辛莊水庫(kù)擴(kuò)建工程庫(kù)區(qū)沖刷淤積分析

吳 溪

（湖北省核工業(yè)地質(zhì)局，湖北 孝感 432000）

0 前言

水是人類賴以生存和發(fā)展經(jīng)濟(jì)的生命線，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是直接影響國(guó)計(jì)民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。我國(guó)水資源貧乏，由于特定的自然地理特點(diǎn)和氣候條件，降雨具有時(shí)空分配不均，年內(nèi)年際變化大，多集中在汛期的特點(diǎn)，造成了不同地區(qū)、不同程度的資源型、工程型或水質(zhì)型缺水，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2～3]。經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程的加快和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、布局的調(diào)整，決定了水利與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的密切關(guān)系，以及水利在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的基礎(chǔ)性地位。水利由農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)命脈轉(zhuǎn)變?yōu)閲?guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。

山亭區(qū)位于魯南山區(qū)的西南部邊緣地帶，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)半濕潤(rùn)氣候，適宜的氣候和土壤條件有利于櫻桃的種植。水泉鎮(zhèn)位于山亭區(qū)北部，作為全市唯一的無(wú)糧鎮(zhèn)，是我國(guó)櫻桃標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)。然而，由于季節(jié)性降雨分配不均，現(xiàn)狀水源工程設(shè)置不夠完善，很大程度上影響了水泉鎮(zhèn)櫻桃的正常生長(zhǎng)和產(chǎn)量、質(zhì)量的提高。辛莊水庫(kù)位于水泉鎮(zhèn)下辛莊北，沒(méi)有已建成的萬(wàn)人以上集中供水工程，農(nóng)村居民飲水供水能力不足，水質(zhì)和水量不能滿足供水要求，亟需改善集中供水工程，從而解決用水安全問(wèn)題。因此，開(kāi)展辛莊水庫(kù)擴(kuò)建工程建設(shè)可提高農(nóng)村飲水保障程度，從根本上解決項(xiàng)目區(qū)農(nóng)村飲水不安全問(wèn)題，保障人民的生命健康，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展。沖淤分析是水庫(kù)建設(shè)的重要評(píng)價(jià)因子[4]，因此本文將結(jié)合辛莊水庫(kù)擴(kuò)建工程開(kāi)展庫(kù)區(qū)沖淤分析。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

辛莊水庫(kù)位于城河辛莊支流上游，控制流域面積為17.5 km2，呈扇形。辛莊水庫(kù)現(xiàn)狀為小（1）型水庫(kù)，興利水位為195.3 m，設(shè)計(jì)洪水位196.50 m，校核洪水位199.5 m，為緩解區(qū)域灌溉水源緊缺的狀況，解決區(qū)域飲水安全問(wèn)題，提高流域的防洪能力，改善庫(kù)區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境，擬對(duì)已建的辛莊水庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)容增效。辛莊水庫(kù)上游多年平均來(lái)水512.08萬(wàn)m3，擴(kuò)建后的辛莊水庫(kù)可滿足2.268萬(wàn)畝櫻桃種植的灌溉要求，較現(xiàn)狀工程條件下的1.2萬(wàn)畝新增1.068萬(wàn)畝，同時(shí)解決了當(dāng)?shù)仫嬎踩珕?wèn)題。

擴(kuò)建后的辛莊水庫(kù)是以防洪、灌溉為主，兼顧多種功能的中型水庫(kù)，總庫(kù)容為1056.57萬(wàn)m3，興利水位為200.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為201.90 m，校核洪水位203.30 m，興利庫(kù)容642.6萬(wàn)m3，死庫(kù)容111萬(wàn)m3，水庫(kù)大壩壩型為均質(zhì)壩，最大壩高25.2 m，壩長(zhǎng)550 m。擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)，大壩壩頂高程由原200.60 m，加高至204.10 m，壩頂寬6.0 m，邊坡1∶3。溢洪道設(shè)計(jì)底高程為197.0 m，在原址設(shè)3孔平底板溢洪閘，閘孔凈寬為4.0 m，高3.0 m，閘墩墩頂高程為203.00 m；放水洞擬在原址（水庫(kù)大壩0+030）改建，設(shè)壩前豎井式放水洞，放水洞為1 m×1 m鋼筋砼箱涵，設(shè)計(jì)最大引水流量1.28 m3/s；管理所設(shè)在溢洪閘西南。

本工程的總體工程規(guī)模為中型。主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

2 擴(kuò)建工程庫(kù)區(qū)沖刷淤積分析

擴(kuò)建工程起調(diào)水位采用200.0 m，水庫(kù)50年一遇洪水位200.74 m，比擴(kuò)容前50年一遇洪水位196.5 m高4.24 m；500年一遇洪水位為202.51 m，比擴(kuò)容前500年一遇洪水位199.5 m高3.01 m。擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)洪水設(shè)計(jì)及校核標(biāo)準(zhǔn)提高，相應(yīng)洪水位抬高。目前工程設(shè)計(jì)中對(duì)沖刷與淤積的分析評(píng)價(jià)以經(jīng)驗(yàn)公式以及參照巖馬水庫(kù)實(shí)測(cè)資料分析，本文水庫(kù)沖刷分析擬采用規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，淤積分析則根據(jù)實(shí)測(cè)泥沙量開(kāi)展分析研究。

2.1 水庫(kù)下游沖刷分析

辛莊水庫(kù)擴(kuò)容前溢洪道凈寬16 m，最大泄量為315 m3/s，單寬過(guò)流能力為19.7 m3/s，擴(kuò)容后溢洪閘凈寬12 m，單寬過(guò)流能力增大到21.1 m3/s。需對(duì)消能防沖措施進(jìn)行水力計(jì)算復(fù)核。

工程現(xiàn)狀為開(kāi)敞式溢洪道，不帶閘控制，現(xiàn)狀溢洪道明槽寬16 m，溢洪道下游漸窄，下游距交通橋145 m處溢洪道轉(zhuǎn)彎。兩側(cè)現(xiàn)狀無(wú)擋墻，無(wú)消能防沖設(shè)施，溢洪時(shí)對(duì)兩岸淘刷嚴(yán)重；擬建溢洪道控制段為帶閘控制的駝峰堰。駝峰堰堰高1.7 m，堰頂高程為197.0 m，堰底高程為195.3 m，為素混凝土結(jié)構(gòu)，局部加筋。駝峰堰上溢洪閘共設(shè)3孔，單孔凈寬4.0 m，總凈寬12.0 m，邊墩寬1.2 m，中墩寬1.2 m，工作閘門吊點(diǎn)中心線與駝峰堰中心線重合；現(xiàn)狀溢洪道泄槽平面呈曲線布置，起始走向東北，0+000～1+000為直線段，1+000～1+060為圓弧段，轉(zhuǎn)向南部，軸線圓弧半徑為90.0 m，轉(zhuǎn)角為38°，1+060～2+000為直線段。設(shè)計(jì)泄槽為矩形斷面，“U”形結(jié)構(gòu)，底寬為14.4 m（與溢洪閘同寬），高度為2.5 m，底板及側(cè)墻均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。泄槽長(zhǎng)度為200 m（0+000～0+200），比降為1∶50。泄槽末端接挑流鼻坎，反弧半徑為10 m，挑射角度23°。挑坎為連續(xù)等寬式，根據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，挑流鼻坎反弧半徑R采用反弧最低點(diǎn)最大水深h的6～12倍，其中R為10 m，h為1 m。

（1）挑流水舌外緣挑距計(jì)算[5～6]：

按溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算要求：

式中：L為挑流水舌外緣挑距，從挑坎末端算起，m；θ為挑流水舌水面出射角，采用鼻坎挑角近似計(jì)算，取23°；h1表示挑流鼻坎末端位置的法向水深，m，取1.0 m；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m，取4.6 m；ν1為鼻坎坎頂主流流速，按末端斷面平均流速的1.1倍計(jì)，m/s，取13 m/s。

（2）沖坑最大水墊深度計(jì)算[5～6]：

同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算沖坑水墊深度

式中：T為水面至沖坑最低點(diǎn)的水墊深度，m；q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/（s·m），取21.1；Z為上、下游水位差，m，取58；K為綜合沖刷系數(shù)，取K=1.1。

根據(jù)30年一遇洪水資料，計(jì)算結(jié)果顯示挑距達(dá)到20.35 m，滿足設(shè)計(jì)的18 m挑距要求；沖刷坑深度4.68 m，沖坑上游坡度小于1/3，30年一遇設(shè)計(jì)洪水泄洪時(shí)，沖坑不會(huì)危及挑坎齒墻的安全，設(shè)計(jì)消能防沖設(shè)施滿足規(guī)范要求的不影響挑坎基礎(chǔ)、兩岸岸坡穩(wěn)定及相鄰建筑物的安全規(guī)定。

此外，擴(kuò)建工程的大壩壩體加高、壩坡護(hù)砌、防浪墻工程的實(shí)施能夠有效降低庫(kù)區(qū)來(lái)水沖刷及波浪影響；環(huán)庫(kù)生產(chǎn)路加高工程對(duì)庫(kù)區(qū)來(lái)水形成良好的攔擋及整流效果；同時(shí)，流域內(nèi)其他水利工程的運(yùn)行及協(xié)調(diào)配合，能夠有效降低汛期洪水對(duì)單一水庫(kù)的沖刷影響。綜上所述，擴(kuò)建工程相關(guān)設(shè)計(jì)能夠有效防護(hù)水位抬升帶來(lái)的庫(kù)區(qū)沖刷影響。

2.2 淤積分析

庫(kù)區(qū)上游侵入巖組成低山丘陵，植被稀少，基巖多裸露，表層全風(fēng)化層剝落后形成中粗砂、礫砂，呈砂土狀，極易被雨水沖蝕流入庫(kù)內(nèi)，加上人工開(kāi)山造田、局部小規(guī)模的庫(kù)岸再造、汛期入庫(kù)洪水?dāng)y帶大量泥砂入庫(kù)，固體徑流來(lái)源較豐富，易產(chǎn)生庫(kù)區(qū)淤積問(wèn)題。因此，應(yīng)做好庫(kù)區(qū)水土保持、植樹(shù)造林、整治沖溝，以減少固體徑流來(lái)源，消減水庫(kù)淤積量。

辛莊水庫(kù)附近無(wú)實(shí)測(cè)泥沙資料，本次壩址以上泥沙參照巖馬水庫(kù)實(shí)測(cè)資料分析。巖馬水庫(kù)不同時(shí)期水位庫(kù)容關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 巖馬水庫(kù)不同時(shí)期水位～庫(kù)容關(guān)系

巖馬水庫(kù)死水位為117.0 m，根據(jù)巖馬水庫(kù)不同時(shí)期水位～庫(kù)容關(guān)系分析計(jì)算，1960年以后至1998年39年期間，死庫(kù)容減少了532.1萬(wàn)m3，多年平均淤積量為13.6萬(wàn)m3，其中1960年～1972年12年間淤積302.1萬(wàn)m3，年平均淤積25.17萬(wàn)m3，1972年～1979年7年間淤積190萬(wàn)m3，年平均淤積27.14萬(wàn)m3，1979年～1998年19年間淤積40萬(wàn)m3，年平均淤積僅為2.0萬(wàn)m3。1998年以后隨著流域內(nèi)水土保持、生態(tài)建設(shè)、蓄水?dāng)r沙等工程措施的實(shí)施，水庫(kù)來(lái)沙量明顯減少。

按巖馬水庫(kù)1960年～1998年年均淤積量13.6萬(wàn)m3，考慮水庫(kù)的排沙量（按30%估算），巖馬水庫(kù)的多年平均輸沙量約為18.2萬(wàn)m3，按干容重1.35 t/m3，根據(jù)水庫(kù)水文資料觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，辛莊水庫(kù)多年平均天然徑流量為512.08萬(wàn)m3，巖馬水庫(kù)多年平均天然徑流量為9805萬(wàn)m3，水庫(kù)流域徑流量之比為0.05。辛莊水庫(kù)與巖馬水庫(kù)條件類似，符合水文比擬法的應(yīng)用條件，辛莊水庫(kù)與巖馬水庫(kù)的平均輸沙量之比可近似等于徑流量之比，以此進(jìn)行估算。即：辛莊水庫(kù)壩址多年平均輸沙量約為18.2×0.05=0.91萬(wàn)m3，年平均淤積量為8568 t?？紤]1998年以后隨著流域內(nèi)水土保持、生態(tài)建設(shè)、蓄水?dāng)r沙等工程措施的實(shí)施，水庫(kù)來(lái)沙量明顯減少。

綜上所述，壩址以上可能最大淤積量為334152 t，共計(jì)24.75萬(wàn)m3，同時(shí)考慮庫(kù)區(qū)料場(chǎng)布置取土，且為采砂區(qū)，水庫(kù)至少80萬(wàn)m3的死庫(kù)容可供淤積。因此可見(jiàn)，水庫(kù)的淤積對(duì)調(diào)洪、興利影響不大。

3 結(jié)論

（1）將辛莊水庫(kù)現(xiàn)狀正常蓄水位195.3 m抬高至200.0 m，水庫(kù)蓄水能力增加至1056.6萬(wàn)m3，蓄水能力較之前增加502.6 萬(wàn) m3。

（2）泄槽末端接挑流鼻坎，反弧半徑為10 m，挑射角度為23°，30年一遇挑距20.35 m，沖刷坑深度4.68 m，消力坎段的側(cè)墻高度為2.3 m～2.8 m。沖刷計(jì)算結(jié)果顯示，泄槽末端挑流消能效果明顯，對(duì)下游泄洪河段影響較小。

（3）結(jié)合巖馬水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積資料分析，辛莊水庫(kù)擴(kuò)建工程庫(kù)區(qū)最大淤積量約為24.75萬(wàn)m3，遠(yuǎn)小于水庫(kù)死庫(kù)容，即水庫(kù)淤積對(duì)調(diào)洪、興利影響不大。

（4）辛莊水庫(kù)擴(kuò)建工程滿足庫(kù)區(qū)沖淤要求，且對(duì)下游局部河段影響甚微，由此可知，該工程建設(shè)滿足防洪、安全要求。