勉县大沟水库溢洪道消能方式选择

孔祥东

(陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安710065)

大沟水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、水产养殖等综合利用功能的小(2)型水库;水库坝顶高程586.59 m，坝高20.0 m，水库正常蓄水位 584.00 m，设计总库容 59.29 万m3，兴利库容25.61万 m3。水库枢纽由大坝、溢洪道、放水建筑物等组成。工程防洪标准按20 a一遇洪水设计，200 a一遇洪水校核。

1 水文洪水

大沟水库位于汉江一级支流大沟上，坝址以上控制流域面积 3.22 km2，主河道长 5.11 km，平均比降 45.5‰。大沟水库流域洪水由暴雨形成的，较大洪水一般发生在7－9月，其特点是峰高、量小，历时短，峰形尖瘦。

表1 大沟水库设计洪峰流量计算成果对比表m3/s

从表中可以看出，安鉴成果比推荐成果偏小。安鉴成果采用的水库流域面积为2.00 km2，推荐成果采用陕西省测绘局2000年航测1万地形图量得坝址以上流域面积为3.22 km2，安鉴和推荐成果均采用推理公式法计算成果，采用暴雨量参数基本一致，但由于控制流域面积的差异洪水成果相差较大。

2 溢洪道工程概况

溢洪道位于大坝右岸，为开敞式溢流堰，堰宽15.0 m，堰顶高程584 m，溢洪道总长度约90 m，堰后泄槽(宽约3 m)、陡坡、消力池段为浆砌石砌筑，消力池接出水渠。因洪水计算结果相差较大。原溢洪道需加大泄洪能力(增加堰顶宽度和泄槽宽度)。

图1 大沟水库设计洪水过程线图

表2 大沟水库设计洪水过程线计算成果表 m3/s

3 溢洪道地形地貌及工程地质

大沟水库工程区位于汉中盆地西北边缘地带，为汉江的三级阶地，属低山丘陵区，阶地地处秦岭南麓下缘，冲沟较发育，冲沟多以南北向发育，将阶地切蚀成“梁峁”状。大沟水库溢洪道位于大坝右岸，为开挖天然垭口形成，右岸为山崖，边坡偏陡偏高，表层岩体风化和上覆粘土，裂隙构造及片理较发育;左岸为岩质边坡，高出溢洪道边墙顶0.5 m以上，溢洪道陡坡下有一横向冲沟，原消力池设于冲沟底。

基岩为下元古界(Pt1)变质岩，溢洪道侧墙上部基岩为强～全风化，具体为，

(1)含砾粘土地基的承载力为fk=150 KPa，粘聚力C=16.2 KPa，内摩擦角 φ =10.1°。开挖边坡建议为:1:1.0 ～1:1.25 。

(2)基岩地基承载力为700 Kpa，基岩与砌体力学参数分别为 f＇=0.8，c＇=0.7，冲刷系数为 K=1.2，开挖坡比建议为1:0.5～1:0.75，岩石开挖级别为Ⅸ ～Ⅹ级。

4 溢洪道消能方案介绍

根据现状溢洪道布置和溢洪道周边地形地质条件，有两种消能方式可供选择，分别简述如下:

方案一，底流消能，溢洪道在桩号Y0+054.8处右转30度角后，在桩号Y0+074.6处进入陡坡段，坡比i=0.5，在桩号 Y0+096.1处进入水力池，池宽6 m、池深0.5 m，池长9.5 m，池底板采用30 cm厚C25钢筋砼结构。通过底流消能方案进行消能。

方案二，挑流消能，溢洪道在桩号 Y0+054.8处右转8度角后，在桩号Y0+058处进入过渡段，在桩号Y0+063处设挑流坎，挑流坎的挑射角为20度，下游水垫塘水深1.5 m。

溢洪道的平面布置比选图，见附图。

现分别说明两个方案:

1)平面布置。方案一采用原溢洪道轴线，可充分利用原工程设施，但原溢洪道轴线弯曲转折，水流条件差，不利于洪水下泄。

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方案二可充分利用地形跌坎，挑流消能，可省去陡坡段工程和消力池工程，但挑流消能受安全挑距、下游河床抗冲性等影响。

2)水力条件。

方案一消力池水力计算。

溢洪道消能防冲洪水标准采用20 a一遇洪水设计，30 a一遇洪水校核。水跃计算依据《溢洪道设计规范》中计算公式进行。

式中:Fr1为收缩断面弗劳德数，x;h1为收缩断面水深，xm;V1为收缩断面流速，xm/s;h2为跃后水深，xm;d为消力池池深，m;σ为水跃淹没度，取x;ht为消力池出口下游水深，xm;ΔZ为消力池尾部出口水面跌落，xm;Q为设计流量，xm3/s;

由以上计算得消力池池长 Lk=9.74 m，d=0.23 m，设计

由以上计算得，设计和校核两种洪水下的挑距分别为14.65 m和16.57 m。当泄洪流量≤12 m3/m时挑距为10.28 m

(2)冲刷坑最大水垫深度依据《溢洪道设计规范》中附录A.4.1－2计算公式进行。

式中:T为自下游水面至坑底最大水垫深度，m;q为鼻坎未端断面意单宽流量，m3/(s·m);z为上、下游水位差，20 m;k为综合冲刷系数，取1.1(已砌护)。

由以上计算得，最大冲坑深6.0 m。

(3)地质条件

方案一由于选用原溢洪道轴线，工程坐落在基岩上，利于工程安全。

方案二由于设计和校核两种洪水下的挑距均可进入已砌护水塘内，耐冲刷。

(4)工程造价，方案二可省去陡坡段工程和消力池工程，比方案一节约工程造价23%以上。消力池池长取9.5 m，池深取0.5 m。

下游冲沟虽有空间布置消力池，但消力池为横向水流，削弱了消能效果，入池水流会对消力池造成不均衡冲刷。

方案二挑流消能水力计算。

(1)挑流水舌挑距依据《溢洪道设计规范》中附录A.4.1－1计算公式进行。

5 溢洪道消能方案选择

虽然方案二在轴线顺直、水力条件好，能将设计和校核两种洪水安全送出，且具有良好的经济性(节约工程造价23%以上)，但其在泄洪流量≤12 m3/s时挑距仅为10.28 m，不能将洪水挑进冲沟水塘内，如果遇到小流量洪水，水流能量小挑距更小，还有产生贴壁流的现象，对溢洪道安全和大坝安全产生威胁;而方案一虽然轴线多弯曲，水力条件差，消能不充分，但工程沿原溢洪道轴线布设，使洪水远离大坝，地基条件也安全可靠。综合分析，大沟水库溢洪道消能方案选择底流消能方案。

大沟水库除险加固完成后，经过3年4个汛期的运用，2013年曾安全下泄过约11 m3/s的洪水，运行正常。