潘保存

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 勘察設(shè)計(jì)研究院，山東 泰安 271018）

小型水庫(kù)水文計(jì)算與溢洪道控制段加固方案關(guān)系探討

潘保存

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 勘察設(shè)計(jì)研究院，山東 泰安 271018）

以山東省典型水庫(kù)——黃家莊水庫(kù)的洪水調(diào)節(jié)計(jì)算方法為例，得出影響溢洪道加固方案的主要水文參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)狀溢洪道控制段存在的問(wèn)題，分析水文計(jì)算與溢洪道控制段加固方案之間的關(guān)系，結(jié)果表明：溢洪道凈寬與溢洪道進(jìn)口處水深兩指標(biāo)與采取何種溢洪道控制段加固方案關(guān)系密切，可為類(lèi)似水庫(kù)工程的除險(xiǎn)加固提供設(shè)計(jì)參考。

小型水庫(kù)；水文計(jì)算；溢洪道；控制段加固方案

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2007年底，山東省山丘區(qū)共建成小型水庫(kù)5281座，占全省水庫(kù)總數(shù)的96.5%，其中小型險(xiǎn)庫(kù)3854座，占小型水庫(kù)總數(shù)的73%。由于受建庫(kù)時(shí)的歷史條件、工程技術(shù)等客觀(guān)因素的限制，很多水庫(kù)在缺乏基本的水文、地質(zhì)資料和必要的工程技術(shù)條件下就倉(cāng)促動(dòng)工，工程質(zhì)量存在很多缺陷，再加之50a來(lái)老化失修，已經(jīng)對(duì)水庫(kù)下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大威脅，對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固迫在眉睫。通過(guò)水文計(jì)算給水庫(kù)加固提供基本的水位、流量資料，溢洪道為一般小型水庫(kù)洪水下泄的唯一設(shè)施，以山東省為例，探討水文計(jì)算與溢洪道控制段加固方案之間的關(guān)系，對(duì)于解決水庫(kù)現(xiàn)有險(xiǎn)情，節(jié)約工程投資，具有十分重要的意義。

1 水文計(jì)算

山東省小型水庫(kù)一般位于山丘區(qū)，流域面積相對(duì)較小，大多小于30km2，流域內(nèi)缺少暴雨或流量等基礎(chǔ)資料，故采用暴雨等值線(xiàn)圖成果，小流域采用瞬時(shí)單位線(xiàn)法分配凈雨推求的洪峰流量值相對(duì)偏小，從工程運(yùn)行安全角度考慮，小型水庫(kù)水文以 《山東省小型水庫(kù)洪水核算辦法》（簡(jiǎn)稱(chēng)《辦法》）進(jìn)行計(jì)算。下面以黃家莊水庫(kù)的洪水調(diào)節(jié)計(jì)算方法為例，簡(jiǎn)單介紹該計(jì)算方法。

1.1 黃家莊水庫(kù)概況

黃家莊水庫(kù)位于泰安市岱岳區(qū)滿(mǎn)莊鎮(zhèn)黃家莊村北，屬大汶河流域漕河支流，水庫(kù)控制流域面積5km2。該水庫(kù)于1959年9月動(dòng)工興建，1966年6月竣工建成，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)灌溉333.33hm2，養(yǎng)魚(yú)水面面積20hm2，該水庫(kù)是以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的?。↖）型水庫(kù)［1］。

1.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

結(jié)合水庫(kù)原始資料，綜合考慮確定黃家莊水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)50a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)300a一遇［2］。

1.2.1 流域基本特征參數(shù)

（1）流域面積F。本工程流域面積為5km2。

（2）主要河道長(zhǎng)度L。從地形圖上量算本工程主要河道長(zhǎng)度4.5km。

（3）主河道比降J。 J取值為0.027。

（4）流域特征綜合參數(shù)。由附圖表查得：

（5）流域特征綜合參數(shù)。 k＝L/（J1/3F2/5）＝7.89。

根據(jù)“山東省部分縣（市、區(qū)）暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析成果表”查出工程地點(diǎn)以上流域中心多年平均最大24h降雨量24＝110mm，變差系數(shù)Cv＝0.57，取Cs＝3.5Cv，根據(jù)皮爾遜Ⅲ型曲線(xiàn)的模比系數(shù)Kp值表，查得Kp值，然后計(jì)算出某種頻率的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)24h暴雨量。

1.2.3 單位面積洪峰流量模數(shù)qm及最大洪峰流量Qm

根據(jù)流域特征綜合參數(shù)K和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降雨量H24，按工程地點(diǎn)所在位置和流域坡度、土壤土質(zhì)、植被等情況，查《辦法》泰沂山南山區(qū)qm～H24～k關(guān)系曲線(xiàn)，得出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的單位面積洪峰流量模數(shù)qm。將單位面積最大洪峰流量模數(shù)qm，乘以流域面積F，即可求得設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最大洪峰流量：Qm＝qm×F。

1.2.4 洪水總量的推求

以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最大24h暴雨量H24P%的75%，加上前期影響雨量Pa，經(jīng)P＋Pa～hR降雨徑流關(guān)系曲線(xiàn)求出凈雨hR，其中山區(qū)小型水庫(kù)的前期影響雨量Pa取40mm。以?xún)粲阧R乘流域面積F即得到洪水總量：W＝0.1hR×F（萬(wàn)m3）。

洪水過(guò)程按三角形計(jì)算，洪水歷時(shí)T（即三角形過(guò)程的底寬）按下式計(jì)算：

式中 W為洪水總量；Qm為最大洪峰流量。

漲洪歷時(shí)為1/3t，即最大洪峰Qm出現(xiàn)在1/3t的地方。依據(jù)《辦法》中的相關(guān)公式，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 各洪水標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)指標(biāo)表 單位：%

1.3 調(diào)洪演算

1.3.1 水庫(kù)水位、水深和溢洪道泄量q關(guān)系計(jì)算

黃家莊水庫(kù)為無(wú)閘控制的小型水庫(kù)，加固后溢洪道控制段設(shè)寬頂堰，凈寬57m，黃家莊水庫(kù)溢洪道泄量q的計(jì)算，采用以下簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算水庫(kù)不同水位溢洪道的相應(yīng)泄量，見(jiàn)表2。

式中 1.5為綜合流量系數(shù)；B為溢洪道寬度（m）；h為溢洪道堰頂以上的水深（m）。

表2 水庫(kù)水位～溢洪道泄量～庫(kù)容關(guān)系

1.3.2 調(diào)洪演算

調(diào)洪演算起調(diào)水位取溢洪道堰頂高程，頂高程為141.3m，根據(jù)《辦法》采用三角形調(diào)洪法進(jìn)行。

首先根據(jù)水庫(kù)的水位～泄量關(guān)系曲線(xiàn)和水位～容積曲線(xiàn)繪制溢洪道堰頂以上調(diào)洪庫(kù)容V調(diào)洪與下泄流量q的關(guān)系曲線(xiàn)，將該曲線(xiàn)繪在圖1的左方，其右方繪制入庫(kù)洪水過(guò)程線(xiàn)Q～t。

在v調(diào)洪坐標(biāo)軸上取一點(diǎn)A，用OA等于洪水總量W，過(guò)Qm作水平線(xiàn)交縱坐標(biāo)軸于B，連接AB，與V調(diào)洪～q曲線(xiàn)交于D，過(guò)D點(diǎn)作水平線(xiàn)交洪水過(guò)程線(xiàn)Q～t的退水段于C，則C點(diǎn)的坐標(biāo)表示最大下泄流 量 q，D 點(diǎn)的橫坐標(biāo)OD表示相應(yīng)的調(diào)洪庫(kù)容V調(diào)洪，根據(jù)水位～泄量關(guān)系，查出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的防洪水位，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

綜上，溢洪道凈寬（B）直接影響洪水出口處的寬度，而溢洪道進(jìn)口處水深（h）直接取決于堰頂高程，兩個(gè)指標(biāo)為洪水調(diào)節(jié)計(jì)算的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

2 小型水庫(kù)現(xiàn)狀溢洪道控制段存在問(wèn)題

2.1 水庫(kù)行洪能力差

山東省小型水庫(kù)多建于20世紀(jì)50～60年代，建庫(kù)以來(lái)沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)治理，現(xiàn)狀溢洪道控制段斷面坑洼不平，行洪斷面過(guò)窄，造成水庫(kù)行洪能力不足，嚴(yán)重威脅大壩安全。

2.2 溢洪道無(wú)閘控制

大部分水庫(kù)溢洪道基本無(wú)閘控制，使下游河道行洪壓力過(guò)大。

2.3 人為破壞

有些缺水嚴(yán)重地區(qū)，為人畜飲水，未經(jīng)水利主管部門(mén)許可，人為加高溢洪道頂高程，使水庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容減小，不能發(fā)揮水庫(kù)的調(diào)洪滯洪作用。

2.4 溢洪道巖石風(fēng)化嚴(yán)重和地質(zhì)條件欠佳

部分水庫(kù)溢洪道兩岸邊坡較陡，沿節(jié)理裂隙風(fēng)化后產(chǎn)生掉塊，對(duì)兩岸邊坡穩(wěn)定極易產(chǎn)生不利影響，溢洪道基底巖石風(fēng)化嚴(yán)重，局部為寬大的強(qiáng)風(fēng)化巖體，影響泄洪，下游大都無(wú)消能防沖設(shè)施。

2.5 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低

少數(shù)水庫(kù)溢洪道控制段兩岸建有擋土墻，但因砌石砂漿強(qiáng)度較低，運(yùn)行50a來(lái)風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，且擋土墻只在壩端局部設(shè)置，對(duì)大壩裹頭形成保護(hù)，當(dāng)泄洪量較大時(shí)極易沖毀下游壩腳。

3 水文計(jì)算與溢洪道控制段加固方案的關(guān)系

小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固本著解決現(xiàn)狀問(wèn)題、盡量不加高大壩，節(jié)省投資的原則［3］，結(jié)合實(shí)際地形、溢洪道控制段［4］，一般應(yīng)采取保持現(xiàn)狀寬度、拓寬、降低堰頂高程、拓寬結(jié)合降低堰頂高程、開(kāi)挖非常溢洪道5種方案。

3.1 保持現(xiàn)狀寬度

根據(jù)《辦法》，山東省山丘區(qū)小型水庫(kù)的庫(kù)容系數(shù)為0.8～1.5，即認(rèn)為是適宜的，一般取0.9～1.2。 根據(jù)水文計(jì)算成果，當(dāng)庫(kù)容系數(shù)合適、現(xiàn)狀壩頂高程滿(mǎn)足防洪要求時(shí)，可采用該方案，為保證水流平順，控制段一般采取新建寬頂堰。

該方案除施工簡(jiǎn)單，節(jié)約資金外，還能夠最大限度地發(fā)揮水庫(kù)的興利功能；對(duì)于有原始資料的水庫(kù)該方案應(yīng)用較為廣泛。

3.2 拓寬溢洪道凈寬（B）

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，水庫(kù)防洪水位較高，需要加高壩頂高程，為節(jié)省投資，在盡量少占用土地的條件下，可采取拓寬溢洪道寬度，增設(shè)壩頂防浪墻的方案，泰安市岱岳區(qū)黃家莊水庫(kù)除險(xiǎn)加固采取該方案，將溢洪道控制段凈寬（B）由40m加寬為57m［5］，加固后運(yùn)行良好。

溢洪道拓寬，施工簡(jiǎn)單，節(jié)約資金，還能夠最大限度地發(fā)揮水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益，但拓寬溢洪道會(huì)占用土地，另外擴(kuò)寬后，水庫(kù)下泄流量大，會(huì)對(duì)水庫(kù)下游未按防洪標(biāo)準(zhǔn)治理的河道產(chǎn)生不利影響。

3.3 降低溢洪道堰頂高程

水庫(kù)防洪水位較高，水庫(kù)現(xiàn)狀條件下，兩岸又不允許占用土地，需要抬高壩頂高程。為節(jié)省工程投資，可采取該方案。

降低溢洪道堰頂高程，不占用土地，水庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容增大，提高了水庫(kù)的防洪能力，但山丘區(qū)水庫(kù)溢洪道底部一般為微風(fēng)化、弱風(fēng)化巖石，可能需要爆破開(kāi)挖，另一方面正常蓄水位降低，對(duì)有興利要求的水庫(kù)，可能對(duì)以后生產(chǎn)生活帶來(lái)不利影響，除此之外，溢洪道挖深后，兩岸擋土墻高度相應(yīng)加大，對(duì)大壩裹頭及兩岸邊坡穩(wěn)定、正常交通帶來(lái)不利影響。

3.4 拓寬與開(kāi)挖結(jié)合

對(duì)于兩岸缺少拓寬溢洪道條件且對(duì)興利要求不大的水庫(kù)，可采取拓寬結(jié)合下挖、新建防浪墻方案。

該方案綜合了上述兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)最大限度地減小了兩方案的不足，不但節(jié)約資金，而且提高了水庫(kù)的防洪能力，該方案在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛。

3.5 開(kāi)挖非常溢洪道，增加凈寬（B）

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，水庫(kù)現(xiàn)狀防洪水位較高，在地形條件允許，開(kāi)挖工程量不大、下游保護(hù)目標(biāo)較為重要的情況下，可考慮該方案。泰安市岱岳區(qū)彭家峪水庫(kù)除險(xiǎn)加固采取了該方案［6］，主溢洪道位于大壩西側(cè)，為開(kāi)敞式無(wú)閘控制寬頂堰形式，凈寬38m，長(zhǎng)86m，加固后在大壩左岸新開(kāi)挖非常溢洪道，凈寬27m，至今運(yùn)行效果良好。

開(kāi)挖非常溢洪道施工簡(jiǎn)單，不受已建工程制約，下泄流量大，提高了自身的防洪能力，但可能占用較多土地，給人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)一定影響，另外下泄洪水匯入下游河道，對(duì)下游河道行洪，造成一定影響，故該方案適用于地理位置特別重要的水庫(kù)，亦需充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后確定。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水文計(jì)算的分析確定溢洪道凈寬（B）、溢洪道進(jìn)口處水深（h）為水文計(jì)算的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，并結(jié)合現(xiàn)狀溢洪道控制段存在的問(wèn)題，分析了該關(guān)鍵指標(biāo)與溢洪道控制段加固方案之間的關(guān)系，得出在溢洪道控制段加固方案應(yīng)采取保持現(xiàn)狀寬度、拓寬、降低堰頂高程、拓寬結(jié)合降低堰頂高程和開(kāi)挖非常溢洪道5種方案，為類(lèi)似工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

［1］泰安市水利與漁業(yè)局工程管理站.泰安市水庫(kù)大壩注冊(cè)登記資料匯編［G］.2002.

［2］SL－252—2000，水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］水利部.關(guān)于印發(fā)重點(diǎn)小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)的通知［Z］.水總［2008］428號(hào).2008－10－17.

［4］SL253—2000，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］潘保存.泰安市岱岳區(qū)黃家莊水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)［R］.2008.

［6］李超.泰安市岱岳區(qū)彭家峪水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)［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（漢族），山東聊城人，助理工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)研究，（Tel）13792104362。