平原围封水库的进、出水设计

高胜利

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程简介

平原地区年径流量特点是季节上分配不均、地表径流损失严重，为实现该地区内径流的合理优化，达到丰蓄枯用，修建平原蓄水水库是平原地区蓄水保水的一种切实有效的方法。

耿庄水库是位于山西省万家寨引黄入晋工程北干线向朔州市供水线路末端的调节水库，主要任务是向朔城区供水和事故调节。引黄工程北干线将黄河水送入耿庄水库，来水穿过库区送入朔州水厂，供朔城区工农业及人畜用水。同时如果引黄北干线供水干管出现问题需要检修，耿庄水库也可以收纳一部分管道弃水。由于引黄水含沙量较大，干线来水进入耿庄水库以后，在水库的进出水口之间低速流动时，进行了水质交换。进水口处来水在运行至出水口的过程中大部分泥沙沉淀于库底，出水口处经过澄清的水再送入朔州水厂，缓解了朔州水厂水处理的部分压力。

2 设计概要

一般来说，平原围封水库宜修建在库址区平坦的地形上，容易做到挖填平衡，降低库盆周围最大坝高。由于地形条件的限制，耿庄水库选择修建在坡地上。库址区地形北高南低，高差10余m，纵坡达1.4%。在这样的地形上修建平原水库难度较大，考虑的因素也比较多，设计时主要指导原则有两个：一是尽量做到挖填平衡，不买土少弃土；二是最大坝高不宜太高，减小失事风险。基于以上考虑，同时为不间断向朔城区供水，耿庄水库最终按双库设计，库盆为台阶区域式，即库底并非传统的在同一个高程上，而是沿水流方向设置了2～3个台阶区域（Ⅰ库2个台阶，Ⅱ库3个台阶），每个台阶区域拥有一定的积水面积。

这样多平台库底设计最大的好处是因势制宜，较小挖方，减少弃土。美中不足在于库区南端坝高相对较大，且全部处于填方段。

两库库容均为118万m3，总库容236万m3，最大坝高10m，为小Ⅰ型水库，主要技术节点有进、出水系统、库盆防渗系统、坝基地基处理以及监测系统等。耿庄水库的平面布置见图1。

3 进、出水设计

图1 耿庄水库平面布置简图

与拦河水库相比，平原围封水库受天然地貌约束较小，设计者可以充分发挥聪明才智，在合理正确的基础上设计的自由度更大一些。在确定了水库规模和位置的前提下，水库的进出水口布置显得尤为重要。拦河水库一般不设进水口和出水口。拦河水库的进水依靠天然河道汇集径流，来水超过设计库容时靠泄水闸门或溢流堰泄洪，不专门设置出水口。

平原围封水库不然，由于其功能和结构的特殊性需要专门设置进水口与上游来水衔接，专门设置出水口与下游用水户衔接。进水形式的选择非常重要，一般来说进水口置于水库正常蓄水位以上，通过自流方式取水较为有利。同时，来水自流入库会对库区产生冲刷，需要进行消能设计消除富裕水头。出水口是连接水库与下游用水户的特殊建筑物，设置在坝下。由于坝下取水导致的水库渗漏事件极为常见，因此出水形式的选择也极其重要。

耿庄水库形状鸟瞰为椭圆形，水库进水口位于库区正北端第一台阶区域上游，出水口位于库区南端末级台阶区域底部。

耿庄水库进水口是北干线朔州支线与水库的连接建筑物，位于大坝北部，入库设计流量1.6m3/s。进水形式为引黄管线压力流流经耿庄水库进水调压井，调压井一级消能后通过进水箱涵和进水闸门流入库区，水流入库消能型式为挖深式底流消能，进水口建筑物主要由调压井、进水箱涵、进水闸室、消能工和出口护坦组成，Ⅰ库为正向取水、Ⅱ库为侧向取水。

耿庄水库出水口是为朔州市供水而设，位于水库的南部、库区地形较低的位置，出库设计流量均为1.4m3/s，采用坝下廊道内套管型式与朔州水厂供水管线相接。出水线路上布设有检修阀、工作阀和流量计等，主要建筑物由进口段、坝下廊道、出水线路连接段、控制阀井及与朔州水厂供水线路衔接段组成。

从进出水流态考虑，进水口和出水口轴线夹角应不小于90°，否则不利于水质交换，也容易形成死水区。由于引黄水含泥沙较大，水库运行一定时间以后必定出现淤积问题。耿庄水库拟采用干法清淤。根据耿庄水库的双库特点和北干线供水运行方式，泥沙的处理在水库运行若干年后的9月末开启泄水阀排空水库，经2个月晾干后采用挖掘机清淤，次年1月清淤工作完成后正常充库。由于双库设置，两库交替清淤，可以保证朔城区供水不间断。

4 模型试验

耿庄水库来水从水库穿行，进、出水建筑物的布置必须满足水库水交换的要求，不允许出现死水区。为了验证工程进、出水口的布置能否满足水库水交换的要求，对水库不同水力工况进、出水交换过程进行了模型试验，为工程的布置提供依据。

水库水源来自于黄河水，泥沙含量较大，泥沙沉积处理一直是引黄工程一大难题，耿庄水库按双库设计，利用干法清淤，这是水利工程一大创新。为了积累经验，管理便利，为设计提供重要理论依据，进行了模型试验，确定进水挟裹的泥沙沉淀区域，以指导设计。

试验结果显示在试验要求的各个工况，在正常水库水位区间运行时，水库库区不存在死水区。水库进口消力池采用底流式消能，有效消除水流余能。护坦区域能够包含水流冲刷范围，保护库底不受水流冲刷。

水库正常运行后，进水口区域首先出现泥沙沉积，然后以扇形形状从进水口沿水流方向向外扩散。在最大流量1.6m3/s下，水库满库运行三年后，泥沙淤积主要集中在第一台阶（进水口区），而且还未淤满，出水口区域淤积很少，具体淤积范围见图2。

图2 水库满库运行三年后泥沙淤积范围示意图

根据多个平原区围封水库调查统计，进水流量稳定、流速较小的水库，泥沙沉积一般都集中在进水口消能工外的冲积扇区域内。由于流速较小，水流无法将淤积泥沙向下游搬运。本试验也充分证明了这点。由于泥沙淤积主要集中在第一台阶（进水口区），那么工程设计中在这一区预留了清淤车辆通道，而且在试验显示的清淤区域库底上加铺一层砂砾料，以利于干法清淤。

5 结语

兴建平原围封蓄水水库，对地区农业生产和国民经济发展有着重要的意义。本文从实际工程出发，对耿庄水库的进、出水设计理念进行了阐述，也从水力模型试验中印证了设计的合理性。本文研究成果有一定的实际应用价值，可以供类似工程参考。