洋縣黨河水庫正常溢洪道出口消能設計

冀 飛

（漢中市水利水電建筑勘測設計院 陜西 漢中 723000）

1 概述

洋縣黨河水庫位于縣城以北7km周家坎村，是一座以農田灌溉為主，兼發電、防洪、水產養殖、旅游等綜合利用的全國重點中型水庫。水庫樞紐主要包括：均質土壩、正常溢洪道、非常溢洪道、輸水涵洞等建筑物。土壩最大壩高51m，原設計總庫容4190萬m3。黨水河發源于秦嶺南麓洋縣鐵河鄉境內，屬漢江一級支流?？偭饔蛎娣e281.4km2，壩址以上控制流域面積237km2，多年平均徑流量0.892 億m3。

水庫樞紐于1966年10月動工，1970年3月建成蓄水。由于歷史的原因，水庫運行近40年來，多次發生嚴重險情，雖經臨時加固處理，但限于資金緊缺未能徹底解決已存的多處病險，特別是“5·12”地震發生后，水庫險情加重。

2007年4月漢中市水利局依據水利部頒發的《水庫大壩安全鑒定辦法》及陜西省水利廳的有關要求，確定該水庫為三類病險水庫。

2 溢洪道現狀及出口病險成因分析

根據水電部《關于復核水庫防洪安全的幾點規定》和陜西省1975年水利會議精神“大中型水庫都要以可能最大洪水作為保壩標準進行復核，提出加固處理的工程措施”。黨河水庫最大可能洪水定為3800m3/s，其下泄流量3050m3/s遠大于原溢洪道保壩下泄流量1230m3/s，故1977年增建第二溢洪道（即正常溢洪道）。

正常溢洪道現狀為：進口寬頂堰，堰寬53m，堰頂高程529.0m，漸變段樁號0+000～0+080，底坡 1∶20，底寬 53m～40m；梯形泄槽段樁號 0+080～0+150，底坡 1∶30，底寬 40m；樁號 0+150～0+330，底坡 1∶50，底寬 40m；樁號0+330～0+340為的拋物線泄流面，樁號0+340～0+345 為 1∶3 底坡，樁號 0+345～0+352為R=9m的反弧挑坎，挑射角θ=25°。泄槽末端0+330處高程819.07m，鼻坎高程516.089m。

黨河水庫為Ⅲ等中型水利工程，防洪標準采用100年一遇洪水設計，Q泄=954m3/s；1000年一遇洪水校核，Q泄=1496m3/s；消能防沖采用30年一遇洪水設計，Q泄=717m3/s。正常溢洪道于1984年建成至今，最大實測泄量為133m3/s，由于長時間小流量沖刷，致使挑坎齒墻基礎裸露，高出沖坑底部6.0m，局部掏空1.0m，并且下游河道狹窄，洪水回旋沖刷嚴重，基礎懸空外露，致使兩岸邊坡崩塌特別嚴重。1995年除險加固時，由于資金缺乏，僅在溢洪道鼻坎基礎位置修建6.3m長護坦。

正常溢洪道出口破壞形式是小流量貼流沖刷引起，主要原因是：①反弧段前段坡較緩（底坡1∶3）；②挑流鼻坎設置較高，鼻坎落差僅為2.981m，挑流水頭??；③鼻坎根部基礎及其下游為風化云母片巖，抗沖能力弱；④下游河床變化，不能形成較穩定的沖坑。因此，小流量時反弧段成了消力池，水流沒有足夠的能量起挑，形成貼流，沖刷鼻坎根部基礎。

3 工程地質條件

正常溢洪道位于大壩左側山坡，由NW向SE方向延伸，在下游與一近南北走向的小沖溝交匯。山坡地貌單位屬黨水河四級階地，為基座式階地，基地高程約為520m，階地上部為粘土層，下部為砂卵石層。

表1 溢洪道出口消能方式方案比較

表2 各種頻率洪水消能計算結果表 單位:m

根據溢洪道底板高程，溢洪道上段（0+000～0+093）底板地基上部為棕色粘土層，呈硬塑狀，厚度0～3.6m，下部為砂卵石層，最大厚度約4.8m，密實，下伏全～強風化片巖；溢洪道中段（0+093～0+253）底板地基上部為密實的砂卵石層，下伏全～強風化片巖。溢洪道下段（0+253～0+371）底板直接處于強風化片巖上。下游沖刷坑基巖裸露為強風化片巖。溢洪道全段為無大的斷層切割，底板工程地質條件較好。

溢洪道下段側墻底部為全～強風化片巖，中部為厚度9.4m～9.8m的砂卵石層，上部為粘土層，最大厚度達21m，下部砂卵石層為漿砌石砌護，砌護高度為9.2m，坡度 45°～48°，穩定性較好。上部粘土質邊坡由于高度大，坡度陡，穩定性差，挑流鼻坎段左、右邊坡風化基巖、砂卵石層以及粘土層均外露，長期遭受風化剝蝕，加之泄洪時水流飛濺，淘蝕岸坡坡腳，造成邊坡失穩。

4 溢洪道出口消能設計

溢洪道現狀出口消能采用挑流消能，根據黨河水庫的工程規模，消能設施按照30年一遇洪水標準設計，結合實際地形，設計對挑流消能和綜合跌水消能兩種方案進行比較，見表1。通過經濟比較，推薦挑流消能作為溢洪道出口的效能方案。

由于溢洪道出口破壞形式主要是由小流量貼流沖刷引起，根據其病險原因并根據消能設施的規模以及長期運行經驗，結合實際地形，出口消能設施接泄槽末端（樁號0+326.9）將原拋物線泄流面改為y=8x2/289，長度仍為10m，采用 9m長的1∶2底坡連接，反弧段R=10m，挑射角θ=25°，挑流鼻坎高程由516.089m降至 511.57m（見圖1）。出口消能部分均采用C20鋼筋混凝土現澆，厚1.5m。鼻坎末端做1.5m深齒墻，并通過現澆橫向鋼筋混凝土梁將原溢洪道末端挑坎Φ=1.0m的5個鋼筋混凝土柱連接，增強挑坎的抗滑穩定性。同時在整個出口段增加Φ=25mm的錨桿，長2.8m，間距2.5m，呈梅花形布置。

由于下游河道較窄，加之挑流鼻坎左、右邊坡風化基巖、砂卵石層以及粘土層均外露，長期遭受風化剝蝕，為避免挑流水舌對出口兩岸山坡的沖刷，增大單寬流量，減緩沖坑坡比，設計將挑流出口由40m縮窄至30m。

通過對不同頻率泄量進行出口消能水力計算（見表2），沖坑后坡比均滿足規范的設計要求。

應用能量方程和平底水躍公式及實用堰流公式，聯立求解，得臨界起挑流量Q=95.5m3/s，應用挑流計算公式求得此流量下的挑射距離為23.84m。短護坦防護范圍首先要使貼流沖刷得到有效的防護，其次不使挑射水流直接沖擊護坦。根據計算結果接原護坦末端新建15m長鋼筋混凝土護坦，護坦范圍內兩岸山體采用漿砌石擋土墻砌護，對于出口巖石滑坡體根據地形適當削坡后采用掛鋼筋網混凝土噴護。

挑流鼻坎側墻墻趾以及鼻坎中心處設置與原泄槽底板排水系統銜接的縱向排水溝，坡比隨挑流鼻坎坡度設置；樁號溢 0+332.9、溢0+342.9和溢 0+352.9設置坡比為2%的橫向排水溝與縱向排水溝相連。排水溝均為矩形斷面，尺寸0.4m×0.3m（寬×高），溝內充填耐風化碎石。

5 小結

通過分析黨河水庫正常溢洪道出口段病險原因，經過分析比較采用降低挑流鼻坎高程，增大挑距的消能方式，同時計算下泄臨界起挑流量（95.5m3/s）時的挑距，并結合出口實際地形情況，新建15m混凝土結構護坦，保護鼻坎根部基礎。

該設計方案建設周期短，建成后即可投入使用。通過2010年汛期的實際運行消能效果理想，達到了設計要求。出口段的除險加固使得黨河水庫在灌溉和防洪功能得以充分發揮，為當地生產力的發展提供了有力支撐。陜西水利