林州市南谷洞水库扩容兴利分析评价

南素民 张伏祥

【摘要】南谷洞水库大坝坝高较大，未能充分利用现有宝贵的水资源。拟抬高水库兴利水位，扩大兴利库容，对扩容后的水库进行安全分析评价。

【关键词】南谷洞水库；抬高兴利水位；扩容兴利；分析评价

1、概述

1.1 南谷洞水库概况

南谷洞水库是举世闻名的红旗渠灌区的重要补源工程，是海河流域浊漳河支流露水河上的一座以防洪灌溉为主，结合发电、旅游、养殖等综合利用的中型水库。水库控制流域面积270km2，兴利库容3762万m3，总库容7750万m3，主要建筑物有拦河坝、溢洪道、输水洞、电站等。

自1972年以来，水库共拦蓄1000m3/s以上的洪峰4次，拦蓄洪峰70%以上，在工程防洪上发挥了巨大作用。从1990年水库基本正常运行以来，累计向红旗渠补充水源3.12亿m3，水电站自1993年建成累计发电1267万kw·h，为林州市的工农业发展作出了巨大贡献。

1.2 水库扩容的必要性

南谷洞水库位于浊漳河支流露水河上，流域面积720km2，河道全长约60km，坝址以上流域面积270km2，河道长45km。水库多年平均径流深208mm，多年平均年径流量为5605万m3。水库大坝坝高较大，而现状兴利库容为3762万m3，未能充分利用现有宝贵的水资源。

水库坝顶高程为541.5m，高出现状允许最高水位8.31m，库容还有较大的可利用余地。根据工程经验，结合水库多年平均径流量情况，拟将兴利水位提高3m。水库进行扩容后，水库兴利库容可达4240万m3，增加478万m3，对缓解目前林州市日益紧张的用水和保证红旗渠灌区的正常运行有着非常重要的意义。

2、分析评价内容

南谷洞水库兴利水位抬高3.0m以后，对水库的工作性态产生一定的影响，有可能影响水库的正常运用。应按照《水库大坝安全评价导则》（SL258—2000），对扩容后的水库进行分析评价，以确定扩容后大坝的安全性，或者在不满足安全性能时，考虑采取何种措施进行处理。

分析评价的主要内容：大坝防洪标准、渗流性状安全和结构安全分析。并在分析评价的基础上提出综合评价结论及建议。

3、防洪安全分析评价

3.1 评价目的

南谷洞水库扩大兴利库容后，兴利水位由现状520.0m抬高至523.0m，设计洪水位和校核洪水位也相应抬高。对水库设计洪水进行调洪演算，确定扩容后水库运行过程中相应最高水位，分析水库抗洪能力，评价扩容后水库防洪标准是否满足有关规范要求。

3.2 調洪演算

水库扩容前，水库防洪起调水位为520.00m。水库扩容后，根据不同泄流形式采用不同的运用方式。采用宽顶堰泄流：水库防洪起调水位为堰顶高程523.00m；采用橡胶坝泄流：水库防洪起调水位为橡胶坝底板高程520.30m。本次分析评价将对此两种泄流形式分别进行调洪演算，以确定扩容后水库运行过程中相应最高水位。

调洪演算按照水量平衡原理，采用半图解法，根据水库所采用的两种泄流形式的运行方式及不同频率的设计洪水过程线，进行调洪演算，得出各泄流形式下各种频率洪水时的水位、库容和泄量，调洪演算成果见表3.1、3.2。

3.3 防洪安全分析评价结论

3.3.1 允许最高水位的确定

南谷洞水库防浪墙顶高程为541.50m，根据有关规范和资料，计算风浪高为0.72m。根据有关规范，中型水库校核洪水时安全加高值不低于0.4m，水库允许最高水位为540.38m。

3.3.2 抗洪能力分析

南谷洞水库大坝属3级建筑物。按照《防洪标准》和《水电枢纽工程等级划分及洪水标准》，水库防洪设计标准为100～50年一遇，校核标准为2000～1000年一遇。

根据调洪演算成果，采用宽顶堰泄流时1000年一遇校核洪水位为533.66m，采用橡胶坝泄流时1000年一遇校核洪水位为531.50m，均低于水库现状允许最高水位540.38m。

3.3.3 分析评价结论

南谷洞水库采用宽顶堰和橡胶坝扩容后均能满足抗洪安全要求，其防洪标准符合规范要求。与采用橡胶坝扩容相比，采用宽顶堰便于施工、管理，费用较低，而且在汛期时橡胶坝容易被含沙石水流破坏，因此建议南谷洞水库采用新建3.0m高宽顶堰进行扩容。

4、渗流安全分析评价

4.1 评价目的

南谷洞水库扩大兴利库容后，兴利水位由现状520.0m抬高至523.0m，水库渗流性状发生变化，需进行渗流分析评价。本次根据大坝渗流理论重新分析计算，评价其渗流性状是否安全。

4.2 计算分析

2004年以来，南谷洞水库实施了第五次除险加固工程，完善了防渗工程。水库形成了以坝基防渗墙、大坝沥青砼面板、坝肩帷幕灌浆为主体的较完善的防渗体系，从渗流观测情况看，现状大坝防渗效果较好。

经渗流理论计算，水库扩容前和扩容后坝体渗漏量分别为 224m3/d和255m3/d，沥青砼面板后渗流水面线高度分别为0.78和0.82m。水库扩容后坝体计算渗漏量较扩容前增加31m3/d，渗漏量增加较小，而且扩容后面板后渗流水面线高度增加很小，渗透坡降增加也很小。

4.3 渗流安全分析评价结论

渗流理论计算按照形成稳定渗流期的危险水位523.00m进行，大坝扩容前、后渗流量和渗透坡降变化很小，说明水库扩容后对大坝渗流安全影响很小。

南谷洞水库采用宽顶堰或橡胶坝扩容后均能满足防渗要求，大坝渗流安全符合规范要求。

5、大坝结构安全分析评价

5.1 评价目的

南谷洞水库扩大兴利库容后，兴利水位由现状520.0m抬高至523.0m，坝体所受各项作用也相应变化。本次将对扩容后大坝坝坡稳定进行计算分析，评价其结构安全是否满足要求。

5.2 计算分析

根据《碾压式土石坝设计规范》，分别对大坝上下游坝坡正常工作条件及非常工作条件下的各种危险组合进行稳定计算分析。坝坡稳定分析按刚体极限平衡理论，分别采用瑞典圆弧法、毕肖普法的有效应力法进行计算。计算采用土石坝边坡稳定分析程序—STAB95进行，并将各计算结果进行比较分析。

坝坡稳定分析计算了主槽段一个断面2种工况组合情况的深层及浅层滑动，其稳定计算成果如见表5.1。

根据《碾压式土石坝设计规范》，3级建筑物正常情况下坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.3。由此，上游坝坡在正常蓄水位时浅层和深层滑弧最小安全系数均满足要求。下游坝坡在正常蓄水位下形成稳定渗流期时浅层滑弧最小安全系数为1.09，不满足要求。但比较其它水库大坝实际情况，堆石体的内摩擦角均大于40°，本次计算中未计入坝面干砌块石等有利因素，而实际工程经验表明采用瑞典圆弧法时计算的安全系数偏低，且此浅层危险滑弧只存在于下游坝坡的表层，即使发生滑动，也不致影响大坝整体安全。综合考虑，南谷洞大坝在兴利水位抬高3m后坝坡稳定性能够满足要求，运行安全。

5.3 分析评价结论

大坝运行将近四十年，经过多年较高库水位考验，未发生危及大坝安全的滑动问题。经分析计算，各种工况的安全系数基本满足有关规范允许值，个别滑弧略小于允许值，但未计入一些有利因素，综合考虑应能满足规范要求。因此，大坝在水库扩容后运行是安全的。

6、分析评价结论及建议

6.1 结论

溢洪道新建3.0m高的挡水堰后，大坝防洪安全、渗流安全和坝坡稳定安全等均能满足有关规范要求，水库能够正常、安全运行。

6.2 建议

扩大兴利库容，采用宽顶堰便于施工、维护、管理，且费用较低。因此，建议南谷洞水库采用新建3.0m高宽顶堰进行扩容兴利。