林州市南谷洞水庫擴容興利分析評價

南素民 張伏祥

【摘要】南谷洞水庫大壩壩高較大，未能充分利用現(xiàn)有寶貴的水資源。擬抬高水庫興利水位，擴大興利庫容，對擴容后的水庫進行安全分析評價。

【關(guān)鍵詞】南谷洞水庫；抬高興利水位；擴容興利；分析評價

1、概述

1.1 南谷洞水庫概況

南谷洞水庫是舉世聞名的紅旗渠灌區(qū)的重要補源工程，是海河流域濁漳河支流露水河上的一座以防洪灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫控制流域面積270km2，興利庫容3762萬m3，總庫容7750萬m3，主要建筑物有攔河壩、溢洪道、輸水洞、電站等。

自1972年以來，水庫共攔蓄1000m3/s以上的洪峰4次，攔蓄洪峰70%以上，在工程防洪上發(fā)揮了巨大作用。從1990年水庫基本正常運行以來，累計向紅旗渠補充水源3.12億m3，水電站自1993年建成累計發(fā)電1267萬kw·h，為林州市的工農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻。

1.2 水庫擴容的必要性

南谷洞水庫位于濁漳河支流露水河上，流域面積720km2，河道全長約60km，壩址以上流域面積270km2，河道長45km。水庫多年平均徑流深208mm，多年平均年徑流量為5605萬m3。水庫大壩壩高較大，而現(xiàn)狀興利庫容為3762萬m3，未能充分利用現(xiàn)有寶貴的水資源。

水庫壩頂高程為541.5m，高出現(xiàn)狀允許最高水位8.31m，庫容還有較大的可利用余地。根據(jù)工程經(jīng)驗，結(jié)合水庫多年平均徑流量情況，擬將興利水位提高3m。水庫進行擴容后，水庫興利庫容可達4240萬m3，增加478萬m3，對緩解目前林州市日益緊張的用水和保證紅旗渠灌區(qū)的正常運行有著非常重要的意義。

2、分析評價內(nèi)容

南谷洞水庫興利水位抬高3.0m以后，對水庫的工作性態(tài)產(chǎn)生一定的影響，有可能影響水庫的正常運用。應(yīng)按照《水庫大壩安全評價導則》（SL258—2000），對擴容后的水庫進行分析評價，以確定擴容后大壩的安全性，或者在不滿足安全性能時，考慮采取何種措施進行處理。

分析評價的主要內(nèi)容：大壩防洪標準、滲流性狀安全和結(jié)構(gòu)安全分析。并在分析評價的基礎(chǔ)上提出綜合評價結(jié)論及建議。

3、防洪安全分析評價

3.1 評價目的

南谷洞水庫擴大興利庫容后，興利水位由現(xiàn)狀520.0m抬高至523.0m，設(shè)計洪水位和校核洪水位也相應(yīng)抬高。對水庫設(shè)計洪水進行調(diào)洪演算，確定擴容后水庫運行過程中相應(yīng)最高水位，分析水庫抗洪能力，評價擴容后水庫防洪標準是否滿足有關(guān)規(guī)范要求。

3.2 調(diào)洪演算

水庫擴容前，水庫防洪起調(diào)水位為520.00m。水庫擴容后，根據(jù)不同泄流形式采用不同的運用方式。采用寬頂堰泄流：水庫防洪起調(diào)水位為堰頂高程523.00m；采用橡膠壩泄流：水庫防洪起調(diào)水位為橡膠壩底板高程520.30m。本次分析評價將對此兩種泄流形式分別進行調(diào)洪演算，以確定擴容后水庫運行過程中相應(yīng)最高水位。

調(diào)洪演算按照水量平衡原理，采用半圖解法，根據(jù)水庫所采用的兩種泄流形式的運行方式及不同頻率的設(shè)計洪水過程線，進行調(diào)洪演算，得出各泄流形式下各種頻率洪水時的水位、庫容和泄量，調(diào)洪演算成果見表3.1、3.2。

3.3 防洪安全分析評價結(jié)論

3.3.1 允許最高水位的確定

南谷洞水庫防浪墻頂高程為541.50m，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和資料，計算風浪高為0.72m。根據(jù)有關(guān)規(guī)范，中型水庫校核洪水時安全加高值不低于0.4m，水庫允許最高水位為540.38m。

3.3.2 抗洪能力分析

南谷洞水庫大壩屬3級建筑物。按照《防洪標準》和《水電樞紐工程等級劃分及洪水標準》，水庫防洪設(shè)計標準為100～50年一遇，校核標準為2000～1000年一遇。

根據(jù)調(diào)洪演算成果，采用寬頂堰泄流時1000年一遇校核洪水位為533.66m，采用橡膠壩泄流時1000年一遇校核洪水位為531.50m，均低于水庫現(xiàn)狀允許最高水位540.38m。

3.3.3 分析評價結(jié)論

南谷洞水庫采用寬頂堰和橡膠壩擴容后均能滿足抗洪安全要求，其防洪標準符合規(guī)范要求。與采用橡膠壩擴容相比，采用寬頂堰便于施工、管理，費用較低，而且在汛期時橡膠壩容易被含沙石水流破壞，因此建議南谷洞水庫采用新建3.0m高寬頂堰進行擴容。

4、滲流安全分析評價

4.1 評價目的

南谷洞水庫擴大興利庫容后，興利水位由現(xiàn)狀520.0m抬高至523.0m，水庫滲流性狀發(fā)生變化，需進行滲流分析評價。本次根據(jù)大壩滲流理論重新分析計算，評價其滲流性狀是否安全。

4.2 計算分析

2004年以來，南谷洞水庫實施了第五次除險加固工程，完善了防滲工程。水庫形成了以壩基防滲墻、大壩瀝青砼面板、壩肩帷幕灌漿為主體的較完善的防滲體系，從滲流觀測情況看，現(xiàn)狀大壩防滲效果較好。

經(jīng)滲流理論計算，水庫擴容前和擴容后壩體滲漏量分別為 224m3/d和255m3/d，瀝青砼面板后滲流水面線高度分別為0.78和0.82m。水庫擴容后壩體計算滲漏量較擴容前增加31m3/d，滲漏量增加較小，而且擴容后面板后滲流水面線高度增加很小，滲透坡降增加也很小。

4.3 滲流安全分析評價結(jié)論

滲流理論計算按照形成穩(wěn)定滲流期的危險水位523.00m進行，大壩擴容前、后滲流量和滲透坡降變化很小，說明水庫擴容后對大壩滲流安全影響很小。

南谷洞水庫采用寬頂堰或橡膠壩擴容后均能滿足防滲要求，大壩滲流安全符合規(guī)范要求。

5、大壩結(jié)構(gòu)安全分析評價

5.1 評價目的

南谷洞水庫擴大興利庫容后，興利水位由現(xiàn)狀520.0m抬高至523.0m，壩體所受各項作用也相應(yīng)變化。本次將對擴容后大壩壩坡穩(wěn)定進行計算分析，評價其結(jié)構(gòu)安全是否滿足要求。

5.2 計算分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，分別對大壩上下游壩坡正常工作條件及非常工作條件下的各種危險組合進行穩(wěn)定計算分析。壩坡穩(wěn)定分析按剛體極限平衡理論，分別采用瑞典圓弧法、畢肖普法的有效應(yīng)力法進行計算。計算采用土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序—STAB95進行，并將各計算結(jié)果進行比較分析。

壩坡穩(wěn)定分析計算了主槽段一個斷面2種工況組合情況的深層及淺層滑動，其穩(wěn)定計算成果如見表5.1。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，3級建筑物正常情況下壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.3。由此，上游壩坡在正常蓄水位時淺層和深層滑弧最小安全系數(shù)均滿足要求。下游壩坡在正常蓄水位下形成穩(wěn)定滲流期時淺層滑弧最小安全系數(shù)為1.09，不滿足要求。但比較其它水庫大壩實際情況，堆石體的內(nèi)摩擦角均大于40°，本次計算中未計入壩面干砌塊石等有利因素，而實際工程經(jīng)驗表明采用瑞典圓弧法時計算的安全系數(shù)偏低，且此淺層危險滑弧只存在于下游壩坡的表層，即使發(fā)生滑動，也不致影響大壩整體安全。綜合考慮，南谷洞大壩在興利水位抬高3m后壩坡穩(wěn)定性能夠滿足要求，運行安全。

5.3 分析評價結(jié)論

大壩運行將近四十年，經(jīng)過多年較高庫水位考驗，未發(fā)生危及大壩安全的滑動問題。經(jīng)分析計算，各種工況的安全系數(shù)基本滿足有關(guān)規(guī)范允許值，個別滑弧略小于允許值，但未計入一些有利因素，綜合考慮應(yīng)能滿足規(guī)范要求。因此，大壩在水庫擴容后運行是安全的。

6、分析評價結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

溢洪道新建3.0m高的擋水堰后，大壩防洪安全、滲流安全和壩坡穩(wěn)定安全等均能滿足有關(guān)規(guī)范要求，水庫能夠正常、安全運行。

6.2 建議

擴大興利庫容，采用寬頂堰便于施工、維護、管理，且費用較低。因此，建議南谷洞水庫采用新建3.0m高寬頂堰進行擴容興利。