摘 要：簡述了石窯水庫的概況，分析了石窯水庫泄洪現狀及主要問題，從工程任務與規模、工程總體布置、泄洪方案選擇與分析等方面，介紹了石窯水庫泄洪方案改建設計。
關鍵詞：石窯水庫；泄洪方案；改建設計
1 工程概況
1.1 地理概況
石窯水庫位于山西省陽城縣河北鎮石窯村，屬黃河流域沁河支流澗河，水庫壩址以上流域長8.37km，控制流域面積12km2，流域平均寬1.434km，平均流域縱坡25.5‰，水庫原設計總庫容12萬m3，樞紐工程原設計由漿砌石重力壩、溢洪道、臥管輸水洞等建筑物組成。石窯水庫原設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為100年一遇。建庫時因受歷史條件限制，遺留問題較多，五十多年來，水庫一直帶病運行，存在壩體單薄、穩定達不到規范要求、水庫防洪能力不滿足規范要求等問題，給水庫安全運行埋下很大的隱患。
1.2 水文概況
年徑流：水庫流域為無資料地區，按山西省水文分區屬東區，產流地類為灰巖灌叢山地。徑流計算參考《山西省水文計算手冊》，按冪函數法計算地表年徑流量，流域面雨量按1956～2008長系列等值線圖查算，多年平均徑流量為21.91萬m3。
洪水：由于水庫流域流域面積較小，夏季短歷時暴雨時有發生，導致流域常出現陡漲陡落的洪水，峰高量小，較為符合北方山區型小流域的洪水特征，洪水計算根據《山西省水文計算手冊》（以后簡稱《手冊》）中水文分區圖，確定水庫流域所處分區屬東區，計算采用綜合瞬時單位線法和推理公式法進行比對，結果為：水庫加固改造后，20年一遇標準洪水，水庫最高水位為999.72m，相應庫容為10.6萬m3，最大下泄流量為29.55m3/s；百年一遇標準洪水，水庫最高水位為1000.58m，相應庫容為11.7萬m3，最大下泄流量為84.26m3/s。
1.3 地質概況
庫區地貌為低中山丘陵地帶，地勢由西南向東北傾斜，河谷斷面一般為“V”型。地質構造屬大地構造單元為呂梁-太行斷塊沁水塊坳之沾尚-武鄉-陽城北東向褶皺帶中部。本區屬構造剝蝕中低山區，基巖裸露，工程區處在一個地層平緩、地殼相對穩定的地塊，區域穩定性較好。
壩址區的地質構造變形輕微，地層較平緩，未發現大的構造斷裂，壩址左岸基巖出露，右岸多被坡殘積土所覆蓋，基巖巖層傾向北東，傾角10°。
溢洪道地層為下奧陶統白云巖，致密堅硬，巖體較完整。
2 工程任務與規模
石窯水庫原設計主要任務為防洪為主，同時兼顧灌溉要求。建庫時受歷史條件限制，遺留問題較多。為保障水庫防洪安全，設計對石窯水庫進行泄洪改建，內容為：對舊壩體部分拆除、培厚，改溢洪道泄洪為壩身泄洪。
改建后，水庫遭遇20年一遇標準洪水時，水庫最高水位為999.72m，相應庫容為10.6萬m3，最大下泄流量為29.55m3/s；遭遇百年一遇洪水時，水庫最高水位為1000.58m，相應庫容為11.7萬m3，最大下泄流量為84.26m3/s。
3 工程總體布置
3.1 工程等級和標準
石窯水庫樞紐大壩為漿砌石壩，水庫原設計總庫容12萬m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）規定，本工程屬Ⅴ等水利樞紐工程，樞紐永久性主要建筑物大壩、輸水洞為5級建筑物，其它永久性次要建筑物及臨時性建筑物為5級建筑物。
根據《石窯水庫大壩安全鑒定報告》鑒定結論：石窯水庫防洪標準為20年一遇設計，百年一遇校核。
根據《中國地震烈度區劃圖》（2001），石窯水庫壩址區地震烈度為6度，按規定不需地震設防。
3.2 工程總體布置
改造后最大壩高12.5m，壩頂長度51.5m，頂寬4.0m，壩頂高程1001.9m。壩頂上游側設防浪墻，墻頂高程1002.9m，寬0.5m。
壩頂樁號0+000～0+017、0+038～0+051.5為非溢流段，壩頂樁號0+017～0+038為溢流段，設3孔，單孔寬6.0m。溢流面采用“WES”壩面，溢流堰頂高程998.9m，壩面采用C30鋼筋混凝土結構。
壩頂溢流段設有工作橋，橋面總寬4.0m，單塊面板寬1.0m，長7.0m，厚0.4m，采用C30鋼筋混凝土結構。
臥管輸水洞位于大壩右岸，改造對臥管進行勾縫防滲處理。因壩面培厚，輸水洞向下游延長，改造后輸水洞總長10.0m。
4 泄洪方案選擇與分析
4.1 方案選擇
水庫泄洪主要有兩種比選方案：①對現有溢洪道進行開挖處理；②放棄對現有溢洪道進行開挖，選擇對壩身進行溢流改造。
4.2 方案分析
溢洪道現狀右岸為陡立山體，溢洪道可開挖成型寬度不足10m，在假定溢洪道寬為10m的條件下，進行20年一遇設計洪水和百年一遇校核洪水多次調洪計算，計算結果表明即使溢洪道深達5m仍不能滿足百年一遇校核洪水要求。通過對溢洪道地質條件進行分析，溢洪道縱段基礎為完整基巖，開挖困難，且溢洪道與壩體緊鄰，強行開挖將對大壩產生不利影響。同時，大壩高度僅有12.5m，上游庫區淤積深度達到5m多，若對溢洪道進行加深開挖處理，將降低水庫除險加固后的工程效益，且需新建跨溢洪道上壩工作橋。綜合分析，否定方案①而選擇方案②進行泄洪改建設計。
5 改建設計
5.1 溢流改造設計
改建后的溢流壩堰頂高程998.9m，溢流面采用C30鋼筋混凝土結構，新澆筑溢流壩面混凝土與原壩體漿砌石之間設置錨桿，錨桿間距1.0m，梅花型布置，錨桿長度2.0m，桿徑20mm，原壩體漿砌石拆除斷面為階梯型，最小拆除厚度取0.75m。
5.2 堰面設計
堰面曲線為“WES”曲線，經計算曲線方程為：y=0.2710·？字1.85；上游堰面采用三段圓弧法，經計算的得，R1=1.028m，R2=0.411m，R3=0.082m；L1=0.36m，L2=0.567m，L3=0.580m；下游直線段采用與非溢流段下游壩面相同坡度，取0.75。
選用挑流消能設計，設計選定挑流坎高程為992.9m，設計反弧半徑選用R=5.0m，挑角為22°1"31”，反弧段角度為55°2"50”。
5.3 消能設計
挑流射程的計算參考《水利計算手冊》，計算公式如下：
式中，h，v-鼻坎出口斷面的水深和流速；？茲S-挑射角；？駐S-鼻坎頂點與下游水面的高差；g-重力加速度。
沖坑深度的計算采用公式：
t=Kq0.5Z0.25-ht
式中：t-沖坑深度；q-單寬流量；Z-上下游水位差；ht-下游水深；K-抗沖系數，主要與河床地質條件有關。計算結果見表1。
為減小對下游河床的沖刷，在溢流段下游10m范圍內拋石，深1.5～2.0m。
作者簡介：戴宏勝（1982，7-），男，2009年畢業于太原理工大學水利科學與工程學院，碩士研究生學歷，工作于晉城市水利工程安全管理辦公室，現借調于晉城市水利勘測設計院從事水工設計工作。