高勝利

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

1 工程簡介

平原地區(qū)年徑流量特點是季節(jié)上分配不均、地表徑流損失嚴重，為實現(xiàn)該地區(qū)內(nèi)徑流的合理優(yōu)化，達到豐蓄枯用，修建平原蓄水水庫是平原地區(qū)蓄水保水的一種切實有效的方法。

耿莊水庫是位于山西省萬家寨引黃入晉工程北干線向朔州市供水線路末端的調(diào)節(jié)水庫，主要任務是向朔城區(qū)供水和事故調(diào)節(jié)。引黃工程北干線將黃河水送入耿莊水庫，來水穿過庫區(qū)送入朔州水廠，供朔城區(qū)工農(nóng)業(yè)及人畜用水。同時如果引黃北干線供水干管出現(xiàn)問題需要檢修，耿莊水庫也可以收納一部分管道棄水。由于引黃水含沙量較大，干線來水進入耿莊水庫以后，在水庫的進出水口之間低速流動時，進行了水質(zhì)交換。進水口處來水在運行至出水口的過程中大部分泥沙沉淀于庫底，出水口處經(jīng)過澄清的水再送入朔州水廠，緩解了朔州水廠水處理的部分壓力。

2 設計概要

一般來說，平原圍封水庫宜修建在庫址區(qū)平坦的地形上，容易做到挖填平衡，降低庫盆周圍最大壩高。由于地形條件的限制，耿莊水庫選擇修建在坡地上。庫址區(qū)地形北高南低，高差10余m，縱坡達1.4%。在這樣的地形上修建平原水庫難度較大，考慮的因素也比較多，設計時主要指導原則有兩個：一是盡量做到挖填平衡，不買土少棄土；二是最大壩高不宜太高，減小失事風險。基于以上考慮，同時為不間斷向朔城區(qū)供水，耿莊水庫最終按雙庫設計，庫盆為臺階區(qū)域式，即庫底并非傳統(tǒng)的在同一個高程上，而是沿水流方向設置了2～3個臺階區(qū)域（Ⅰ庫2個臺階，Ⅱ庫3個臺階），每個臺階區(qū)域擁有一定的積水面積。

這樣多平臺庫底設計最大的好處是因勢制宜，較小挖方，減少棄土。美中不足在于庫區(qū)南端壩高相對較大，且全部處于填方段。

兩庫庫容均為118萬m3，總庫容236萬m3，最大壩高10m，為小Ⅰ型水庫，主要技術節(jié)點有進、出水系統(tǒng)、庫盆防滲系統(tǒng)、壩基地基處理以及監(jiān)測系統(tǒng)等。耿莊水庫的平面布置見圖1。

3 進、出水設計

圖1 耿莊水庫平面布置簡圖

與攔河水庫相比，平原圍封水庫受天然地貌約束較小，設計者可以充分發(fā)揮聰明才智，在合理正確的基礎上設計的自由度更大一些。在確定了水庫規(guī)模和位置的前提下，水庫的進出水口布置顯得尤為重要。攔河水庫一般不設進水口和出水口。攔河水庫的進水依靠天然河道匯集徑流，來水超過設計庫容時靠泄水閘門或溢流堰泄洪，不專門設置出水口。

平原圍封水庫不然，由于其功能和結構的特殊性需要專門設置進水口與上游來水銜接，專門設置出水口與下游用水戶銜接。進水形式的選擇非常重要，一般來說進水口置于水庫正常蓄水位以上，通過自流方式取水較為有利。同時，來水自流入庫會對庫區(qū)產(chǎn)生沖刷，需要進行消能設計消除富裕水頭。出水口是連接水庫與下游用水戶的特殊建筑物，設置在壩下。由于壩下取水導致的水庫滲漏事件極為常見，因此出水形式的選擇也極其重要。

耿莊水庫形狀鳥瞰為橢圓形，水庫進水口位于庫區(qū)正北端第一臺階區(qū)域上游，出水口位于庫區(qū)南端末級臺階區(qū)域底部。

耿莊水庫進水口是北干線朔州支線與水庫的連接建筑物，位于大壩北部，入庫設計流量1.6m3/s。進水形式為引黃管線壓力流流經(jīng)耿莊水庫進水調(diào)壓井，調(diào)壓井一級消能后通過進水箱涵和進水閘門流入庫區(qū)，水流入庫消能型式為挖深式底流消能，進水口建筑物主要由調(diào)壓井、進水箱涵、進水閘室、消能工和出口護坦組成，Ⅰ庫為正向取水、Ⅱ庫為側向取水。

耿莊水庫出水口是為朔州市供水而設，位于水庫的南部、庫區(qū)地形較低的位置，出庫設計流量均為1.4m3/s，采用壩下廊道內(nèi)套管型式與朔州水廠供水管線相接。出水線路上布設有檢修閥、工作閥和流量計等，主要建筑物由進口段、壩下廊道、出水線路連接段、控制閥井及與朔州水廠供水線路銜接段組成。

從進出水流態(tài)考慮，進水口和出水口軸線夾角應不小于90°，否則不利于水質(zhì)交換，也容易形成死水區(qū)。由于引黃水含泥沙較大，水庫運行一定時間以后必定出現(xiàn)淤積問題。耿莊水庫擬采用干法清淤。根據(jù)耿莊水庫的雙庫特點和北干線供水運行方式，泥沙的處理在水庫運行若干年后的9月末開啟泄水閥排空水庫，經(jīng)2個月晾干后采用挖掘機清淤，次年1月清淤工作完成后正常充庫。由于雙庫設置，兩庫交替清淤，可以保證朔城區(qū)供水不間斷。

4 模型試驗

耿莊水庫來水從水庫穿行，進、出水建筑物的布置必須滿足水庫水交換的要求，不允許出現(xiàn)死水區(qū)。為了驗證工程進、出水口的布置能否滿足水庫水交換的要求，對水庫不同水力工況進、出水交換過程進行了模型試驗，為工程的布置提供依據(jù)。

水庫水源來自于黃河水，泥沙含量較大，泥沙沉積處理一直是引黃工程一大難題，耿莊水庫按雙庫設計，利用干法清淤，這是水利工程一大創(chuàng)新。為了積累經(jīng)驗，管理便利，為設計提供重要理論依據(jù)，進行了模型試驗，確定進水挾裹的泥沙沉淀區(qū)域，以指導設計。

試驗結果顯示在試驗要求的各個工況，在正常水庫水位區(qū)間運行時，水庫庫區(qū)不存在死水區(qū)。水庫進口消力池采用底流式消能，有效消除水流余能。護坦區(qū)域能夠包含水流沖刷范圍，保護庫底不受水流沖刷。

水庫正常運行后，進水口區(qū)域首先出現(xiàn)泥沙沉積，然后以扇形形狀從進水口沿水流方向向外擴散。在最大流量1.6m3/s下，水庫滿庫運行三年后，泥沙淤積主要集中在第一臺階（進水口區(qū)），而且還未淤滿，出水口區(qū)域淤積很少，具體淤積范圍見圖2。

圖2 水庫滿庫運行三年后泥沙淤積范圍示意圖

根據(jù)多個平原區(qū)圍封水庫調(diào)查統(tǒng)計，進水流量穩(wěn)定、流速較小的水庫，泥沙沉積一般都集中在進水口消能工外的沖積扇區(qū)域內(nèi)。由于流速較小，水流無法將淤積泥沙向下游搬運。本試驗也充分證明了這點。由于泥沙淤積主要集中在第一臺階（進水口區(qū)），那么工程設計中在這一區(qū)預留了清淤車輛通道，而且在試驗顯示的清淤區(qū)域庫底上加鋪一層砂礫料，以利于干法清淤。

5 結語

興建平原圍封蓄水水庫，對地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟發(fā)展有著重要的意義。本文從實際工程出發(fā)，對耿莊水庫的進、出水設計理念進行了闡述，也從水力模型試驗中印證了設計的合理性。本文研究成果有一定的實際應用價值，可以供類似工程參考。