張灣水庫泄洪方案的優化比選

□賈鵬生 □張國輝 □楊 興（南陽市水利建筑勘測設計院）

1.基本資料

張灣水庫位于南召縣皇路店鎮西北約1.5km處張灣村張灣河上，屬長江流域唐白河水系。壩址以上控制流域面積5km2，主河道長3.5km，河道平均比降0.006。張灣水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧水產養殖等綜合利用的小[1]型水庫，同時也是馬溝灌區的調蓄水庫。

馬溝灌區渠首位于鴨河口水庫右岸，鑿洞以引庫水，灌區總干渠從馬溝隧洞出口至張灣水庫，設計灌溉面積2333hm2。

張灣水庫建成于1959年，原設計標準50年一遇，最高洪水位171.70m（吳淞高程，下同），總庫容325萬m3；興利水位170.2m，相應庫容210萬m3。后由于馬溝灌區總干渠經過張灣水庫，運行方式發生改變，水庫經改建后規劃指標為:設計標準為50年一遇，校核標準為500年一遇，汛限水位164.0m，相應庫容10萬m3,設計水位168.35m，校核水位169.55m，總庫容195萬m3。本次規劃其防洪標準為:30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。

張灣水庫主要由大壩、溢洪道、輸水洞等建筑物組成。大壩為均質壩，壩長400m。溢洪道位于大壩右岸，為開敞式溢洪道，長約170m，現狀底寬20m，無護砌、無消能設施，出口被南陽—南召公路封堵，無法正常泄洪。輸水洞位于大壩右端樁號0+390處，為開挖的隧洞，于1984年建成。輸水洞全長71.5m，坡降1/200，洞身為直徑2m的混凝土管，按無壓洞計算最大泄流量5m3/s。進口引水明渠長20m，底寬2.6m，坡比1：0.5，通過4m長的漸變段把明渠段與喇叭口相連，漸變段末端底寬1.6m。

2.工程規模的確定

2.1 汛限水位及興利水位的選擇

張灣水庫由于存在病險問題，尤其是溢洪道無法使用，為保證防洪安全，只得長期低水位運行，有效庫容僅10余萬m3，水庫綜合利用功能無法充分發揮，大量水資源白白浪費。本次除險加固的目的是在保證防洪安全的前提下，使水庫盡可能多的蓄水，以發揮灌溉、供水、養殖以及景觀等綜合效益。

如以原設計興利水位170.20m為汛限水位起調情況下，設計、校核情況下理論壩頂高程已經高于現狀壩頂，且校核洪水位已超過壩頂最低處（171.58m）約40cm，會造成漫壩危險。

如以原暫定的汛限水位164m起調，設計、校核情況下理論壩頂高程低于現狀壩頂高程，水庫防洪能力可以滿足，但是水庫功能難以充分發揮，水資源浪費嚴重。

結合以上情況，在預防可能出現的洪水，確保大壩及下游安全的情況下，根據設計、校核情況下入庫洪水過程，采用本次初步設計所確定的將現有輸水洞改造成有壓洞方案泄洪，并考慮到現狀壩頂高程不加高的基本要求，經調洪演算反復試算，并結合張灣水庫實際運行要求，確定水庫汛限水位為168m，興利水位與汛限水位一致，即興利水位亦為168m，興利庫容100萬m3，相應庫容101萬m3。

2.2 洪水調節和防洪特征水位的選擇

經采用現有溢洪道開挖方案、新開泄水隧洞方案和調整現狀無壓輸水洞為有壓輸水洞方案進行對比，最終確定采用將現有輸水洞改造成有壓洞方案泄洪。考慮不同水位下隧洞水流流態（無壓流或是有壓流、自由出流或是淹沒出流）后計算得庫水位與下泄流量關系，以水位168m為起調水位，按照不同頻率入庫設計洪水過程線，進行水庫調洪計算，確定30年一遇設計洪水位169.05m，相應庫容150萬m3，最大下泄流量13.9m3/s；300年一遇校核洪水位170.83m，相應庫容253.5萬m3，最大下泄流量15.7m3/s。水庫現狀壩頂高程為171.58～173.52m。本次除險加固設計結合壩頂路面建設實際情況，確定壩頂高程為172m，除險加固后壩頂高程滿足規范要求。

3.泄水方案的確定

由于溢洪道出口被省道堵住，且溢洪道內通往省道有村村通道路1條，路側均為農田，高程均在165m左右。村村通路面距離省道路面高程差只有2m左右，做相應的工程措施比較困難且存在較大淹沒賠償問題，本次除險加固工程通過現有溢洪道開挖方案、新開泄水隧洞方案和調整現狀無壓輸水洞為有壓輸水洞方案進行對比，采用調整現狀無壓輸水洞為有壓輸水洞的方案泄洪。

3.1 工程方案

本次除險加固按照國家規定的設計洪水標準和水庫運行調度方案，結合水庫樞紐區的實際地形、地質情況，泄洪方案采用原溢洪道重建、新開泄洪洞及對原輸水洞進行改造（由無壓改為有壓）3種方案進行比選。

方案1 原溢洪道重建-寬頂堰

包括控制段、泄槽段、消力池段、海漫段、防沖槽段和公路橋段，底寬均20m。具體布置形式為：控制段（0+000～0+006）為寬頂堰，堰頂高程為168.00m，堰體采用C20鋼筋混凝土澆筑，堰高1m；堰后接消力池（0+006～0+024），池長 10m，池深 0.6m，底部高程 166.00m，邊墻采用Mu60M7.5漿砌石砌筑；海漫段（0+024～0+032）底板采用漿砌石襯砌，底板高程為 166.60m；后接防沖槽段（0+032～0+196），底坡為0.01，底板高程166.60～164.96m，溢洪道全長196m。

在溢洪道樁號0+184～0+196之間修建交通橋一座。交通橋設計荷載采用公路Ⅱ級（折減）汽車荷載。交通橋梁全長20m，跨徑為10m，橋面寬12m。

方案2 新開泄洪洞

新開泄洪隧洞位于水庫右岸，包括進口漸變段、洞身段、出口漸變段、出口閘室段、明渠段、泄槽段、消力池段、海漫段。其中進口漸變段（0+000～0+004.5）底坡為平坡，進口底板高程為161.50m，進口段面為矩形，底寬5m，高3.5m，采用30cm厚C25鋼筋混凝土澆筑，斷面形式由矩形漸變為圓形。洞身段（0+004.5～0+174.5）底坡為1/200，底高程為161.50m，洞身為圓形，直徑為2m，洞身壁厚30cm，C25鋼筋混凝土結構。出口漸變段（0+174.5～0+1768.5），底坡為平坡，底高程160.65m，斷面由圓形漸變為方形，方形的邊長為1.6m。出口閘室段（0+178.5～0+182.5）底坡為平坡，底板高程為160.65，底板設檢修閘門和工作閘門各1道，閘門尺寸為1.6m×1.6m。明渠段（0+182.5～0+192.1）底坡為 1/200，底高程 160.65 ～160.60，底寬 1.6m，C25 混凝土結構，厚40cm，邊墻高2m，采用重力式擋墻形式，Mu60M7.5漿砌石砌筑。 消力池段（0+192.1～0+218.1），高程為 160.60～158.60m，采用40cm厚C25混凝土澆筑，邊墻高4m，采用重力式擋墻形式，Mu60M7.5漿砌石砌筑。海漫段（0+218.1～0+228.1），底板高程為160.60m，底板采用Mu60M7.5漿砌石砌筑，厚40cm，邊墻高2m，采用重力式擋墻形式，Mu60M7.5漿砌石砌筑。

方案3 原輸水洞由無壓改為有壓方案

輸水洞進出口段局部位于強風化巖石中，洞身位于弱風化巖石中，洞室圍巖工程地質分類屬Ⅲ類局部穩定性差圍巖，巖體為花崗巖，屬中硬巖石，強度較高，工程地質條件較好。

根據輸水洞地形條件和現狀情況，將現有的無壓輸水洞調整為有壓洞，有壓輸水洞包括進口段、檢修閘、洞身、工作閘和出口消力池等。

進口段為4.5m長的扭面，進口寬2.6m，底高程161.50m，比死水位低10cm，材料為0.3m厚的C20混凝土，兩邊墻采用C20混凝土擋土墻；用1.5m長喇叭段連接扭面與閘室，材料為C25鋼筋混凝土，喇叭口進口高2.5m，寬2.0m。

進口設置檢修閘門，閘門尺寸2.0m×2.0m。啟閉塔采用C25鋼筋混凝土結構，閘底板頂部高程為161.50m，尺寸為4.3m×3.4m（長×寬），閘墩厚0.7m，底板厚0.8m；高程168.30m處設檢修平臺，厚0.12m。

洞身采用鋼襯，鋼管厚6mm，外側澆注30cm厚C25鋼筋混凝土。

出口設置工作閘門。啟閉塔采用C25鋼筋混凝土結構，閘底板頂部高程為161.20m，尺寸為3.0m×3.0m（長×寬），閘墩厚0.7m，底板厚0.8m。

表1 泄水建筑物工程方案比較表

在輸水洞出口處設6.0m長的斜坡段，坡比1：3，底寬1.6m漸變至3.6m，底板為40cm厚C20鋼筋混凝土，兩側設C20混凝土重力式擋墻。斜坡段后接消力池，消力池長17m，池深1.9m，兩側設C20重力式擋墻，墻高4.6m。出口與泄洪閘、灌溉閘相連。

3.2 工程方案比較

對溢洪道重建、新開泄洪洞及對原輸水洞進行改造三種方案進行比較：

3.3 工程方案確定

按照國家規定的設計洪水標準和水庫運行調度方案，結合張灣水庫溢洪道的實際地形、地質情況，綜合考慮泄洪、技術、經濟等因素進行方案比選。經以上3種方案比較，3種方案均能保證水庫泄洪安全，但方案3投資較小，不涉及占地，外部協調任務小，實施相對容易。因此，泄洪方案采用原輸水洞由無壓改為有壓方案，輸水洞最大泄量由5m3/s提高至15.7m3/s，水庫汛限水位由164m提高至168m，為充分發揮水庫綜合利用功效提供了保障。