辛庄水库扩建工程库区冲刷淤积分析

吴 溪

（湖北省核工业地质局，湖北 孝感 432000）

0 前言

水是人类赖以生存和发展经济的生命线，是实现可持续发展的重要物质基础，是直接影响国计民生的重要基础设施[1]。我国水资源贫乏，由于特定的自然地理特点和气候条件，降雨具有时空分配不均，年内年际变化大，多集中在汛期的特点，造成了不同地区、不同程度的资源型、工程型或水质型缺水，严重制约了经济社会和生态环境的可持续发展[2～3]。经济的快速增长、城市化进程的加快和产业结构、布局的调整，决定了水利与经济社会发展的密切关系，以及水利在经济社会发展中的基础性地位。水利由农业的经济命脉转变为国民经济的命脉，成为国民经济的基础产业。

山亭区位于鲁南山区的西南部边缘地带，属暖温带季风区半湿润气候，适宜的气候和土壤条件有利于樱桃的种植。水泉镇位于山亭区北部，作为全市唯一的无粮镇，是我国樱桃标准化示范区。然而，由于季节性降雨分配不均，现状水源工程设置不够完善，很大程度上影响了水泉镇樱桃的正常生长和产量、质量的提高。辛庄水库位于水泉镇下辛庄北，没有已建成的万人以上集中供水工程，农村居民饮水供水能力不足，水质和水量不能满足供水要求，亟需改善集中供水工程，从而解决用水安全问题。因此，开展辛庄水库扩建工程建设可提高农村饮水保障程度，从根本上解决项目区农村饮水不安全问题，保障人民的生命健康，促进农村经济社会和谐发展。冲淤分析是水库建设的重要评价因子[4]，因此本文将结合辛庄水库扩建工程开展库区冲淤分析。

1 项目区概况

辛庄水库位于城河辛庄支流上游，控制流域面积为17.5 km2，呈扇形。辛庄水库现状为小（1）型水库，兴利水位为195.3 m，设计洪水位196.50 m，校核洪水位199.5 m，为缓解区域灌溉水源紧缺的状况，解决区域饮水安全问题，提高流域的防洪能力，改善库区周边生态环境，拟对已建的辛庄水库进行扩容增效。辛庄水库上游多年平均来水512.08万m3，扩建后的辛庄水库可满足2.268万亩樱桃种植的灌溉要求，较现状工程条件下的1.2万亩新增1.068万亩，同时解决了当地饮水安全问题。

扩建后的辛庄水库是以防洪、灌溉为主，兼顾多种功能的中型水库，总库容为1056.57万m3，兴利水位为200.00 m，设计洪水位为201.90 m，校核洪水位203.30 m，兴利库容642.6万m3，死库容111万m3，水库大坝坝型为均质坝，最大坝高25.2 m，坝长550 m。扩建工程设计，大坝坝顶高程由原200.60 m，加高至204.10 m，坝顶宽6.0 m，边坡1∶3。溢洪道设计底高程为197.0 m，在原址设3孔平底板溢洪闸，闸孔净宽为4.0 m，高3.0 m，闸墩墩顶高程为203.00 m；放水洞拟在原址（水库大坝0+030）改建，设坝前竖井式放水洞，放水洞为1 m×1 m钢筋砼箱涵，设计最大引水流量1.28 m3/s；管理所设在溢洪闸西南。

本工程的总体工程规模为中型。主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物为5级。

2 扩建工程库区冲刷淤积分析

扩建工程起调水位采用200.0 m，水库50年一遇洪水位200.74 m，比扩容前50年一遇洪水位196.5 m高4.24 m；500年一遇洪水位为202.51 m，比扩容前500年一遇洪水位199.5 m高3.01 m。扩建工程设计洪水设计及校核标准提高，相应洪水位抬高。目前工程设计中对冲刷与淤积的分析评价以经验公式以及参照岩马水库实测资料分析，本文水库冲刷分析拟采用规范公式进行计算验证，淤积分析则根据实测泥沙量开展分析研究。

2.1 水库下游冲刷分析

辛庄水库扩容前溢洪道净宽16 m，最大泄量为315 m3/s，单宽过流能力为19.7 m3/s，扩容后溢洪闸净宽12 m，单宽过流能力增大到21.1 m3/s。需对消能防冲措施进行水力计算复核。

工程现状为开敞式溢洪道，不带闸控制，现状溢洪道明槽宽16 m，溢洪道下游渐窄，下游距交通桥145 m处溢洪道转弯。两侧现状无挡墙，无消能防冲设施，溢洪时对两岸淘刷严重；拟建溢洪道控制段为带闸控制的驼峰堰。驼峰堰堰高1.7 m，堰顶高程为197.0 m，堰底高程为195.3 m，为素混凝土结构，局部加筋。驼峰堰上溢洪闸共设3孔，单孔净宽4.0 m，总净宽12.0 m，边墩宽1.2 m，中墩宽1.2 m，工作闸门吊点中心线与驼峰堰中心线重合；现状溢洪道泄槽平面呈曲线布置，起始走向东北，0+000～1+000为直线段，1+000～1+060为圆弧段，转向南部，轴线圆弧半径为90.0 m，转角为38°，1+060～2+000为直线段。设计泄槽为矩形断面，“U”形结构，底宽为14.4 m（与溢洪闸同宽），高度为2.5 m，底板及侧墙均为钢筋混凝土结构。泄槽长度为200 m（0+000～0+200），比降为1∶50。泄槽末端接挑流鼻坎，反弧半径为10 m，挑射角度23°。挑坎为连续等宽式，根据溢洪道设计规范要求，挑流鼻坎反弧半径R采用反弧最低点最大水深h的6～12倍，其中R为10 m，h为1 m。

（1）挑流水舌外缘挑距计算[5～6]：

按溢洪道设计规范计算要求：

式中：L为挑流水舌外缘挑距，从挑坎末端算起，m；θ为挑流水舌水面出射角，采用鼻坎挑角近似计算，取23°；h1表示挑流鼻坎末端位置的法向水深，m，取1.0 m；h2为鼻坎坎顶至下游河床高程差，m，取4.6 m；ν1为鼻坎坎顶主流流速，按末端断面平均流速的1.1倍计，m/s，取13 m/s。

（2）冲坑最大水垫深度计算[5～6]：

同时根据设计规范计算冲坑水垫深度

式中：T为水面至冲坑最低点的水垫深度，m；q为鼻坎末端断面单宽流量，m3/（s·m），取21.1；Z为上、下游水位差，m，取58；K为综合冲刷系数，取K=1.1。

根据30年一遇洪水资料，计算结果显示挑距达到20.35 m，满足设计的18 m挑距要求；冲刷坑深度4.68 m，冲坑上游坡度小于1/3，30年一遇设计洪水泄洪时，冲坑不会危及挑坎齿墙的安全，设计消能防冲设施满足规范要求的不影响挑坎基础、两岸岸坡稳定及相邻建筑物的安全规定。

此外，扩建工程的大坝坝体加高、坝坡护砌、防浪墙工程的实施能够有效降低库区来水冲刷及波浪影响；环库生产路加高工程对库区来水形成良好的拦挡及整流效果；同时，流域内其他水利工程的运行及协调配合，能够有效降低汛期洪水对单一水库的冲刷影响。综上所述，扩建工程相关设计能够有效防护水位抬升带来的库区冲刷影响。

2.2 淤积分析

库区上游侵入岩组成低山丘陵，植被稀少，基岩多裸露，表层全风化层剥落后形成中粗砂、砾砂，呈砂土状，极易被雨水冲蚀流入库内，加上人工开山造田、局部小规模的库岸再造、汛期入库洪水携带大量泥砂入库，固体径流来源较丰富，易产生库区淤积问题。因此，应做好库区水土保持、植树造林、整治冲沟，以减少固体径流来源，消减水库淤积量。

辛庄水库附近无实测泥沙资料，本次坝址以上泥沙参照岩马水库实测资料分析。岩马水库不同时期水位库容关系见表1。

表1 岩马水库不同时期水位～库容关系

岩马水库死水位为117.0 m，根据岩马水库不同时期水位～库容关系分析计算，1960年以后至1998年39年期间，死库容减少了532.1万m3，多年平均淤积量为13.6万m3，其中1960年～1972年12年间淤积302.1万m3，年平均淤积25.17万m3，1972年～1979年7年间淤积190万m3，年平均淤积27.14万m3，1979年～1998年19年间淤积40万m3，年平均淤积仅为2.0万m3。1998年以后随着流域内水土保持、生态建设、蓄水拦沙等工程措施的实施，水库来沙量明显减少。

按岩马水库1960年～1998年年均淤积量13.6万m3，考虑水库的排沙量（按30%估算），岩马水库的多年平均输沙量约为18.2万m3，按干容重1.35 t/m3，根据水库水文资料观测数据显示，辛庄水库多年平均天然径流量为512.08万m3，岩马水库多年平均天然径流量为9805万m3，水库流域径流量之比为0.05。辛庄水库与岩马水库条件类似，符合水文比拟法的应用条件，辛庄水库与岩马水库的平均输沙量之比可近似等于径流量之比，以此进行估算。即：辛庄水库坝址多年平均输沙量约为18.2×0.05=0.91万m3，年平均淤积量为8568 t。考虑1998年以后随着流域内水土保持、生态建设、蓄水拦沙等工程措施的实施，水库来沙量明显减少。

综上所述，坝址以上可能最大淤积量为334152 t，共计24.75万m3，同时考虑库区料场布置取土，且为采砂区，水库至少80万m3的死库容可供淤积。因此可见，水库的淤积对调洪、兴利影响不大。

3 结论

（1）将辛庄水库现状正常蓄水位195.3 m抬高至200.0 m，水库蓄水能力增加至1056.6万m3，蓄水能力较之前增加502.6 万 m3。

（2）泄槽末端接挑流鼻坎，反弧半径为10 m，挑射角度为23°，30年一遇挑距20.35 m，冲刷坑深度4.68 m，消力坎段的侧墙高度为2.3 m～2.8 m。冲刷计算结果显示，泄槽末端挑流消能效果明显，对下游泄洪河段影响较小。

（3）结合岩马水库库区泥沙淤积资料分析，辛庄水库扩建工程库区最大淤积量约为24.75万m3，远小于水库死库容，即水库淤积对调洪、兴利影响不大。

（4）辛庄水库扩建工程满足库区冲淤要求，且对下游局部河段影响甚微，由此可知，该工程建设满足防洪、安全要求。