樊灝

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西太原 030002）

建國以來，山西省建設(shè)各類大小水庫700多座，它們在防洪保安、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村及小城鎮(zhèn)生活用水等方面都發(fā)揮著重要的作用。但是由于其中的大部分都興建于上世紀(jì)50～70年代，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工等方面條件的限制，加上經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，普遍存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、工程質(zhì)量差、隱患多等問題，嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。水庫除險(xiǎn)加固是防洪保安的重要措施，對北方干旱地區(qū)而言還有抗旱蓄水的特殊意義。水庫病險(xiǎn)帽子摘不掉，不但汛期存在安全隱患，而且還面臨著有水不敢蓄的難堪局面。

提高現(xiàn)有水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)，是除險(xiǎn)加固工程的首要目標(biāo)。一般而言，主要包括三個(gè)方面的工程改造措施：一是適當(dāng)加大壩高，提高調(diào)蓄能力；二是改造泄洪設(shè)施，增加泄洪流量；三是加高大壩與改造泄洪設(shè)施并舉。無論采取哪項(xiàng)措施，都應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，具體情況具體分析，爭取做到既滿足工程防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，又達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理。本文以五曲灣水庫除險(xiǎn)加固工程防洪設(shè)施改造為研究對象，通過對各種改造措施的比選分析，提出提高工程防洪標(biāo)準(zhǔn)的建議方案，對水庫除險(xiǎn)加固規(guī)劃和設(shè)計(jì)有一定的研究意義和應(yīng)用價(jià)值，其研究方法也可為其它類似小型水庫除險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 五曲灣水庫的簡介

1.1 工程概況

五曲灣水庫位于晉中市惠濟(jì)河西支中游，水庫始建于1972年9月，由于出現(xiàn)質(zhì)量問題，1974年10月停建，至今一直是半拉子工程。水庫現(xiàn)狀總庫容為188萬m3，壩高30m，樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞組成。

大壩為均質(zhì)碾壓土壩，壩高30m，壩頂長300m，寬6m。上游壩坡為干砌石護(hù)坡，下游為草皮護(hù)坡，壩腳設(shè)反濾排水棱體。溢洪道位于大壩右端，為開敞式溢洪道，全長150m，寬14m；右側(cè)為原山體開挖而成，左側(cè)為漿砌石側(cè)墻護(hù)砌，溢洪道出口接巖石跌水。輸水洞建于大壩左側(cè)，原設(shè)計(jì)為漿砌石半圓拱形無壓結(jié)構(gòu)，在施工過程中，涵洞發(fā)生不均勻沉陷，洞內(nèi)出現(xiàn)裂縫，后在洞中套入圓形承壓鋼管，鋼管出口設(shè)閘閥控制出流，出口后接一梯形輸水明渠，下接河床。

1.2 水庫現(xiàn)存的主要問題

（1）大壩上游干砌石護(hù)坡風(fēng)化損壞嚴(yán)重，局部淘刷嚴(yán)重，有塌落現(xiàn)象；下游壩坡只在右端設(shè)一條長10m的縱向排水溝，汛期暴雨極易造成壩坡沖刷；壩腳排水設(shè)施已損壞，壩頂無防浪墻。

（2）水庫建設(shè)過程中，出現(xiàn)了質(zhì)量問題而導(dǎo)致前壩填筑到30m、后壩至21m時(shí)，工程被迫停工，大壩填筑為半拉子工程。

（3）由于壩基處理不徹底，兩壩肩結(jié)合部處理也不好，當(dāng)庫水位蓄至溢洪道進(jìn)口高程時(shí)，壩基有5處發(fā)現(xiàn)滲水逸出，大壩下游右側(cè)1km外的山體內(nèi)也有滲水出流。

（4）現(xiàn)狀溢洪道為原施工時(shí)留下的臨時(shí)溢洪道，左側(cè)墻漿砌石部分水泥砂漿剝落，襯砌破壞嚴(yán)重，并出現(xiàn)部分坍陷，右側(cè)為原山體開挖而成，未做任何處理；人行橋欄桿全部損壞，鋼筋裸露；無消力池，無閘門等控制啟閉設(shè)施。

（5）輸水洞進(jìn)口淤積嚴(yán)重，已形成漏斗；涵洞內(nèi)鋼管運(yùn)行多年，銹蝕嚴(yán)重，有的部位腐蝕成眼，出現(xiàn)冒水現(xiàn)象；閘閥老化失修，常年浸水，絲扣銹損，滾輪磨損，產(chǎn)生絲桿脫扣、滾輪脫軌現(xiàn)象，啟閉失靈，且漏水嚴(yán)重；啟閉間年久失修，已多處開裂；涵洞出口輸水渠左側(cè)巖石風(fēng)化坍落，渠底沖刷嚴(yán)重，凹凸不平。

（6）大壩沒有設(shè)置浸潤線、滲流等觀測設(shè)施。

1.3 水庫的防洪評價(jià)結(jié)論

根據(jù)水庫多年的運(yùn)行管理情況，選擇管理處提供的汛限水位17.5m（從壩底算起的相對高程，下同）為起調(diào)水位；水庫現(xiàn)狀壩頂高程為30m，頂部無防浪墻；水庫的泄洪設(shè)施為溢洪道。經(jīng)過計(jì)算復(fù)核，水庫現(xiàn)狀規(guī)模僅能滿足5年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)，不達(dá)規(guī)范要求，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，五曲灣水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達(dá)到30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。

2 防洪設(shè)施改造方案的分析計(jì)算

為了提高水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)，必須對水庫現(xiàn)有防洪設(shè)施進(jìn)行改造。如前所述，工程改造措施包括三種，即加高大壩、改造泄洪設(shè)施和兩措施并舉。針對五曲灣水庫的實(shí)際情況，由于工程建設(shè)過程中壩體出現(xiàn)了不均勻沉陷等質(zhì)量問題而被迫停工，而至今未對大壩進(jìn)行任何處理；溢洪道是由原施工時(shí)留下的臨時(shí)泄槽改造而成，多年運(yùn)行而未進(jìn)行維護(hù)，已不能滿足安全泄洪的要求，且經(jīng)計(jì)算其現(xiàn)有泄洪能力很低。因此，僅靠單純加高壩體而不提高溢洪道泄洪能力使工程防洪達(dá)標(biāo)，會(huì)產(chǎn)生較高的工程費(fèi)用，這一措施是不可取的，下面對其他兩個(gè)措施進(jìn)行分析。

2.1 改造泄洪設(shè)施

這里是指通過拓寬溢洪道或降低其底高程等措施，加大泄洪能力，而不加高壩體，使水庫滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求的方法。

1）洪水計(jì)算

由于水庫流域范圍內(nèi)無水文站及適宜的雨量資料，水庫管理站斷續(xù)的庫水位觀測資料無法滿足入庫洪水還原需要，所以本次洪水采用1991年山西省水利廳編制的《山西省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊》中推薦的“推理公式配合概化過程線”進(jìn)行計(jì)算。

五曲灣水庫上游控制流域面積92km2，其中森林區(qū)40km2，石山區(qū) 52km2，流域長度 16.2km，平均寬度 5.7km，河道縱坡36‰。水庫的暴雨分區(qū)屬于中區(qū)，流域地類為半干旱區(qū)的砂巖石山“飽和產(chǎn)流”區(qū)，匯流地類為“一般山區(qū)”，經(jīng)計(jì)算得到的設(shè)計(jì)洪水和校核洪水過程線見圖1所示。

圖1 計(jì)算洪水過程圖

2）溢洪道泄流能力計(jì)算

五曲灣水庫溢洪道泄量能力計(jì)算取5個(gè)堰頂寬度，即現(xiàn)狀寬度14m，設(shè)計(jì)寬度20m、25m、30m、35m，計(jì)算公式采用寬頂堰的泄流公式進(jìn)行，因此，可以得到上述5個(gè)寬度下溢洪道的泄流曲線，見圖2。

圖2 溢洪道的水位～泄量關(guān)系曲線

這里沒有考慮降低溢洪道的底高程，是因?yàn)樗畮炷壳坝俜e嚴(yán)重，其淤積高程距離現(xiàn)狀溢洪道底高程僅9m，底高程對應(yīng)的水庫庫容還不到50萬m3，如果再降低溢洪道底高程，水庫的蓄水能力會(huì)進(jìn)一步降低，水庫將無法正常運(yùn)用。

3）水庫調(diào)洪計(jì)算

調(diào)洪計(jì)算采用靜庫容法、水庫水量平衡方程進(jìn)行，應(yīng)用試算法求解[1]。計(jì)算的起調(diào)水位采用水庫的汛限水位17.5m，水位～庫容曲線采用2008年底管理處提供的實(shí)測庫容～水位曲線。因此，可以得到溢洪道各個(gè)設(shè)計(jì)堰頂寬度的水庫調(diào)洪結(jié)果，見表1。表中超過高程30m以上數(shù)據(jù)，是根據(jù)水位～泄量～庫容曲線外延得到的。

表1 水庫調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果（單位、水位，m；流量，m3/s）

4）壩頂超高復(fù)核

壩頂超高采用碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中的公式進(jìn)行計(jì)算，超高部分包括波浪爬高、風(fēng)雍高度和安全超高，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 壩頂高程計(jì)算成果表（單位：m）

因此，要想滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，在不加高壩體的前提下，溢洪道寬度必須拓寬到30m，此時(shí)的計(jì)算頂高程超過現(xiàn)狀壩頂高0.277m，只需在現(xiàn)狀壩頂加設(shè)0.3m以上高的防浪墻即可滿足要求。

2.2 加高大壩和改造泄洪設(shè)施并舉

這是指在拓寬改造溢洪道的同時(shí)，適當(dāng)加大壩高，使其既能滿足防洪要求，又不至于總的工程量太大。這是由于單純改造泄洪設(shè)施，雖然提高泄洪量，但是由于其泄量較大，必須在改造泄洪設(shè)施的同時(shí)，對下游可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行安排和處理，以減小或避免下游損失，這就使得整修溢洪道消能防沖設(shè)施以及下游河道整治等的工程量較大。而適當(dāng)?shù)募哟髩胃?，即可以提高水庫的調(diào)蓄能力，減小水庫的下泄流量。因此，兩項(xiàng)措施并舉，既可以減少增加壩高而帶來的工程量，又可以增加泄洪量，做到上下游兼顧。

在適當(dāng)加大壩高的同時(shí)，可以考慮適當(dāng)提高溢洪道的底高程，這樣做可以增加水庫的蓄水量，也就增大了水庫的效益。下面的計(jì)算分為兩個(gè)部分，一是不提高溢洪道底高程，考慮在溢洪道上安裝控制閘門以提高蓄水量；二是適當(dāng)提高溢洪道底高程。

1）不提高溢洪道底高程

不提高溢洪道底高程，計(jì)算就同2.1節(jié)部分相同。由表2可知：如果溢洪道拓寬到20m時(shí)，土壩壩頂高程必須大于最大靜水位32.014m，壩頂加設(shè)防浪墻后，頂高程必須大于32.891m；如果溢洪道拓寬到25m時(shí)，土壩壩頂高程必須大于最大靜水位30.499m，壩頂加設(shè)防浪墻后，頂高程必須大于31.380m。

因此，結(jié)合工程量，可以考慮的設(shè)計(jì)方案為：壩體加高2.5m，此時(shí)土壩頂高程就達(dá)到32.5m，壩頂設(shè)1m高的防浪墻，設(shè)計(jì)頂高程為33.5m；溢洪道拓寬到20m，底高程不變。

2）適當(dāng)提高溢洪道底高程

適當(dāng)提高溢洪道底高程后，水庫的蓄水能力增大，水庫效益增加。此時(shí)，水庫的防洪能力必須重新計(jì)算，其計(jì)算方法同前。圖3給出了溢洪道拓寬到20m后，將溢洪道進(jìn)口底高程分別提高1m，2m，3m后的泄流曲線。

圖3 溢洪道的水位～泄量關(guān)系曲線

同前的調(diào)洪計(jì)算方法，可以得到各設(shè)計(jì)底高程下水庫的調(diào)洪結(jié)果，見表3。

表3 壩頂高程計(jì)算成果表（單位：m）

由表3可知：溢洪道進(jìn)口底高程如提高1m，土壩壩頂高程必須大于最大靜水位33.009m，壩頂加設(shè)防浪墻后，頂高程必須大于33.884m；底高程如提高2m，土壩壩頂高程必須大于最大靜水位34.007m，壩頂加設(shè)防浪墻后，頂高程必須大于34.880m；底高程如提高3m，土壩壩頂高程必須大于最大靜水位35.002m，壩頂加設(shè)防浪墻后，頂高程必須大于35.873m。

因此，結(jié)合工程量，可以考慮的設(shè)計(jì)方案為：溢洪道拓寬至20m，可將溢洪道進(jìn)口高程加高2m，對應(yīng)壩體須加高4.5m，土壩頂高程達(dá)到34.5m，壩頂設(shè)1m高的防浪墻，設(shè)計(jì)頂高程為35.5m。

3 結(jié)論和建議

通過對五曲灣水庫現(xiàn)有防洪設(shè)施的分析，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，提出除險(xiǎn)加固工程提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)措施，得到的建議方案包括：

（1）不加高壩體和改變現(xiàn)狀溢洪道底高程，溢洪道須拓寬至30m，此時(shí)只需在現(xiàn)狀壩頂加設(shè)0.3m以上高的防浪墻，即可滿足現(xiàn)行規(guī)范的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

（2）壩體加高2.5m，此時(shí)土壩頂高程到32.5m，壩頂加設(shè)1m高的防浪墻，設(shè)計(jì)頂高程為33.5m，同時(shí)溢洪道拓寬到20m，進(jìn)口底高程不變，也可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（3）溢洪道拓寬至20m，可將溢洪道進(jìn)口底高程加高2m，此時(shí)，須對應(yīng)加高壩體4.5m，土壩頂高程達(dá)到34.5m，壩頂增設(shè)1m高的防浪墻，設(shè)計(jì)頂高程為35.5m，也可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

比較上述幾個(gè)方法，僅改造泄洪設(shè)施，雖然提高了泄流能力，但是由于泄洪量大必然會(huì)造成下游河道整治費(fèi)用增大；加高壩體和改造溢洪道并舉，既可以增大水庫的調(diào)蓄能力，也減小了溢洪道泄量，可以做到上下游兼顧；在不影響防洪的前提下，適當(dāng)提高溢洪道的進(jìn)水口底高程，可以增加水庫的蓄水能力和水庫效益，有利于除險(xiǎn)加固后工程的管理運(yùn)行。因此，具體方案的選擇必須從工程投資、效益和管理運(yùn)行等多方面進(jìn)行綜合考慮。

［1］武鵬林，霍德敏，馬存信，等.水利計(jì)算與水庫調(diào)度［M］.北京：地震出版社，2000：125～127.