于月鵬，閆 涵

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

0 引言

隨著近年來全球氣候變暖，各地頻繁出現(xiàn)暴雨驟降，河流徑流量加大，水流量不穩(wěn)定等現(xiàn)象。水利工程建設(shè)的方案設(shè)計，受水文成果影響較大，尤其是已建成的中小型水庫工程，往往設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)不高，泄洪規(guī)模較小，當(dāng)河流洪量較大、較急時，容易出現(xiàn)行洪安全問題，甚至造成潰壩、垮壩。水利工程樞紐總體布置設(shè)計中，需根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件、下游河道銜接情況、兩岸交通情況、當(dāng)?shù)剡\行管理水平及壩型比較結(jié)論等確定泄水建筑物布置形式和泄洪規(guī)模。新發(fā)水庫為山區(qū)型水庫工程，洪水量級較大，河道岸坡地質(zhì)條件有限，距離市區(qū)偏遠，管理水平有限，因此，需要通過技術(shù)經(jīng)濟比較，選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)貙嶋H情況的泄洪方式。且水庫位于嚴寒地區(qū)，還需考慮冰凍期內(nèi)徑流分配情況，滿足冬季運行要求。

1 工程概況

新發(fā)水庫位于呼倫貝爾市莫力達瓦達斡爾族自治旗境內(nèi)諾敏河一級支流坤密爾堤河下游干流上，壩址以上流域面積698 km2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚等綜合利用的山區(qū)型水庫，總庫容3 808 萬m3，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 年一遇。主要建筑物由大壩、溢洪道、輸水洞等組成，大壩為粘土填筑的均質(zhì)土壩，局部為含砂粘土；溢洪道位于大壩右壩肩；輸水洞位于大壩左岸，距左壩頭11.50 m，為壩下埋管。工程于1958 年興建，經(jīng)兩次續(xù)建后，于1999 年9 月全部竣工；于2011 年4 月進行第一次除險加固工程施工，同年竣工。

2021 年入汛期以來，西瓦爾圖河、坤密爾堤河流域連續(xù)發(fā)生了多場暴雨，進入7 月后，流域內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)了3 次強降雨，總降雨量超過60 mm，前期大量的降雨使流域內(nèi)土壤基本飽和，產(chǎn)流能力增強，造成西瓦爾圖河、坤密爾堤河流域發(fā)生極端洪水，諾敏河支流發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水。7 月18 日11 時46 分，新發(fā)水庫超過校核洪水位，右岸溢洪道無閘門控制，自然調(diào)節(jié)下泄洪水；14 時37 分，水漫過壩頂；14 時53 分，壩身下游壩坡開始受水流淘刷破壞；15 時03 分，新發(fā)水庫垮壩。

水毀造成新發(fā)水庫大壩大部分毀壞，部分壩體損毀嚴重；溢洪道堰體表面大面積受到輕度剝蝕，兩岸邊墻影響較小，右岸邊墻右側(cè)回填區(qū)受到淘刷，消力池淤積嚴重，海漫受到?jīng)_刷；輸水洞整體無明顯損壞，出口消力池淤積較嚴重，灌溉渠道連接渡槽已全部沖毀。

2022年對水庫進行除險加固初步設(shè)計，水庫總庫容3 898 萬m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。初步設(shè)計階段，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，洪峰流量為1 140 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用1 000年一遇，洪峰流量為2 960 m3/s。

根據(jù)與兩岸岸坡及下游河道銜接條件，擋水建筑物布置于主河床處及右岸較緩岸坡處，河床部位覆蓋層厚15.00～24.00 m，泄水建筑物位于左岸岸坡，巖石建基高程較高部分寬度約30.00 m，巖面線高程向河床處迅速下降。

2 泄洪方式比選

2.1 方案布置

新發(fā)水庫原溢洪道位于大壩右岸，為開敞式自由溢流溢洪道，全長64.00 m，由進水渠、堰控段、泄槽段、消力池及海漫等組成。根據(jù)水毀后現(xiàn)場勘查及對溢洪道混凝土質(zhì)量檢測結(jié)果：混凝土表面損毀嚴重，缺陷較多，水下部分剝蝕嚴重，大面積骨料外露；內(nèi)部抗壓強度較好。

此次除險加固工程綜合地形地質(zhì)條件、料源情況、施工條件等仍選擇均質(zhì)土壩為推薦壩型。經(jīng)復(fù)核，此次校核洪水洪峰流量為2 960 m3/s（P=0.1%），是原校核洪水洪峰流量為679 m3/s（P=0.33%）的4.36 倍，需增加泄洪建筑物規(guī)模；根據(jù)庫區(qū)泥沙淤積現(xiàn)狀及設(shè)計合理使用年限內(nèi)的泥沙計算成果，結(jié)合壩址地形地質(zhì)條件及最新洪水成果，為滿足興利庫容要求，水庫正常蓄水位需由原220.40 m加高至222.40 m，并控制水庫總庫容與水毀前基本相當(dāng)。根據(jù)不同泄洪建筑物布置方案，對原溢洪道結(jié)構(gòu)進行不同程度的利用，以減少工程投資。兩岸山坡高度較低，死水位至正常蓄水位高度為2.20 m，不具備修建深孔泄洪洞的條件，泄洪建筑物布置選取3 個方案進行比選。

1）方案一。在盡量利用原溢洪道堰體及邊墩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改、擴建成5孔自由溢流溢洪道，由進水渠段、堰控段、泄槽段、消力池段和海漫段組成。溢洪道總長193.07 m，堰型為WES 實用堰，堰頂高程222.40 m，單孔寬10.00 m，中墩厚1.00 m；消力池平底段長35.00 m，消力池深1.70 m，底高程為211.70 m，底板厚1.50 m。溢洪道最大泄量為1 333 m3/s。此方案為自由溢流方案，不設(shè)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，布置如圖1 所示。

圖1 方案一泄洪建筑物布置圖（單位：cm）

2）方案二。充分利用右岸巖石地形條件，拆除原溢洪道結(jié)構(gòu)，新建3孔閘孔泄流溢洪道，最右側(cè)邊墩相對于原溢洪道右側(cè)邊墩向右移動約2.70 m。溢洪道由進水渠段、堰控段及門庫段、泄槽段、消力池段和海漫段組成，總長238.61 m，堰型為寬頂堰，堰頂高程217.00 m，單孔寬10.00 m，中墩厚2.00 m；消力池平底段長30.00 m，消力池深1.80 m，底高程為212.70 m，底板厚1.50 m。溢洪道最大泄量為1 403 m3/s。每孔設(shè)1道弧形工作閘門，工作閘門采用2×500 kN 液壓式啟閉機操作，共3 套。3 扇工作閘門前共設(shè)1道檢修閘門，設(shè)檢修閘門門庫1個，采用1 臺2×250 kN 單向門式啟閉機操作。方案二布置如圖2 所示。

圖2 方案二泄洪建筑物布置圖（單位：cm）

3）方案三。在利用部分原溢洪道堰體及邊墩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改建成1 孔自由溢流溢洪道，中心線方位角為NW176°15′12″，由進水渠段、堰控段、消力池段、消能防護段和海漫防護段組成，總長277.68 m。堰型為WES實用堰，堰頂高程222.40 m，單孔寬13.50 m；消力池平底段長15.00 m，消力池深1.50 m，底高程為212.70 m，底板厚1.20 m。

另在自由溢流溢洪道左側(cè)新建3 孔閘孔泄流溢洪道，中心線方位角為NW176°15′12″，由進水渠段、堰控段、消力池段、海漫防護段組成，總長232.74 m。堰型為寬頂堰，堰頂高程216.50 m，單孔寬9.00 m；消力池段長30.00 m，寬31.00 m，底高程為212.60 m，底板厚1.50 m。溢洪道設(shè)弧形工作閘門共3 孔3 扇，采用3 臺2×630 kN 液壓式啟閉機操作；工作閘門前設(shè)1 道檢修閘門，采用1 臺2×320 kN單向門式啟閉機操作。溢洪道聯(lián)合泄洪最大泄量為1 540 m3/s。方案三布置如圖3所示。

圖3 方案三泄洪建筑物布置圖（單位：cm）

各方案主要參數(shù)及投資情況見表1。

表1 各方案主要參數(shù)及投資情況

2.2 方案比選

1）方案一的行洪隨天然來水量自由下泄，既可隨庫容削減洪峰，又可滿足水庫下泄流量不超過壩址天然來水量的原則；不需進行洪水調(diào)度而方便運行管理；同時在水庫蓄、泄運行中，防洪庫容與興利庫容相互獨立[1]?？紤]該工程岸坡地質(zhì)條件有限，而此方案需要溢流寬度較大，雖然節(jié)省了擋水建筑物填筑工程量，但增加了溢洪道工程開挖、結(jié)構(gòu)混凝土工程量，工程總投資較大。且自由溢流方式不具備控泄能力，僅靠壅高水位來宣泄洪峰，導(dǎo)致大壩擋水高度相對增高，又無法保障水庫下游河道提防安全。

2）方案二是將興利、防洪庫容結(jié)合在一起，提高水庫預(yù)泄能力，可使大壩擋水高度相對降低，保證水庫的行洪安全；可根據(jù)水庫下游防護對象所確定的河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，確定溢洪道的控泄流量及庫內(nèi)防洪高水位。當(dāng)庫內(nèi)來流量較小時，需根據(jù)來流量級設(shè)定局部開啟閘門孔數(shù)及開度，維持庫水位為正常蓄水位不變；當(dāng)來流量持續(xù)增大時，需逐步增大閘門開度直到全部開啟，給運行管理增加了調(diào)控的工作內(nèi)容，對于水庫管理單位的要求較高。閘門及啟閉設(shè)備需要每年調(diào)試、定期養(yǎng)護，工程處于嚴寒地區(qū)，有些年份冬季進入冰凍期后仍有較小徑流量需要泄放，即使閘門前及門槽處增設(shè)防冰凍裝置，冬季仍有閘門不能開啟的運行風(fēng)險。

3）方案三可根據(jù)流域徑流情況設(shè)定一個庫內(nèi)防洪高水位，可以自由溢流5 年以下洪水，當(dāng)水位達到防洪高水位時，再根據(jù)來流量級設(shè)定局部開啟閘門孔數(shù)及開度，維持庫水位為防洪高水位不變；當(dāng)來流量持續(xù)增大時，逐步增大閘門開度直到全部開啟。相比方案二來講，投資稍有增加，但避開了河道經(jīng)常發(fā)生小洪水時的運行調(diào)節(jié)，簡化了運行管理，既能保證行洪安全又滿足了冬季有較小徑流的泄放要求。該方案同樣要求閘門及啟閉設(shè)備每年進行調(diào)試、定期養(yǎng)護。

綜合各方案泄流能力、運行管理、工程投資等因素，考慮工程實際特點及流域洪水情況，考慮水庫運行管理方便，應(yīng)該盡量加大水庫泄水建筑物的泄流能力，加強水庫運行管理，保證水庫建筑物的整體安全，工程推薦方案三為泄洪建筑物布置方案。

3 結(jié)語

對于中小型水庫工程，泄水建筑物運用靈活可靠，其泄流能力必須滿足下泄設(shè)計洪水和校核洪水要求[2]。由于擋水建筑物高度較矮，往往泄水建筑物規(guī)模對工程投資有較大影響，對于泄洪方式的選擇應(yīng)根據(jù)水庫徑流特性、下游防洪要求，從水庫行洪安全出發(fā)綜合考慮，在既滿足水庫總下泄流量不超過天然來水量的原則下，還需考慮其與壩高、壩長相關(guān)聯(lián)的優(yōu)劣性及當(dāng)?shù)剡\行管理方便性。

當(dāng)水庫洪量不大時，可與岸坡地形地質(zhì)條件相適應(yīng)的情況下，應(yīng)當(dāng)首選正常蓄水位、堰頂高程、起調(diào)水位相一致的開敞式自由溢流溢洪道；當(dāng)水庫洪量較大、下游有防洪任務(wù)要求水庫控泄時，應(yīng)當(dāng)首選閘孔泄流溢洪道；受氣候條件、地形地質(zhì)條件、運行管理水平等限制時，應(yīng)該綜合各方因素考慮，具體工程具體分析論證，并以行洪安全為最大的設(shè)計理念。