小型水庫水文計算與溢洪道控制段加固方案關系探討

潘保存

（山東農業大學 勘察設計研究院，山東 泰安 271018）

小型水庫水文計算與溢洪道控制段加固方案關系探討

潘保存

（山東農業大學 勘察設計研究院，山東 泰安 271018）

以山東省典型水庫——黃家莊水庫的洪水調節計算方法為例，得出影響溢洪道加固方案的主要水文參數，并結合現狀溢洪道控制段存在的問題，分析水文計算與溢洪道控制段加固方案之間的關系，結果表明：溢洪道凈寬與溢洪道進口處水深兩指標與采取何種溢洪道控制段加固方案關系密切，可為類似水庫工程的除險加固提供設計參考。

小型水庫；水文計算；溢洪道；控制段加固方案

據統計，截至2007年底，山東省山丘區共建成小型水庫5281座，占全省水庫總數的96.5%，其中小型險庫3854座，占小型水庫總數的73%。由于受建庫時的歷史條件、工程技術等客觀因素的限制，很多水庫在缺乏基本的水文、地質資料和必要的工程技術條件下就倉促動工，工程質量存在很多缺陷，再加之50a來老化失修，已經對水庫下游人民生命財產安全造成了重大威脅，對病險水庫除險加固迫在眉睫。通過水文計算給水庫加固提供基本的水位、流量資料，溢洪道為一般小型水庫洪水下泄的唯一設施，以山東省為例，探討水文計算與溢洪道控制段加固方案之間的關系，對于解決水庫現有險情，節約工程投資，具有十分重要的意義。

1 水文計算

山東省小型水庫一般位于山丘區，流域面積相對較小，大多小于30km2，流域內缺少暴雨或流量等基礎資料，故采用暴雨等值線圖成果，小流域采用瞬時單位線法分配凈雨推求的洪峰流量值相對偏小，從工程運行安全角度考慮，小型水庫水文以 《山東省小型水庫洪水核算辦法》（簡稱《辦法》）進行計算。下面以黃家莊水庫的洪水調節計算方法為例，簡單介紹該計算方法。

1.1 黃家莊水庫概況

黃家莊水庫位于泰安市岱岳區滿莊鎮黃家莊村北，屬大汶河流域漕河支流，水庫控制流域面積5km2。該水庫于1959年9月動工興建，1966年6月竣工建成，現有農業灌溉333.33hm2，養魚水面面積20hm2，該水庫是以防洪、農業灌溉為主，兼水產養殖等綜合利用的?。↖）型水庫［1］。

1.2 設計洪水計算

結合水庫原始資料，綜合考慮確定黃家莊水庫設計洪水標準為：設計標準50a一遇，校核標準300a一遇［2］。

1.2.1 流域基本特征參數

（1）流域面積F。本工程流域面積為5km2。

（2）主要河道長度L。從地形圖上量算本工程主要河道長度4.5km。

（3）主河道比降J。 J取值為0.027。

（4）流域特征綜合參數。由附圖表查得：

（5）流域特征綜合參數。 k＝L/（J1/3F2/5）＝7.89。

根據“山東省部分縣（市、區）暴雨統計參數分析成果表”查出工程地點以上流域中心多年平均最大24h降雨量24＝110mm，變差系數Cv＝0.57，取Cs＝3.5Cv，根據皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數Kp值表，查得Kp值，然后計算出某種頻率的設計標準24h暴雨量。

1.2.3 單位面積洪峰流量模數qm及最大洪峰流量Qm

根據流域特征綜合參數K和設計標準降雨量H24，按工程地點所在位置和流域坡度、土壤土質、植被等情況，查《辦法》泰沂山南山區qm～H24～k關系曲線，得出設計標準的單位面積洪峰流量模數qm。將單位面積最大洪峰流量模數qm，乘以流域面積F，即可求得設計標準的最大洪峰流量：Qm＝qm×F。

1.2.4 洪水總量的推求

以設計標準的最大24h暴雨量H24P%的75%，加上前期影響雨量Pa，經P＋Pa～hR降雨徑流關系曲線求出凈雨hR，其中山區小型水庫的前期影響雨量Pa取40mm。以凈雨hR乘流域面積F即得到洪水總量：W＝0.1hR×F（萬m3）。

洪水過程按三角形計算，洪水歷時T（即三角形過程的底寬）按下式計算：

式中 W為洪水總量；Qm為最大洪峰流量。

漲洪歷時為1/3t，即最大洪峰Qm出現在1/3t的地方。依據《辦法》中的相關公式，計算結果如表1。

表1 各洪水標準相關指標表 單位：%

1.3 調洪演算

1.3.1 水庫水位、水深和溢洪道泄量q關系計算

黃家莊水庫為無閘控制的小型水庫，加固后溢洪道控制段設寬頂堰，凈寬57m，黃家莊水庫溢洪道泄量q的計算，采用以下簡化公式進行計算，計算水庫不同水位溢洪道的相應泄量，見表2。

式中 1.5為綜合流量系數；B為溢洪道寬度（m）；h為溢洪道堰頂以上的水深（m）。

表2 水庫水位～溢洪道泄量～庫容關系

1.3.2 調洪演算

調洪演算起調水位取溢洪道堰頂高程，頂高程為141.3m，根據《辦法》采用三角形調洪法進行。

首先根據水庫的水位～泄量關系曲線和水位～容積曲線繪制溢洪道堰頂以上調洪庫容V調洪與下泄流量q的關系曲線，將該曲線繪在圖1的左方，其右方繪制入庫洪水過程線Q～t。

在v調洪坐標軸上取一點A，用OA等于洪水總量W，過Qm作水平線交縱坐標軸于B，連接AB，與V調洪～q曲線交于D，過D點作水平線交洪水過程線Q～t的退水段于C，則C點的坐標表示最大下泄流 量 q，D 點的橫坐標OD表示相應的調洪庫容V調洪，根據水位～泄量關系，查出相應標準的防洪水位，計算結果見表3。

表3 洪水調節計算成果表

綜上，溢洪道凈寬（B）直接影響洪水出口處的寬度，而溢洪道進口處水深（h）直接取決于堰頂高程，兩個指標為洪水調節計算的兩項關鍵指標。

2 小型水庫現狀溢洪道控制段存在問題

2.1 水庫行洪能力差

山東省小型水庫多建于20世紀50～60年代，建庫以來沒有進行系統治理，現狀溢洪道控制段斷面坑洼不平，行洪斷面過窄，造成水庫行洪能力不足，嚴重威脅大壩安全。

2.2 溢洪道無閘控制

大部分水庫溢洪道基本無閘控制，使下游河道行洪壓力過大。

2.3 人為破壞

有些缺水嚴重地區，為人畜飲水，未經水利主管部門許可，人為加高溢洪道頂高程，使水庫調洪庫容減小，不能發揮水庫的調洪滯洪作用。

2.4 溢洪道巖石風化嚴重和地質條件欠佳

部分水庫溢洪道兩岸邊坡較陡，沿節理裂隙風化后產生掉塊，對兩岸邊坡穩定極易產生不利影響，溢洪道基底巖石風化嚴重，局部為寬大的強風化巖體，影響泄洪，下游大都無消能防沖設施。

2.5 設計標準低

少數水庫溢洪道控制段兩岸建有擋土墻，但因砌石砂漿強度較低，運行50a來風化剝蝕嚴重，達不到設計要求，且擋土墻只在壩端局部設置，對大壩裹頭形成保護，當泄洪量較大時極易沖毀下游壩腳。

3 水文計算與溢洪道控制段加固方案的關系

小型水庫除險加固本著解決現狀問題、盡量不加高大壩，節省投資的原則［3］，結合實際地形、溢洪道控制段［4］，一般應采取保持現狀寬度、拓寬、降低堰頂高程、拓寬結合降低堰頂高程、開挖非常溢洪道5種方案。

3.1 保持現狀寬度

根據《辦法》，山東省山丘區小型水庫的庫容系數為0.8～1.5，即認為是適宜的，一般取0.9～1.2。 根據水文計算成果，當庫容系數合適、現狀壩頂高程滿足防洪要求時，可采用該方案，為保證水流平順，控制段一般采取新建寬頂堰。

該方案除施工簡單，節約資金外，還能夠最大限度地發揮水庫的興利功能；對于有原始資料的水庫該方案應用較為廣泛。

3.2 拓寬溢洪道凈寬（B）

經調洪計算，水庫防洪水位較高，需要加高壩頂高程，為節省投資，在盡量少占用土地的條件下，可采取拓寬溢洪道寬度，增設壩頂防浪墻的方案，泰安市岱岳區黃家莊水庫除險加固采取該方案，將溢洪道控制段凈寬（B）由40m加寬為57m［5］，加固后運行良好。

溢洪道拓寬，施工簡單，節約資金，還能夠最大限度地發揮水庫的經濟效益，但拓寬溢洪道會占用土地，另外擴寬后，水庫下泄流量大，會對水庫下游未按防洪標準治理的河道產生不利影響。

3.3 降低溢洪道堰頂高程

水庫防洪水位較高，水庫現狀條件下，兩岸又不允許占用土地，需要抬高壩頂高程。為節省工程投資，可采取該方案。

降低溢洪道堰頂高程，不占用土地，水庫調洪庫容增大，提高了水庫的防洪能力，但山丘區水庫溢洪道底部一般為微風化、弱風化巖石，可能需要爆破開挖，另一方面正常蓄水位降低，對有興利要求的水庫，可能對以后生產生活帶來不利影響，除此之外，溢洪道挖深后，兩岸擋土墻高度相應加大，對大壩裹頭及兩岸邊坡穩定、正常交通帶來不利影響。

3.4 拓寬與開挖結合

對于兩岸缺少拓寬溢洪道條件且對興利要求不大的水庫，可采取拓寬結合下挖、新建防浪墻方案。

該方案綜合了上述兩個方案的優點，同時最大限度地減小了兩方案的不足，不但節約資金，而且提高了水庫的防洪能力，該方案在實際工程設計中應用較為廣泛。

3.5 開挖非常溢洪道，增加凈寬（B）

經調洪計算，水庫現狀防洪水位較高，在地形條件允許，開挖工程量不大、下游保護目標較為重要的情況下，可考慮該方案。泰安市岱岳區彭家峪水庫除險加固采取了該方案［6］，主溢洪道位于大壩西側，為開敞式無閘控制寬頂堰形式，凈寬38m，長86m，加固后在大壩左岸新開挖非常溢洪道，凈寬27m，至今運行效果良好。

開挖非常溢洪道施工簡單，不受已建工程制約，下泄流量大，提高了自身的防洪能力，但可能占用較多土地，給人民的生產生活帶來一定影響，另外下泄洪水匯入下游河道，對下游河道行洪，造成一定影響，故該方案適用于地理位置特別重要的水庫，亦需充分的技術經濟比選后確定。

4 結語

通過對水文計算的分析確定溢洪道凈寬（B）、溢洪道進口處水深（h）為水文計算的兩個關鍵指標，并結合現狀溢洪道控制段存在的問題，分析了該關鍵指標與溢洪道控制段加固方案之間的關系，得出在溢洪道控制段加固方案應采取保持現狀寬度、拓寬、降低堰頂高程、拓寬結合降低堰頂高程和開挖非常溢洪道5種方案，為類似工程除險加固設計時提供參考。

［1］泰安市水利與漁業局工程管理站.泰安市水庫大壩注冊登記資料匯編［G］.2002.

［2］SL－252—2000，水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.

［3］水利部.關于印發重點小型病險水庫除險加固工程初步設計指導意見的通知［Z］.水總［2008］428號.2008－10－17.

［4］SL253—2000，溢洪道設計規范［S］.

［5］潘保存.泰安市岱岳區黃家莊水庫除險加固工程施工圖設計說明書［R］.2008.

［6］李超.泰安市岱岳區彭家峪水庫除險加固工程施工圖設計說明書［R］.2008.

Relation between hydrologic computation and reinforcement scheme of control part of the spillway in small reservoir

PAN Bao－cun

（Survey and Design Institute， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China）

Taking typical reservoirs’s method of flood mitigation in Huangjiazhuang reservoir of Shandong province as an example，getting the main hydraulic parameters of the spillway reinforcing programmes，and combining the problems existed in the control part of the spillway，researching on the relation between hydrologic computation and reinforcement scheme of the spillway in small reservoir.The results showed that the effective width and the depth of water at the entrance of spillway，which are intimate with the control part of the spillway’s scheme.It would be provided design reference for danger control and reinforcement of similar reservoir.

small reservoir；hydrologic computation；spillway；control part of the spillway

TV62＋1；TV122＋.3

A

1672-9900（2010）06-0009-03

2010－10－22

潘保存（1982－），男（漢族），山東聊城人，助理工程師，主要從事水利水電工程設計研究，（Tel）13792104362。