。

2 小型水库现状溢洪道控制段存在问题

2.1 水库行洪能力差

山东省小型水库多建于20世纪50～60年代，建库以来没有进行系统治理，现状溢洪道控制段断面坑洼不平，行洪断面过窄，造成水库行洪能力不足，严重威胁大坝安全。

2.2 溢洪道无闸控制

大部分水库溢洪道基本无闸控制，使下游河道行洪压力过大。

2.3 人为破坏

有些缺水严重地区，为人畜饮水，未经水利主管部门许可，人为加高溢洪道顶高程，使水库调洪库容减小，不能发挥水库的调洪滞洪作用。

2.4 溢洪道岩石风化严重和地质条件欠佳

部分水库溢洪道两岸边坡较陡，沿节理裂隙风化后产生掉块，对两岸边坡稳定极易产生不利影响，溢洪道基底岩石风化严重，局部为宽大的强风化岩体，影响泄洪，下游大都无消能防冲设施。

2.5 设计标准低

少数水库溢洪道控制段两岸建有挡土墙，但因砌石砂浆强度较低，运行50a来风化剥蚀严重，达不到设计要求，且挡土墙只在坝端局部设置，对大坝裹头形成保护，当泄洪量较大时极易冲毁下游坝脚。

3 水文计算与溢洪道控制段加固方案的关系

小型水库除险加固本着解决现状问题、尽量不加高大坝，节省投资的原则［3］，结合实际地形、溢洪道控制段［4］，一般应采取保持现状宽度、拓宽、降低堰顶高程、拓宽结合降低堰顶高程、开挖非常溢洪道5种方案。

3.1 保持现状宽度

根据《办法》，山东省山丘区小型水库的库容系数为0.8～1.5，即认为是适宜的，一般取0.9～1.2。 根据水文计算成果，当库容系数合适、现状坝顶高程满足防洪要求时，可采用该方案，为保证水流平顺，控制段一般采取新建宽顶堰。

该方案除施工简单，节约资金外，还能够最大限度地发挥水库的兴利功能；对于有原始资料的水库该方案应用较为广泛。

3.2 拓宽溢洪道净宽（B）

经调洪计算，水库防洪水位较高，需要加高坝顶高程，为节省投资，在尽量少占用土地的条件下，可采取拓宽溢洪道宽度，增设坝顶防浪墙的方案，泰安市岱岳区黄家庄水库除险加固采取该方案，将溢洪道控制段净宽（B）由40m加宽为57m［5］，加固后运行良好。

溢洪道拓宽，施工简单，节约资金，还能够最大限度地发挥水库的经济效益，但拓宽溢洪道会占用土地，另外扩宽后，水库下泄流量大，会对水库下游未按防洪标准治理的河道产生不利影响。

3.3 降低溢洪道堰顶高程

水库防洪水位较高，水库现状条件下，两岸又不允许占用土地，需要抬高坝顶高程。为节省工程投资，可采取该方案。

降低溢洪道堰顶高程，不占用土地，水库调洪库容增大，提高了水库的防洪能力，但山丘区水库溢洪道底部一般为微风化、弱风化岩石，可能需要爆破开挖，另一方面正常蓄水位降低，对有兴利要求的水库，可能对以后生产生活带来不利影响，除此之外，溢洪道挖深后，两岸挡土墙高度相应加大，对大坝裹头及两岸边坡稳定、正常交通带来不利影响。

3.4 拓宽与开挖结合

对于两岸缺少拓宽溢洪道条件且对兴利要求不大的水库，可采取拓宽结合下挖、新建防浪墙方案。

该方案综合了上述两个方案的优点，同时最大限度地减小了两方案的不足，不但节约资金，而且提高了水库的防洪能力，该方案在实际工程设计中应用较为广泛。

3.5 开挖非常溢洪道，增加净宽（B）

经调洪计算，水库现状防洪水位较高，在地形条件允许，开挖工程量不大、下游保护目标较为重要的情况下，可考虑该方案。泰安市岱岳区彭家峪水库除险加固采取了该方案［6］，主溢洪道位于大坝西侧，为开敞式无闸控制宽顶堰形式，净宽38m，长86m，加固后在大坝左岸新开挖非常溢洪道，净宽27m，至今运行效果良好。

开挖非常溢洪道施工简单，不受已建工程制约，下泄流量大，提高了自身的防洪能力，但可能占用较多土地，给人民的生产生活带来一定影响，另外下泄洪水汇入下游河道，对下游河道行洪，造成一定影响，故该方案适用于地理位置特别重要的水库，亦需充分的技术经济比选后确定。

4 结语

通过对水文计算的分析确定溢洪道净宽（B）、溢洪道进口处水深（h）为水文计算的两个关键指标，并结合现状溢洪道控制段存在的问题，分析了该关键指标与溢洪道控制段加固方案之间的关系，得出在溢洪道控制段加固方案应采取保持现状宽度、拓宽、降低堰顶高程、拓宽结合降低堰顶高程和开挖非常溢洪道5种方案，为类似工程除险加固设计时提供参考。

［1］泰安市水利与渔业局工程管理站.泰安市水库大坝注册登记资料汇编［G］.2002.

［2］SL－252—2000，水利水电工程等级划分及洪水标准［S］.

［3］水利部.关于印发重点小型病险水库除险加固工程初步设计指导意见的通知［Z］.水总［2008］428号.2008－10－17.

［4］SL253—2000，溢洪道设计规范［S］.

［5］潘保存.泰安市岱岳区黄家庄水库除险加固工程施工图设计说明书［R］.2008.

［6］李超.泰安市岱岳区彭家峪水库除险加固工程施工图设计说明书［R］.2008.

Relation between hydrologic computation and reinforcement scheme of control part of the spillway in small reservoir

PAN Bao－cun

（Survey and Design Institute， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China）

Taking typical reservoirs’s method of flood mitigation in Huangjiazhuang reservoir of Shandong province as an example，getting the main hydraulic parameters of the spillway reinforcing programmes，and combining the problems existed in the control part of the spillway，researching on the relation between hydrologic computation and reinforcement scheme of the spillway in small reservoir.The results showed that the effective width and the depth of water at the entrance of spillway，which are intimate with the control part of the spillway’s scheme.It would be provided design reference for danger control and reinforcement of similar reservoir.

small reservoir；hydrologic computation；spillway；control part of the spillway

TV62＋1；TV122＋.3

A

1672-9900（2010）06-0009-03

2010－10－22

潘保存（1982－），男（汉族），山东聊城人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计研究，（Tel）13792104362。