高勝利

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程簡(jiǎn)介

平原地區(qū)年徑流量特點(diǎn)是季節(jié)上分配不均、地表徑流損失嚴(yán)重，為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)內(nèi)徑流的合理優(yōu)化，達(dá)到豐蓄枯用，修建平原蓄水水庫(kù)是平原地區(qū)蓄水保水的一種切實(shí)有效的方法。

耿莊水庫(kù)是位于山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程北干線向朔州市供水線路末端的調(diào)節(jié)水庫(kù)，主要任務(wù)是向朔城區(qū)供水和事故調(diào)節(jié)。引黃工程北干線將黃河水送入耿莊水庫(kù)，來(lái)水穿過(guò)庫(kù)區(qū)送入朔州水廠，供朔城區(qū)工農(nóng)業(yè)及人畜用水。同時(shí)如果引黃北干線供水干管出現(xiàn)問(wèn)題需要檢修，耿莊水庫(kù)也可以收納一部分管道棄水。由于引黃水含沙量較大，干線來(lái)水進(jìn)入耿莊水庫(kù)以后，在水庫(kù)的進(jìn)出水口之間低速流動(dòng)時(shí)，進(jìn)行了水質(zhì)交換。進(jìn)水口處來(lái)水在運(yùn)行至出水口的過(guò)程中大部分泥沙沉淀于庫(kù)底，出水口處經(jīng)過(guò)澄清的水再送入朔州水廠，緩解了朔州水廠水處理的部分壓力。

2 設(shè)計(jì)概要

一般來(lái)說(shuō)，平原圍封水庫(kù)宜修建在庫(kù)址區(qū)平坦的地形上，容易做到挖填平衡，降低庫(kù)盆周?chē)畲髩胃?。由于地形條件的限制，耿莊水庫(kù)選擇修建在坡地上。庫(kù)址區(qū)地形北高南低，高差10余m，縱坡達(dá)1.4%。在這樣的地形上修建平原水庫(kù)難度較大，考慮的因素也比較多，設(shè)計(jì)時(shí)主要指導(dǎo)原則有兩個(gè)：一是盡量做到挖填平衡，不買(mǎi)土少棄土；二是最大壩高不宜太高，減小失事風(fēng)險(xiǎn)?；谝陨峡紤]，同時(shí)為不間斷向朔城區(qū)供水，耿莊水庫(kù)最終按雙庫(kù)設(shè)計(jì)，庫(kù)盆為臺(tái)階區(qū)域式，即庫(kù)底并非傳統(tǒng)的在同一個(gè)高程上，而是沿水流方向設(shè)置了2～3個(gè)臺(tái)階區(qū)域（Ⅰ庫(kù)2個(gè)臺(tái)階，Ⅱ庫(kù)3個(gè)臺(tái)階），每個(gè)臺(tái)階區(qū)域擁有一定的積水面積。

這樣多平臺(tái)庫(kù)底設(shè)計(jì)最大的好處是因勢(shì)制宜，較小挖方，減少棄土。美中不足在于庫(kù)區(qū)南端壩高相對(duì)較大，且全部處于填方段。

兩庫(kù)庫(kù)容均為118萬(wàn)m3，總庫(kù)容236萬(wàn)m3，最大壩高10m，為?、裥退畮?kù)，主要技術(shù)節(jié)點(diǎn)有進(jìn)、出水系統(tǒng)、庫(kù)盆防滲系統(tǒng)、壩基地基處理以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。耿莊水庫(kù)的平面布置見(jiàn)圖1。

3 進(jìn)、出水設(shè)計(jì)

圖1 耿莊水庫(kù)平面布置簡(jiǎn)圖

與攔河水庫(kù)相比，平原圍封水庫(kù)受天然地貌約束較小，設(shè)計(jì)者可以充分發(fā)揮聰明才智，在合理正確的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的自由度更大一些。在確定了水庫(kù)規(guī)模和位置的前提下，水庫(kù)的進(jìn)出水口布置顯得尤為重要。攔河水庫(kù)一般不設(shè)進(jìn)水口和出水口。攔河水庫(kù)的進(jìn)水依靠天然河道匯集徑流，來(lái)水超過(guò)設(shè)計(jì)庫(kù)容時(shí)靠泄水閘門(mén)或溢流堰泄洪，不專(zhuān)門(mén)設(shè)置出水口。

平原圍封水庫(kù)不然，由于其功能和結(jié)構(gòu)的特殊性需要專(zhuān)門(mén)設(shè)置進(jìn)水口與上游來(lái)水銜接，專(zhuān)門(mén)設(shè)置出水口與下游用水戶(hù)銜接。進(jìn)水形式的選擇非常重要，一般來(lái)說(shuō)進(jìn)水口置于水庫(kù)正常蓄水位以上，通過(guò)自流方式取水較為有利。同時(shí)，來(lái)水自流入庫(kù)會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)產(chǎn)生沖刷，需要進(jìn)行消能設(shè)計(jì)消除富裕水頭。出水口是連接水庫(kù)與下游用水戶(hù)的特殊建筑物，設(shè)置在壩下。由于壩下取水導(dǎo)致的水庫(kù)滲漏事件極為常見(jiàn)，因此出水形式的選擇也極其重要。

耿莊水庫(kù)形狀鳥(niǎo)瞰為橢圓形，水庫(kù)進(jìn)水口位于庫(kù)區(qū)正北端第一臺(tái)階區(qū)域上游，出水口位于庫(kù)區(qū)南端末級(jí)臺(tái)階區(qū)域底部。

耿莊水庫(kù)進(jìn)水口是北干線朔州支線與水庫(kù)的連接建筑物，位于大壩北部，入庫(kù)設(shè)計(jì)流量1.6m3/s。進(jìn)水形式為引黃管線壓力流流經(jīng)耿莊水庫(kù)進(jìn)水調(diào)壓井，調(diào)壓井一級(jí)消能后通過(guò)進(jìn)水箱涵和進(jìn)水閘門(mén)流入庫(kù)區(qū)，水流入庫(kù)消能型式為挖深式底流消能，進(jìn)水口建筑物主要由調(diào)壓井、進(jìn)水箱涵、進(jìn)水閘室、消能工和出口護(hù)坦組成，Ⅰ庫(kù)為正向取水、Ⅱ庫(kù)為側(cè)向取水。

耿莊水庫(kù)出水口是為朔州市供水而設(shè)，位于水庫(kù)的南部、庫(kù)區(qū)地形較低的位置，出庫(kù)設(shè)計(jì)流量均為1.4m3/s，采用壩下廊道內(nèi)套管型式與朔州水廠供水管線相接。出水線路上布設(shè)有檢修閥、工作閥和流量計(jì)等，主要建筑物由進(jìn)口段、壩下廊道、出水線路連接段、控制閥井及與朔州水廠供水線路銜接段組成。

從進(jìn)出水流態(tài)考慮，進(jìn)水口和出水口軸線夾角應(yīng)不小于90°，否則不利于水質(zhì)交換，也容易形成死水區(qū)。由于引黃水含泥沙較大，水庫(kù)運(yùn)行一定時(shí)間以后必定出現(xiàn)淤積問(wèn)題。耿莊水庫(kù)擬采用干法清淤。根據(jù)耿莊水庫(kù)的雙庫(kù)特點(diǎn)和北干線供水運(yùn)行方式，泥沙的處理在水庫(kù)運(yùn)行若干年后的9月末開(kāi)啟泄水閥排空水庫(kù)，經(jīng)2個(gè)月晾干后采用挖掘機(jī)清淤，次年1月清淤工作完成后正常充庫(kù)。由于雙庫(kù)設(shè)置，兩庫(kù)交替清淤，可以保證朔城區(qū)供水不間斷。

4 模型試驗(yàn)

耿莊水庫(kù)來(lái)水從水庫(kù)穿行，進(jìn)、出水建筑物的布置必須滿(mǎn)足水庫(kù)水交換的要求，不允許出現(xiàn)死水區(qū)。為了驗(yàn)證工程進(jìn)、出水口的布置能否滿(mǎn)足水庫(kù)水交換的要求，對(duì)水庫(kù)不同水力工況進(jìn)、出水交換過(guò)程進(jìn)行了模型試驗(yàn)，為工程的布置提供依據(jù)。

水庫(kù)水源來(lái)自于黃河水，泥沙含量較大，泥沙沉積處理一直是引黃工程一大難題，耿莊水庫(kù)按雙庫(kù)設(shè)計(jì)，利用干法清淤，這是水利工程一大創(chuàng)新。為了積累經(jīng)驗(yàn)，管理便利，為設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)，進(jìn)行了模型試驗(yàn)，確定進(jìn)水挾裹的泥沙沉淀區(qū)域，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示在試驗(yàn)要求的各個(gè)工況，在正常水庫(kù)水位區(qū)間運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)庫(kù)區(qū)不存在死水區(qū)。水庫(kù)進(jìn)口消力池采用底流式消能，有效消除水流余能。護(hù)坦區(qū)域能夠包含水流沖刷范圍，保護(hù)庫(kù)底不受水流沖刷。

水庫(kù)正常運(yùn)行后，進(jìn)水口區(qū)域首先出現(xiàn)泥沙沉積，然后以扇形形狀從進(jìn)水口沿水流方向向外擴(kuò)散。在最大流量1.6m3/s下，水庫(kù)滿(mǎn)庫(kù)運(yùn)行三年后，泥沙淤積主要集中在第一臺(tái)階（進(jìn)水口區(qū)），而且還未淤滿(mǎn)，出水口區(qū)域淤積很少，具體淤積范圍見(jiàn)圖2。

圖2 水庫(kù)滿(mǎn)庫(kù)運(yùn)行三年后泥沙淤積范圍示意圖

根據(jù)多個(gè)平原區(qū)圍封水庫(kù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，進(jìn)水流量穩(wěn)定、流速較小的水庫(kù)，泥沙沉積一般都集中在進(jìn)水口消能工外的沖積扇區(qū)域內(nèi)。由于流速較小，水流無(wú)法將淤積泥沙向下游搬運(yùn)。本試驗(yàn)也充分證明了這點(diǎn)。由于泥沙淤積主要集中在第一臺(tái)階（進(jìn)水口區(qū)），那么工程設(shè)計(jì)中在這一區(qū)預(yù)留了清淤車(chē)輛通道，而且在試驗(yàn)顯示的清淤區(qū)域庫(kù)底上加鋪一層砂礫料，以利于干法清淤。

5 結(jié)語(yǔ)

興建平原圍封蓄水水庫(kù)，對(duì)地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。本文從實(shí)際工程出發(fā)，對(duì)耿莊水庫(kù)的進(jìn)、出水設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了闡述，也從水力模型試驗(yàn)中印證了設(shè)計(jì)的合理性。本文研究成果有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以供類(lèi)似工程參考。