五曲湾水库除险加固工程防洪设施改造的分析和计算

樊灏

（山西省水利水电科学研究院，山西太原 030002）

建国以来，山西省建设各类大小水库700多座，它们在防洪保安、农业灌溉、农村及小城镇生活用水等方面都发挥着重要的作用。但是由于其中的大部分都兴建于上世纪50～70年代，受当时设计、施工等方面条件的限制，加上经过几十年的运行，普遍存在防洪标准低、工程质量差、隐患多等问题，严重影响工程的安全运行和经济效益的发挥。水库除险加固是防洪保安的重要措施，对北方干旱地区而言还有抗旱蓄水的特殊意义。水库病险帽子摘不掉，不但汛期存在安全隐患，而且还面临着有水不敢蓄的难堪局面。

提高现有水库的防洪标准，是除险加固工程的首要目标。一般而言，主要包括三个方面的工程改造措施：一是适当加大坝高，提高调蓄能力；二是改造泄洪设施，增加泄洪流量；三是加高大坝与改造泄洪设施并举。无论采取哪项措施，都应根据工程实际情况，具体情况具体分析，争取做到既满足工程防洪标准要求，又达到经济合理。本文以五曲湾水库除险加固工程防洪设施改造为研究对象，通过对各种改造措施的比选分析，提出提高工程防洪标准的建议方案，对水库除险加固规划和设计有一定的研究意义和应用价值，其研究方法也可为其它类似小型水库除险加固工程的设计提供参考。

1 五曲湾水库的简介

1.1 工程概况

五曲湾水库位于晋中市惠济河西支中游，水库始建于1972年9月，由于出现质量问题，1974年10月停建，至今一直是半拉子工程。水库现状总库容为188万m3，坝高30m，枢纽工程由大坝、溢洪道、输水洞组成。

大坝为均质碾压土坝，坝高30m，坝顶长300m，宽6m。上游坝坡为干砌石护坡，下游为草皮护坡，坝脚设反滤排水棱体。溢洪道位于大坝右端，为开敞式溢洪道，全长150m，宽14m；右侧为原山体开挖而成，左侧为浆砌石侧墙护砌，溢洪道出口接岩石跌水。输水洞建于大坝左侧，原设计为浆砌石半圆拱形无压结构，在施工过程中，涵洞发生不均匀沉陷，洞内出现裂缝，后在洞中套入圆形承压钢管，钢管出口设闸阀控制出流，出口后接一梯形输水明渠，下接河床。

1.2 水库现存的主要问题

（1）大坝上游干砌石护坡风化损坏严重，局部淘刷严重，有塌落现象；下游坝坡只在右端设一条长10m的纵向排水沟，汛期暴雨极易造成坝坡冲刷；坝脚排水设施已损坏，坝顶无防浪墙。

（2）水库建设过程中，出现了质量问题而导致前坝填筑到30m、后坝至21m时，工程被迫停工，大坝填筑为半拉子工程。

（3）由于坝基处理不彻底，两坝肩结合部处理也不好，当库水位蓄至溢洪道进口高程时，坝基有5处发现渗水逸出，大坝下游右侧1km外的山体内也有渗水出流。

（4）现状溢洪道为原施工时留下的临时溢洪道，左侧墙浆砌石部分水泥砂浆剥落，衬砌破坏严重，并出现部分坍陷，右侧为原山体开挖而成，未做任何处理；人行桥栏杆全部损坏，钢筋裸露；无消力池，无闸门等控制启闭设施。

（5）输水洞进口淤积严重，已形成漏斗；涵洞内钢管运行多年，锈蚀严重，有的部位腐蚀成眼，出现冒水现象；闸阀老化失修，常年浸水，丝扣锈损，滚轮磨损，产生丝杆脱扣、滚轮脱轨现象，启闭失灵，且漏水严重；启闭间年久失修，已多处开裂；涵洞出口输水渠左侧岩石风化坍落，渠底冲刷严重，凹凸不平。

（6）大坝没有设置浸润线、渗流等观测设施。

1.3 水库的防洪评价结论

根据水库多年的运行管理情况，选择管理处提供的汛限水位17.5m（从坝底算起的相对高程，下同）为起调水位；水库现状坝顶高程为30m，顶部无防浪墙；水库的泄洪设施为溢洪道。经过计算复核，水库现状规模仅能满足5年一遇的洪水标准，不达规范要求，根据现行规范，五曲湾水库的防洪标准应达到30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。

2 防洪设施改造方案的分析计算

为了提高水库的防洪标准，必须对水库现有防洪设施进行改造。如前所述，工程改造措施包括三种，即加高大坝、改造泄洪设施和两措施并举。针对五曲湾水库的实际情况，由于工程建设过程中坝体出现了不均匀沉陷等质量问题而被迫停工，而至今未对大坝进行任何处理；溢洪道是由原施工时留下的临时泄槽改造而成，多年运行而未进行维护，已不能满足安全泄洪的要求，且经计算其现有泄洪能力很低。因此，仅靠单纯加高坝体而不提高溢洪道泄洪能力使工程防洪达标，会产生较高的工程费用，这一措施是不可取的，下面对其他两个措施进行分析。

2.1 改造泄洪设施

这里是指通过拓宽溢洪道或降低其底高程等措施，加大泄洪能力，而不加高坝体，使水库满足防洪标准要求的方法。

1）洪水计算

由于水库流域范围内无水文站及适宜的雨量资料，水库管理站断续的库水位观测资料无法满足入库洪水还原需要，所以本次洪水采用1991年山西省水利厅编制的《山西省暴雨洪水计算实用手册》中推荐的“推理公式配合概化过程线”进行计算。

五曲湾水库上游控制流域面积92km2，其中森林区40km2，石山区 52km2，流域长度 16.2km，平均宽度 5.7km，河道纵坡36‰。水库的暴雨分区属于中区，流域地类为半干旱区的砂岩石山“饱和产流”区，汇流地类为“一般山区”，经计算得到的设计洪水和校核洪水过程线见图1所示。

图1 计算洪水过程图

2）溢洪道泄流能力计算

五曲湾水库溢洪道泄量能力计算取5个堰顶宽度，即现状宽度14m，设计宽度20m、25m、30m、35m，计算公式采用宽顶堰的泄流公式进行，因此，可以得到上述5个宽度下溢洪道的泄流曲线，见图2。

图2 溢洪道的水位～泄量关系曲线

这里没有考虑降低溢洪道的底高程，是因为水库目前淤积严重，其淤积高程距离现状溢洪道底高程仅9m，底高程对应的水库库容还不到50万m3，如果再降低溢洪道底高程，水库的蓄水能力会进一步降低，水库将无法正常运用。

3）水库调洪计算

调洪计算采用静库容法、水库水量平衡方程进行，应用试算法求解[1]。计算的起调水位采用水库的汛限水位17.5m，水位～库容曲线采用2008年底管理处提供的实测库容～水位曲线。因此，可以得到溢洪道各个设计堰顶宽度的水库调洪结果，见表1。表中超过高程30m以上数据，是根据水位～泄量～库容曲线外延得到的。

表1 水库调节计算结果（单位、水位，m；流量，m3/s）

4）坝顶超高复核

坝顶超高采用碾压式土石坝设计规范中的公式进行计算，超高部分包括波浪爬高、风雍高度和安全超高，其计算结果见表2。

表2 坝顶高程计算成果表（单位：m）

因此，要想满足现行规范要求，在不加高坝体的前提下，溢洪道宽度必须拓宽到30m，此时的计算顶高程超过现状坝顶高0.277m，只需在现状坝顶加设0.3m以上高的防浪墙即可满足要求。

2.2 加高大坝和改造泄洪设施并举

这是指在拓宽改造溢洪道的同时，适当加大坝高，使其既能满足防洪要求，又不至于总的工程量太大。这是由于单纯改造泄洪设施，虽然提高泄洪量，但是由于其泄量较大，必须在改造泄洪设施的同时，对下游可能产生的影响进行安排和处理，以减小或避免下游损失，这就使得整修溢洪道消能防冲设施以及下游河道整治等的工程量较大。而适当的加大坝高，即可以提高水库的调蓄能力，减小水库的下泄流量。因此，两项措施并举，既可以减少增加坝高而带来的工程量，又可以增加泄洪量，做到上下游兼顾。

在适当加大坝高的同时，可以考虑适当提高溢洪道的底高程，这样做可以增加水库的蓄水量，也就增大了水库的效益。下面的计算分为两个部分，一是不提高溢洪道底高程，考虑在溢洪道上安装控制闸门以提高蓄水量；二是适当提高溢洪道底高程。

1）不提高溢洪道底高程

不提高溢洪道底高程，计算就同2.1节部分相同。由表2可知：如果溢洪道拓宽到20m时，土坝坝顶高程必须大于最大静水位32.014m，坝顶加设防浪墙后，顶高程必须大于32.891m；如果溢洪道拓宽到25m时，土坝坝顶高程必须大于最大静水位30.499m，坝顶加设防浪墙后，顶高程必须大于31.380m。

因此，结合工程量，可以考虑的设计方案为：坝体加高2.5m，此时土坝顶高程就达到32.5m，坝顶设1m高的防浪墙，设计顶高程为33.5m；溢洪道拓宽到20m，底高程不变。

2）适当提高溢洪道底高程

适当提高溢洪道底高程后，水库的蓄水能力增大，水库效益增加。此时，水库的防洪能力必须重新计算，其计算方法同前。图3给出了溢洪道拓宽到20m后，将溢洪道进口底高程分别提高1m，2m，3m后的泄流曲线。

图3 溢洪道的水位～泄量关系曲线

同前的调洪计算方法，可以得到各设计底高程下水库的调洪结果，见表3。

表3 坝顶高程计算成果表（单位：m）

由表3可知：溢洪道进口底高程如提高1m，土坝坝顶高程必须大于最大静水位33.009m，坝顶加设防浪墙后，顶高程必须大于33.884m；底高程如提高2m，土坝坝顶高程必须大于最大静水位34.007m，坝顶加设防浪墙后，顶高程必须大于34.880m；底高程如提高3m，土坝坝顶高程必须大于最大静水位35.002m，坝顶加设防浪墙后，顶高程必须大于35.873m。

因此，结合工程量，可以考虑的设计方案为：溢洪道拓宽至20m，可将溢洪道进口高程加高2m，对应坝体须加高4.5m，土坝顶高程达到34.5m，坝顶设1m高的防浪墙，设计顶高程为35.5m。

3 结论和建议

通过对五曲湾水库现有防洪设施的分析，根据现行规范标准，提出除险加固工程提高防洪标准的各项措施，得到的建议方案包括：

（1）不加高坝体和改变现状溢洪道底高程，溢洪道须拓宽至30m，此时只需在现状坝顶加设0.3m以上高的防浪墙，即可满足现行规范的防洪标准。

（2）坝体加高2.5m，此时土坝顶高程到32.5m，坝顶加设1m高的防浪墙，设计顶高程为33.5m，同时溢洪道拓宽到20m，进口底高程不变，也可满足现行规范要求。

（3）溢洪道拓宽至20m，可将溢洪道进口底高程加高2m，此时，须对应加高坝体4.5m，土坝顶高程达到34.5m，坝顶增设1m高的防浪墙，设计顶高程为35.5m，也可满足现行规范要求。

比较上述几个方法，仅改造泄洪设施，虽然提高了泄流能力，但是由于泄洪量大必然会造成下游河道整治费用增大；加高坝体和改造溢洪道并举，既可以增大水库的调蓄能力，也减小了溢洪道泄量，可以做到上下游兼顾；在不影响防洪的前提下，适当提高溢洪道的进水口底高程，可以增加水库的蓄水能力和水库效益，有利于除险加固后工程的管理运行。因此，具体方案的选择必须从工程投资、效益和管理运行等多方面进行综合考虑。

［1］武鹏林，霍德敏，马存信，等.水利计算与水库调度［M］.北京：地震出版社，2000：125～127.