张湾水库泄洪方案的优化比选

□贾鹏生 □张国辉 □杨 兴（南阳市水利建筑勘测设计院）

1.基本资料

张湾水库位于南召县皇路店镇西北约1.5km处张湾村张湾河上，属长江流域唐白河水系。坝址以上控制流域面积5km2，主河道长3.5km，河道平均比降0.006。张湾水库是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等综合利用的小[1]型水库，同时也是马沟灌区的调蓄水库。

马沟灌区渠首位于鸭河口水库右岸，凿洞以引库水，灌区总干渠从马沟隧洞出口至张湾水库，设计灌溉面积2333hm2。

张湾水库建成于1959年，原设计标准50年一遇，最高洪水位171.70m（吴淞高程，下同），总库容325万m3；兴利水位170.2m，相应库容210万m3。后由于马沟灌区总干渠经过张湾水库，运行方式发生改变，水库经改建后规划指标为:设计标准为50年一遇，校核标准为500年一遇，汛限水位164.0m，相应库容10万m3,设计水位168.35m，校核水位169.55m，总库容195万m3。本次规划其防洪标准为:30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。

张湾水库主要由大坝、溢洪道、输水洞等建筑物组成。大坝为均质坝，坝长400m。溢洪道位于大坝右岸，为开敞式溢洪道，长约170m，现状底宽20m，无护砌、无消能设施，出口被南阳—南召公路封堵，无法正常泄洪。输水洞位于大坝右端桩号0+390处，为开挖的隧洞，于1984年建成。输水洞全长71.5m，坡降1/200，洞身为直径2m的混凝土管，按无压洞计算最大泄流量5m3/s。进口引水明渠长20m，底宽2.6m，坡比1：0.5，通过4m长的渐变段把明渠段与喇叭口相连，渐变段末端底宽1.6m。

2.工程规模的确定

2.1 汛限水位及兴利水位的选择

张湾水库由于存在病险问题，尤其是溢洪道无法使用，为保证防洪安全，只得长期低水位运行，有效库容仅10余万m3，水库综合利用功能无法充分发挥，大量水资源白白浪费。本次除险加固的目的是在保证防洪安全的前提下，使水库尽可能多的蓄水，以发挥灌溉、供水、养殖以及景观等综合效益。

如以原设计兴利水位170.20m为汛限水位起调情况下，设计、校核情况下理论坝顶高程已经高于现状坝顶，且校核洪水位已超过坝顶最低处（171.58m）约40cm，会造成漫坝危险。

如以原暂定的汛限水位164m起调，设计、校核情况下理论坝顶高程低于现状坝顶高程，水库防洪能力可以满足，但是水库功能难以充分发挥，水资源浪费严重。

结合以上情况，在预防可能出现的洪水，确保大坝及下游安全的情况下，根据设计、校核情况下入库洪水过程，采用本次初步设计所确定的将现有输水洞改造成有压洞方案泄洪，并考虑到现状坝顶高程不加高的基本要求，经调洪演算反复试算，并结合张湾水库实际运行要求，确定水库汛限水位为168m，兴利水位与汛限水位一致，即兴利水位亦为168m，兴利库容100万m3，相应库容101万m3。

2.2 洪水调节和防洪特征水位的选择

经采用现有溢洪道开挖方案、新开泄水隧洞方案和调整现状无压输水洞为有压输水洞方案进行对比，最终确定采用将现有输水洞改造成有压洞方案泄洪。考虑不同水位下隧洞水流流态（无压流或是有压流、自由出流或是淹没出流）后计算得库水位与下泄流量关系，以水位168m为起调水位，按照不同频率入库设计洪水过程线，进行水库调洪计算，确定30年一遇设计洪水位169.05m，相应库容150万m3，最大下泄流量13.9m3/s；300年一遇校核洪水位170.83m，相应库容253.5万m3，最大下泄流量15.7m3/s。水库现状坝顶高程为171.58～173.52m。本次除险加固设计结合坝顶路面建设实际情况，确定坝顶高程为172m，除险加固后坝顶高程满足规范要求。

3.泄水方案的确定

由于溢洪道出口被省道堵住，且溢洪道内通往省道有村村通道路1条，路侧均为农田，高程均在165m左右。村村通路面距离省道路面高程差只有2m左右，做相应的工程措施比较困难且存在较大淹没赔偿问题，本次除险加固工程通过现有溢洪道开挖方案、新开泄水隧洞方案和调整现状无压输水洞为有压输水洞方案进行对比，采用调整现状无压输水洞为有压输水洞的方案泄洪。

3.1 工程方案

本次除险加固按照国家规定的设计洪水标准和水库运行调度方案，结合水库枢纽区的实际地形、地质情况，泄洪方案采用原溢洪道重建、新开泄洪洞及对原输水洞进行改造（由无压改为有压）3种方案进行比选。

方案1 原溢洪道重建-宽顶堰

包括控制段、泄槽段、消力池段、海漫段、防冲槽段和公路桥段，底宽均20m。具体布置形式为：控制段（0+000～0+006）为宽顶堰，堰顶高程为168.00m，堰体采用C20钢筋混凝土浇筑，堰高1m；堰后接消力池（0+006～0+024），池长 10m，池深 0.6m，底部高程 166.00m，边墙采用Mu60M7.5浆砌石砌筑；海漫段（0+024～0+032）底板采用浆砌石衬砌，底板高程为 166.60m；后接防冲槽段（0+032～0+196），底坡为0.01，底板高程166.60～164.96m，溢洪道全长196m。

在溢洪道桩号0+184～0+196之间修建交通桥一座。交通桥设计荷载采用公路Ⅱ级（折减）汽车荷载。交通桥梁全长20m，跨径为10m，桥面宽12m。

方案2 新开泄洪洞

新开泄洪隧洞位于水库右岸，包括进口渐变段、洞身段、出口渐变段、出口闸室段、明渠段、泄槽段、消力池段、海漫段。其中进口渐变段（0+000～0+004.5）底坡为平坡，进口底板高程为161.50m，进口段面为矩形，底宽5m，高3.5m，采用30cm厚C25钢筋混凝土浇筑，断面形式由矩形渐变为圆形。洞身段（0+004.5～0+174.5）底坡为1/200，底高程为161.50m，洞身为圆形，直径为2m，洞身壁厚30cm，C25钢筋混凝土结构。出口渐变段（0+174.5～0+1768.5），底坡为平坡，底高程160.65m，断面由圆形渐变为方形，方形的边长为1.6m。出口闸室段（0+178.5～0+182.5）底坡为平坡，底板高程为160.65，底板设检修闸门和工作闸门各1道，闸门尺寸为1.6m×1.6m。明渠段（0+182.5～0+192.1）底坡为 1/200，底高程 160.65 ～160.60，底宽 1.6m，C25 混凝土结构，厚40cm，边墙高2m，采用重力式挡墙形式，Mu60M7.5浆砌石砌筑。 消力池段（0+192.1～0+218.1），高程为 160.60～158.60m，采用40cm厚C25混凝土浇筑，边墙高4m，采用重力式挡墙形式，Mu60M7.5浆砌石砌筑。海漫段（0+218.1～0+228.1），底板高程为160.60m，底板采用Mu60M7.5浆砌石砌筑，厚40cm，边墙高2m，采用重力式挡墙形式，Mu60M7.5浆砌石砌筑。

方案3 原输水洞由无压改为有压方案

输水洞进出口段局部位于强风化岩石中，洞身位于弱风化岩石中，洞室围岩工程地质分类属Ⅲ类局部稳定性差围岩，岩体为花岗岩，属中硬岩石，强度较高，工程地质条件较好。

根据输水洞地形条件和现状情况，将现有的无压输水洞调整为有压洞，有压输水洞包括进口段、检修闸、洞身、工作闸和出口消力池等。

进口段为4.5m长的扭面，进口宽2.6m，底高程161.50m，比死水位低10cm，材料为0.3m厚的C20混凝土，两边墙采用C20混凝土挡土墙；用1.5m长喇叭段连接扭面与闸室，材料为C25钢筋混凝土，喇叭口进口高2.5m，宽2.0m。

进口设置检修闸门，闸门尺寸2.0m×2.0m。启闭塔采用C25钢筋混凝土结构，闸底板顶部高程为161.50m，尺寸为4.3m×3.4m（长×宽），闸墩厚0.7m，底板厚0.8m；高程168.30m处设检修平台，厚0.12m。

洞身采用钢衬，钢管厚6mm，外侧浇注30cm厚C25钢筋混凝土。

出口设置工作闸门。启闭塔采用C25钢筋混凝土结构，闸底板顶部高程为161.20m，尺寸为3.0m×3.0m（长×宽），闸墩厚0.7m，底板厚0.8m。

表1 泄水建筑物工程方案比较表

在输水洞出口处设6.0m长的斜坡段，坡比1：3，底宽1.6m渐变至3.6m，底板为40cm厚C20钢筋混凝土，两侧设C20混凝土重力式挡墙。斜坡段后接消力池，消力池长17m，池深1.9m，两侧设C20重力式挡墙，墙高4.6m。出口与泄洪闸、灌溉闸相连。

3.2 工程方案比较

对溢洪道重建、新开泄洪洞及对原输水洞进行改造三种方案进行比较：

3.3 工程方案确定

按照国家规定的设计洪水标准和水库运行调度方案，结合张湾水库溢洪道的实际地形、地质情况，综合考虑泄洪、技术、经济等因素进行方案比选。经以上3种方案比较，3种方案均能保证水库泄洪安全，但方案3投资较小，不涉及占地，外部协调任务小，实施相对容易。因此，泄洪方案采用原输水洞由无压改为有压方案，输水洞最大泄量由5m3/s提高至15.7m3/s，水库汛限水位由164m提高至168m，为充分发挥水库综合利用功效提供了保障。