商洛市洛南县东湖水库溢洪道设计及分析

2021-07-15朱少文

陕西水利 2021年6期

朱少文

(西安景天水利水电勘测设计咨询有限公司，陕西西安 710014)

1 引言

溢洪道是东湖水库的重要组成部分，由进口段、连接段、控制段、泄槽段、消能段和尾水渠段组成。东湖水库建设于1958年，工程竣工后交付永丰镇东湖村委会管理，有3名管理人员。工程运行60多年来，对缓解灌区用水矛盾，增加抗御自然灾害能力，保护人民生命财产安全，促进当地农业增产和保证社会稳定发挥了重大作用。但由于水库工程质量较差，建成蓄水以来，枢纽工程问题较多，水库效益难以发挥，直接影响灌区农民经济收入。

2 工程概况

东湖水库始是一座以灌溉为主，并兼有防洪功能的小(2)型水利枢纽工程。东湖水库坝址以上控制流域面积2.5 km2，主沟长约2.5 km，河床平均比降16.9‰。东湖水库原设计水库总库容45万m3，正常蓄水位214.60 m，设计洪水位215.00 m，校核洪水位215.90 m，兴利库容39万m3；东湖水库除险加固后水库总库容47.62万m3，正常蓄水位1095.50 m，设计洪水位1096.90 m，校核洪水位1097.70 m，兴利库容27.05万m3。

东湖水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水设施等组成。

大坝为黏土心墙坝。现状坝顶高程1098.40 m，最大坝高16.20 m，坝顶长105 m，宽5 m，大坝迎水坡比1∶2.77，干砌石砌护，上部2 m高度无干砌石砌护，背水坡坡比1∶2.5，下游坝坡堆积杂物顶宽9 m，堆积坡比1∶1.6，坡面无排水设施和无排水体。

原设计溢洪道位于大坝右岸，为梯形开敞式溢洪道，溢洪道采用宽顶堰型式，堰长20 m，堰宽2.7 m，溢洪水深1.0 m，溢洪量为30 m3/s，溢洪道开挖在粘土上，比降为1/20，溢洪道进口被回填变成道路，下游无消能防冲设施。

3 水文

3.1 流域概况

东湖水库于1958年12月竣工，是一座以灌溉为主，并兼有防洪功能的小(2)型水库。水库位于洛南县永丰镇东湖村。东湖水库坝址以上控制流域面积2.5 km2，主沟长约2.5 km，河床平均比降16.9‰。

3.2 气象

水库所处位置属于暖温带南缘季风性湿润气候。由于群山连绵，起伏悬殊，具有明显山区气候特征。季风影响明显。冬季气候寒冷，雨雪稀少，为一年中干燥季节；春季气温回升较快，降水逐渐增多，如果伴有大风，土壤蒸发加剧，极易形成春旱，当寒潮入侵时，往往出现冻害；夏季是一年中最高气温季节，也是降水量最大的季节，雨量集中，多有雷阵雨、暴雨出现，有时伴有冰雹，有时还出现局部伏旱和夏旱；秋季气温速降，初期多有连阴雨，常常形成涝灾，末期偏少，天气晴朗，秋高气爽。总的气候特点是：四季分明，气候温和，雨量充足，夏无酷暑，冬无严寒。

3.3 径流

东湖水库所在流域无实测径流资料，东湖水库坝址以上控制流域面积为2.5 km2。采用多年平均径流深经验公式法，根据《商洛地区实用水文手册》(以下简称《水文手册》)多年平均年径流深等值线图和Cv等值线图查得东湖水库以上流域中心的多年平均年径流深为270 mm。变差系数Cv=0.6，取Cs=2Cv，采用P-Ⅲ型频率分布曲线，求的多年平均径流量为67.5万m3。

3.4 洪水

东湖水库流域内无水文站和雨量站，属无资料地区。同时，水库无观测资料，无法利用水库观测资料反推入库流量。因此借用《水文手册》进行设计洪水推求。本次洪峰流量采用汇水面积相关法、综合参数法和暴雨资料推求法计算分析，最终选择暴雨资料推求法计算结果作为本次设计洪峰流量依据，即200 a一遇洪峰流量为54.4 m3/s，20 a一遇洪峰流量为27.5 m3/s。

3.5 泥沙

经实测，目前东湖水库淤积高程为1087.10 m，工程运行60多年，水库总淤积量1.1万m3，多年平均淤积0.02万m3。

4 溢洪道设计

4.1 溢洪道布置

1)溢洪道轴线选择

根据现状地形地质条件，大坝左岸为光伏产业园，不具备布设溢洪道条件，右岸坝肩为山体，周围无重要建筑物及设施，仅有一条上坝道路，该处修建溢洪道，需修建跨溢洪道桥，建成后，库水可敞泄至下游。

综上考虑，将溢洪道布置于大坝右岸，新建溢洪道由进口段、连接段、控制段、泄槽段、消能段和尾水渠段组成，全长140.0 m。

2)溢洪道进口高程选择

溢洪道进口高程选择愈低愈有利于泄洪，但进口过低，则因开挖量大而增加投资，且会导致兴利库容减少，水库效益难以发挥，直接影响灌区的正常灌溉。溢洪道进口是倒坡，进口高程取1095.50 m。

3)进口段(K0+000～K0+014)

进口段采用曲面导水墙形式，右侧导墙长15 m，左侧长13 m，底板倾向上游，坡比i=0.01，矩形断面型式，宽度由6 m渐变至3 m，两侧翼墙及底板均采用C25钢筋砼进行浇筑，厚度为0.3 m，墙顶与校核洪水位协调一致，底板前后设置齿槽，厚度为0.3 m，进口处齿槽深1.0 m，与连接段衔接处齿槽深0.5 m。为降低挡土墙后地下水位，减少静水压力，在挡墙上设置排水孔，排水管采用Φ50PVC管，布置一排，排水孔距离底板0.5 m。

4)连接段(K0+014～K0+019)

本次设计在进水口弯道段与控制段之间设置连接段，以保证水流平顺进入控制段，连接段长5 m，矩形断面型式，宽度为3 m，两侧翼墙及底板均采用C25钢筋砼进行浇筑，厚度为0.3 m，底板前后设置齿槽，齿槽深0.5 m，厚度为0.3 m。墙顶由校核洪水位渐变至与坝顶高程齐平。边墙设Φ50PVC排水孔，布置方式与进口段一致。

5)控制段(K0+019～K0+025)

新建溢洪道控制段采用开敞式无坎宽顶堰，堰厚6 m，宽3 m，堰顶高程是1095.50 m，墙顶高程是1098.40 m，坝顶高程为1098.40 m，墙顶高程和坝顶高程齐平。矩形断面形式，宽度为3 m，两侧翼墙及底板均采用C25钢筋砼进行浇筑，厚度为0.3 m，底板前后设置齿槽，齿槽深0.5 m，厚度为0.3 m。边墙设Φ50PVC排水孔，布置方式与进口段一致。

6)泄槽段(K0+025～K0+125)

泄槽段坡比i=0.18，矩形断面形式，宽度为3 m，两侧翼墙及底板均采用C25钢筋砼进行浇筑，厚度为0.3 m，翼墙高度随水面线由高到低减变，每10 m设置一道伸缩缝，缝宽2 cm，采用聚乙烯泡沫板填充。翼墙设Φ50PVC排水孔，布置方式与进口段一致。

7)消能段(K0+125～K0+135)

桩号K0+125～K0+135为消能段，其形式为底流消能，消力池为等宽矩形，采用C25钢筋砼进行浇筑，池宽3 m、池深1.0 m、池长10 m，翼墙高2.1 m，墙身设Φ50PVC排水孔，布置方式与进口段一致；底板结构为30 cm厚C25钢筋混凝土结构，底板设Φ50PVC排水孔，孔距2.0 m，呈梅花型布置，底部设30 cm厚砂砾石反滤层。

8)尾水渠段(K0+135～K0+140)

桩号(K0+135～K0+140)为尾水渠段，矩形断面形式，宽度为3 m，两侧翼墙及底板均采用C25钢筋砼进行浇筑，厚度为0.3 m，底板末端设置齿槽，齿槽深1.0 m，厚0.3 m。墙身设Φ50PVC排水孔，布置方式与进口段一致。

4.2 溢洪道水力计算

1)控制段泄流能力计算

溢洪道堰型采用无坎宽顶堰，堰宽为3.0 m，堰厚为6.0 m，校核洪水位1097.70 m，设计洪水位1096.90 m，堰顶高程1095.50 m，根据工程实际情况，堰泄流公式采用《溢洪道设计规范》中A.2.3式：

式中：m为流量系数，与相对上游堰高P1/H及堰头形式有关，本工程为无坎宽顶堰，其值查《溢洪道设计规范》中表A.2.3-1取0.385；ε为侧收缩系数，采用《溢洪道设计规范》中A.2.3-2式计算；B为堰宽，b=3.0 m；H0为堰前计入行进流速水头的堰上总水头，取H0=H，H为堰顶净水头。

设计水位及校核水位时泄洪能力，见表1。

表1 溢洪道泄洪能力计算表

根据水库调洪演算要求：设计泄量Q=8.6 m3/s，校核泄量Q=16.8 m3/s。

2)泄槽段水力计算

泄槽段长100 m，坡比i=0.18，按设计流量及校核流量两种工况进行计算，即设计下泄流量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，确定泄槽断面。

掺气水深采用《溢洪道设计规范》，公式hb=(1+ζv/100)h，hb为计入波动及掺气的水深(m)，h为不计入波动及掺气的水深(m)，v为不计入波动及掺气的计算断面上的平均流速(m/s)，ζ为修正系数，一般取ζ=1.0 s/m～1.4 s/m。按设计流量及校核流量两种工况计算。

设计墙高采用校核工况时的设计成果，两侧砌护高度为掺气后水深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，为下挖式消力池。消力池的设计标准为P=5%洪水标准，即以设计工况时对应的洪水为消力池的设计标准，设计工况下下游水位为0.56 m，下游河床高程为1078.40 m。

消力池的结构尺寸计算按等宽矩形断面下挖式消能计算公式进行。《溢洪道设计规范》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为消力池深，m；σ为水跃淹没度，可取σ=1.05；h2为池中发生临界水深时的跃后水深，m；Fr1为收缩断面弗劳德数；h1为收缩断面水深，m；v1为收缩断面流速，m/s；ht为消力池出口下游水深，m；Δz为消力池尾部出口水面跌落，m；Q为流量，m3/s；b为消力池宽度，m；Δz为消力池出口段流速系数，可取0.95；L为自由水跃的长度，L=6.9(h2-h1)，其中，h1为收缩断面水深。

消力池计算结果见表2。