石窑水库泄洪方案改建设计分析

摘 要：简述了石窑水库的概况，分析了石窑水库泄洪现状及主要问题，从工程任务与规模、工程总体布置、泄洪方案选择与分析等方面，介绍了石窑水库泄洪方案改建设计。

关键词：石窑水库；泄洪方案；改建设计

1 工程概况

1.1 地理概况

石窑水库位于山西省阳城县河北镇石窑村，属黄河流域沁河支流涧河，水库坝址以上流域长8.37km，控制流域面积12km2，流域平均宽1.434km，平均流域纵坡25.5‰，水库原设计总库容12万m3，枢纽工程原设计由浆砌石重力坝、溢洪道、卧管输水洞等建筑物组成。石窑水库原设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为100年一遇。建库时因受历史条件限制，遗留问题较多，五十多年来，水库一直带病运行，存在坝体单薄、稳定达不到规范要求、水库防洪能力不满足规范要求等问题，给水库安全运行埋下很大的隐患。

1.2 水文概况

年径流：水库流域为无资料地区，按山西省水文分区属东区，产流地类为灰岩灌丛山地。径流计算参考《山西省水文计算手册》，按幂函数法计算地表年径流量，流域面雨量按1956～2008长系列等值线图查算，多年平均径流量为21.91万m3。

洪水：由于水库流域流域面积较小，夏季短历时暴雨时有发生，导致流域常出现陡涨陡落的洪水，峰高量小，较为符合北方山区型小流域的洪水特征，洪水计算根据《山西省水文计算手册》（以后简称《手册》）中水文分区图，确定水库流域所处分区属东区，计算采用综合瞬时单位线法和推理公式法进行比对，结果为：水库加固改造后，20年一遇标准洪水，水库最高水位为999.72m，相应库容为10.6万m3，最大下泄流量为29.55m3/s；百年一遇标准洪水，水库最高水位为1000.58m，相应库容为11.7万m3，最大下泄流量为84.26m3/s。

1.3 地质概况

库区地貌为低中山丘陵地带，地势由西南向东北倾斜，河谷断面一般为“V”型。地质构造属大地构造单元为吕梁-太行断块沁水块坳之沾尚-武乡-阳城北东向褶皱带中部。本区属构造剥蚀中低山区，基岩裸露，工程区处在一个地层平缓、地壳相对稳定的地块，区域稳定性较好。

坝址区的地质构造变形轻微，地层较平缓，未发现大的构造断裂，坝址左岸基岩出露，右岸多被坡残积土所覆盖，基岩岩层倾向北东，倾角10°。

溢洪道地层为下奥陶统白云岩，致密坚硬，岩体较完整。

2 工程任务与规模

石窑水库原设计主要任务为防洪为主，同时兼顾灌溉要求。建库时受历史条件限制，遗留问题较多。为保障水库防洪安全，设计对石窑水库进行泄洪改建，内容为：对旧坝体部分拆除、培厚，改溢洪道泄洪为坝身泄洪。

改建后，水库遭遇20年一遇标准洪水时，水库最高水位为999.72m，相应库容为10.6万m3，最大下泄流量为29.55m3/s；遭遇百年一遇洪水时，水库最高水位为1000.58m，相应库容为11.7万m3，最大下泄流量为84.26m3/s。

3 工程总体布置

3.1 工程等级和标准

石窑水库枢纽大坝为浆砌石坝，水库原设计总库容12万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，本工程属Ⅴ等水利枢纽工程，枢纽永久性主要建筑物大坝、输水洞为5级建筑物，其它永久性次要建筑物及临时性建筑物为5级建筑物。

根据《石窑水库大坝安全鉴定报告》鉴定结论：石窑水库防洪标准为20年一遇设计，百年一遇校核。

根据《中国地震烈度区划图》（2001），石窑水库坝址区地震烈度为6度，按规定不需地震设防。

3.2 工程总体布置

改造后最大坝高12.5m，坝顶长度51.5m，顶宽4.0m，坝顶高程1001.9m。坝顶上游侧设防浪墙，墙顶高程1002.9m，宽0.5m。

坝顶桩号0+000～0+017、0+038～0+051.5为非溢流段，坝顶桩号0+017～0+038为溢流段，设3孔，单孔宽6.0m。溢流面采用“WES”坝面，溢流堰顶高程998.9m，坝面采用C30钢筋混凝土结构。

坝顶溢流段设有工作桥，桥面总宽4.0m，单块面板宽1.0m，长7.0m，厚0.4m，采用C30钢筋混凝土结构。

卧管输水洞位于大坝右岸，改造对卧管进行勾缝防渗处理。因坝面培厚，输水洞向下游延长，改造后输水洞总长10.0m。

4 泄洪方案选择与分析

4.1 方案选择

水库泄洪主要有两种比选方案：①对现有溢洪道进行开挖处理；②放弃对现有溢洪道进行开挖，选择对坝身进行溢流改造。

4.2 方案分析

溢洪道现状右岸为陡立山体，溢洪道可开挖成型宽度不足10m，在假定溢洪道宽为10m的条件下，进行20年一遇设计洪水和百年一遇校核洪水多次调洪计算，计算结果表明即使溢洪道深达5m仍不能满足百年一遇校核洪水要求。通过对溢洪道地质条件进行分析，溢洪道纵段基础为完整基岩，开挖困难，且溢洪道与坝体紧邻，强行开挖将对大坝产生不利影响。同时，大坝高度仅有12.5m，上游库区淤积深度达到5m多，若对溢洪道进行加深开挖处理，将降低水库除险加固后的工程效益，且需新建跨溢洪道上坝工作桥。综合分析，否定方案①而选择方案②进行泄洪改建设计。

5 改建设计

5.1 溢流改造设计

改建后的溢流坝堰顶高程998.9m，溢流面采用C30钢筋混凝土结构，新浇筑溢流坝面混凝土与原坝体浆砌石之间设置锚杆，锚杆间距1.0m，梅花型布置，锚杆长度2.0m，杆径20mm，原坝体浆砌石拆除断面为阶梯型，最小拆除厚度取0.75m。

5.2 堰面设计

堰面曲线为“WES”曲线，经计算曲线方程为：y=0.2710·？字1.85；上游堰面采用三段圆弧法，经计算的得，R1=1.028m，R2=0.411m，R3=0.082m；L1=0.36m，L2=0.567m，L3=0.580m；下游直线段采用与非溢流段下游坝面相同坡度，取0.75。

选用挑流消能设计，设计选定挑流坎高程为992.9m，设计反弧半径选用R=5.0m，挑角为22°1"31”，反弧段角度为55°2"50”。

5.3 消能设计

挑流射程的计算参考《水利计算手册》，计算公式如下：

式中，h，v-鼻坎出口断面的水深和流速；？兹S-挑射角；？驻S-鼻坎顶点与下游水面的高差；g-重力加速度。

冲坑深度的计算采用公式：

t=Kq0.5Z0.25-ht

式中：t-冲坑深度；q-单宽流量；Z-上下游水位差；ht-下游水深；K-抗冲系数，主要与河床地质条件有关。计算结果见表1。

为减小对下游河床的冲刷，在溢流段下游10m范围内抛石，深1.5～2.0m。

作者简介：戴宏胜（1982，7-），男，2009年毕业于太原理工大学水利科学与工程学院，硕士研究生学历，工作于晋城市水利工程安全管理办公室，现借调于晋城市水利勘测设计院从事水工设计工作。