洋县党河水库正常溢洪道出口消能设计

冀 飞

（汉中市水利水电建筑勘测设计院 陕西 汉中 723000）

1 概述

洋县党河水库位于县城以北7km周家坎村，是一座以农田灌溉为主，兼发电、防洪、水产养殖、旅游等综合利用的全国重点中型水库。水库枢纽主要包括：均质土坝、正常溢洪道、非常溢洪道、输水涵洞等建筑物。土坝最大坝高51m，原设计总库容4190万m3。党水河发源于秦岭南麓洋县铁河乡境内，属汉江一级支流。总流域面积281.4km2，坝址以上控制流域面积237km2，多年平均径流量0.892 亿m3。

水库枢纽于1966年10月动工，1970年3月建成蓄水。由于历史的原因，水库运行近40年来，多次发生严重险情，虽经临时加固处理，但限于资金紧缺未能彻底解决已存的多处病险，特别是“5·12”地震发生后，水库险情加重。

2007年4月汉中市水利局依据水利部颁发的《水库大坝安全鉴定办法》及陕西省水利厅的有关要求，确定该水库为三类病险水库。

2 溢洪道现状及出口病险成因分析

根据水电部《关于复核水库防洪安全的几点规定》和陕西省1975年水利会议精神“大中型水库都要以可能最大洪水作为保坝标准进行复核，提出加固处理的工程措施”。党河水库最大可能洪水定为3800m3/s，其下泄流量3050m3/s远大于原溢洪道保坝下泄流量1230m3/s，故1977年增建第二溢洪道（即正常溢洪道）。

正常溢洪道现状为：进口宽顶堰，堰宽53m，堰顶高程529.0m，渐变段桩号0+000～0+080，底坡 1∶20，底宽 53m～40m；梯形泄槽段桩号 0+080～0+150，底坡 1∶30，底宽 40m；桩号 0+150～0+330，底坡 1∶50，底宽 40m；桩号0+330～0+340为的抛物线泄流面，桩号0+340～0+345 为 1∶3 底坡，桩号 0+345～0+352为R=9m的反弧挑坎，挑射角θ=25°。泄槽末端0+330处高程819.07m，鼻坎高程516.089m。

党河水库为Ⅲ等中型水利工程，防洪标准采用100年一遇洪水设计，Q泄=954m3/s；1000年一遇洪水校核，Q泄=1496m3/s；消能防冲采用30年一遇洪水设计，Q泄=717m3/s。正常溢洪道于1984年建成至今，最大实测泄量为133m3/s，由于长时间小流量冲刷，致使挑坎齿墙基础裸露，高出冲坑底部6.0m，局部掏空1.0m，并且下游河道狭窄，洪水回旋冲刷严重，基础悬空外露，致使两岸边坡崩塌特别严重。1995年除险加固时，由于资金缺乏，仅在溢洪道鼻坎基础位置修建6.3m长护坦。

正常溢洪道出口破坏形式是小流量贴流冲刷引起，主要原因是：①反弧段前段坡较缓（底坡1∶3）；②挑流鼻坎设置较高，鼻坎落差仅为2.981m，挑流水头小；③鼻坎根部基础及其下游为风化云母片岩，抗冲能力弱；④下游河床变化，不能形成较稳定的冲坑。因此，小流量时反弧段成了消力池，水流没有足够的能量起挑，形成贴流，冲刷鼻坎根部基础。

3 工程地质条件

正常溢洪道位于大坝左侧山坡，由NW向SE方向延伸，在下游与一近南北走向的小冲沟交汇。山坡地貌单位属党水河四级阶地，为基座式阶地，基地高程约为520m，阶地上部为粘土层，下部为砂卵石层。

表1 溢洪道出口消能方式方案比较

表2 各种频率洪水消能计算结果表 单位:m

根据溢洪道底板高程，溢洪道上段（0+000～0+093）底板地基上部为棕色粘土层，呈硬塑状，厚度0～3.6m，下部为砂卵石层，最大厚度约4.8m，密实，下伏全～强风化片岩；溢洪道中段（0+093～0+253）底板地基上部为密实的砂卵石层，下伏全～强风化片岩。溢洪道下段（0+253～0+371）底板直接处于强风化片岩上。下游冲刷坑基岩裸露为强风化片岩。溢洪道全段为无大的断层切割，底板工程地质条件较好。

溢洪道下段侧墙底部为全～强风化片岩，中部为厚度9.4m～9.8m的砂卵石层，上部为粘土层，最大厚度达21m，下部砂卵石层为浆砌石砌护，砌护高度为9.2m，坡度 45°～48°，稳定性较好。上部粘土质边坡由于高度大，坡度陡，稳定性差，挑流鼻坎段左、右边坡风化基岩、砂卵石层以及粘土层均外露，长期遭受风化剥蚀，加之泄洪时水流飞溅，淘蚀岸坡坡脚，造成边坡失稳。

4 溢洪道出口消能设计

溢洪道现状出口消能采用挑流消能，根据党河水库的工程规模，消能设施按照30年一遇洪水标准设计，结合实际地形，设计对挑流消能和综合跌水消能两种方案进行比较，见表1。通过经济比较，推荐挑流消能作为溢洪道出口的效能方案。

由于溢洪道出口破坏形式主要是由小流量贴流冲刷引起，根据其病险原因并根据消能设施的规模以及长期运行经验，结合实际地形，出口消能设施接泄槽末端（桩号0+326.9）将原抛物线泄流面改为y=8x2/289，长度仍为10m，采用 9m长的1∶2底坡连接，反弧段R=10m，挑射角θ=25°，挑流鼻坎高程由516.089m降至 511.57m（见图1）。出口消能部分均采用C20钢筋混凝土现浇，厚1.5m。鼻坎末端做1.5m深齿墙，并通过现浇横向钢筋混凝土梁将原溢洪道末端挑坎Φ=1.0m的5个钢筋混凝土柱连接，增强挑坎的抗滑稳定性。同时在整个出口段增加Φ=25mm的锚杆，长2.8m，间距2.5m，呈梅花形布置。

由于下游河道较窄，加之挑流鼻坎左、右边坡风化基岩、砂卵石层以及粘土层均外露，长期遭受风化剥蚀，为避免挑流水舌对出口两岸山坡的冲刷，增大单宽流量，减缓冲坑坡比，设计将挑流出口由40m缩窄至30m。

通过对不同频率泄量进行出口消能水力计算（见表2），冲坑后坡比均满足规范的设计要求。

应用能量方程和平底水跃公式及实用堰流公式，联立求解，得临界起挑流量Q=95.5m3/s，应用挑流计算公式求得此流量下的挑射距离为23.84m。短护坦防护范围首先要使贴流冲刷得到有效的防护，其次不使挑射水流直接冲击护坦。根据计算结果接原护坦末端新建15m长钢筋混凝土护坦，护坦范围内两岸山体采用浆砌石挡土墙砌护，对于出口岩石滑坡体根据地形适当削坡后采用挂钢筋网混凝土喷护。

挑流鼻坎侧墙墙趾以及鼻坎中心处设置与原泄槽底板排水系统衔接的纵向排水沟，坡比随挑流鼻坎坡度设置；桩号溢 0+332.9、溢0+342.9和溢 0+352.9设置坡比为2%的横向排水沟与纵向排水沟相连。排水沟均为矩形断面，尺寸0.4m×0.3m（宽×高），沟内充填耐风化碎石。

5 小结

通过分析党河水库正常溢洪道出口段病险原因，经过分析比较采用降低挑流鼻坎高程，增大挑距的消能方式，同时计算下泄临界起挑流量（95.5m3/s）时的挑距，并结合出口实际地形情况，新建15m混凝土结构护坦，保护鼻坎根部基础。

该设计方案建设周期短，建成后即可投入使用。通过2010年汛期的实际运行消能效果理想，达到了设计要求。出口段的除险加固使得党河水库在灌溉和防洪功能得以充分发挥，为当地生产力的发展提供了有力支撑。陕西水利