四、小型水库设计实验

水库是重要的蓄水方式，在时间上和空间上进行流量调节，解决来水和用水的矛盾。通过调查研究，设计蓄水量100万立方米以下的小水库，对中学高年级学生是完全可以胜任的。

蓄水灌溉是水库的主要功能。水库设计主要包括水库大坝，放水洞和溢洪道等三项建筑工程。

1.库址选择

根据理论和实践经验，库址选择应考虑下列原则。

（1）库区地形要肚大口小，省工蓄水多。

（2）集雨面积要足够大，不能小于灌溉面积的2倍；年雨量小的地区，要扩大倍数。

（3）坝址地质条件良好。

（4）坝址附近应有足够利用的建筑材料。

（5）淹没损失要小。

（6）库址靠近灌区，且比灌区位置高。

（7）水库集雨面积范围内，植被条件好，减少水土流失，避免淤积水库，延长水库的使用寿命。

2.水库的特征水位和相应库容

水库至少有防洪、灌溉的作用，一般以灌溉为主的小型水库，应采用4 种特征水位和相应库容。

（］）设计死水位与死库容死库容有淤泥沙、养鱼、提高灌溉水位、保护坝基等作用，死库容相应水位为死水位。死水位高程就是设计放水涵洞进水口底的高程值。小型水库的死库容水深≥2米。

（2）设计兴利水位与兴利库容设计蓄水量的相应水位为兴利水位，兴利水位与死水位之间的库容为兴利库容，供灌溉用水的蓄水量。兴利水位高程就是溢洪道底的高程值。如果来水量大于灌溉用水量时，就应用设计灌溉用水量确定兴利库容。

（3）设计洪水位与防洪库容兴利库容蓄满再遭遇洪水，溢洪道开始溢洪，同时水位上涨；当洪水到达最高限度时的水位为设计洪水位；设计洪水位与兴利水位之间的库容为防洪库容。

（4）校核洪水位与超高库容如果上游出现特大洪水，超过了设计洪水位的高程，可能达到的最高洪水位；但不能出现洪水漫过坝顶，这时的洪水位为校核洪水位值。校核洪水位与设计洪水位之间的库容为超高库容。

因此，水库总库容V 总应是：

V 总＝V 死十V 兴十V 防十V 超

（5）坝高和坝顶高程的确定  坝顶高程等于校核洪水位加上风浪墙的高度；坝高有建筑高度和地面高度两种，坝顶高程与河底高程之差为地面坝高；地面坝高与清基深度之和为建筑坝高。例如，校核洪水位为250米，风浪墙高为2. 5米，河底高程为212.5 米，清基深度为6.4米。因此：

坝顶高程＝250＋2.5= 252.5（米）

地面坝高＝252.5—12.5＝40（米）

建筑坝高＝40＋6.4＝46.4（米）

3.兴利库容的确定

一般小型水库资料缺乏，要求精度不高，兴利库容可按下列办法简化确定。

（1）按来水量确定兴利库容 利用相邻地区的库容系数β值、计算兴利库容。兴利库容同多年平均来水量的比例关系为库容系数β。可用下式计算：

式中为多年平均径流量（万米³）； Y为水库以上集水面积上的平均径流深度（毫米），可在省、市、区水文手册上查到；F为水库以上的集水面积（千米²）；1/10为单位换算系数。

例如，该区β= 0.45，集水面积F ＝40.5千米²， 查得Y=240毫米，兴利库容V兴为：

（2）按用水量确定兴利库容一般采用下式计算：

V 兴= AMNη^-1式中A 为灌溉面积（12500公顷）；M为田间灌溉指标（40米³/ 公顷·次）；N为一次灌溉次数（6次）；η 输水渠道有效利用系数（0.65）。因此，

V 兴= 12500×40×6×（0.65）^-1

＝461.54万（米³）

注意：前种算法适用于来水量＜用水量；后种算法适用于来水量＞用水量。

4. 调洪库容的确定

一般小流域（＜200千米²） 内，要计算设计洪峰流量和调洪总量，现用简单方法计算：

（1）设计洪峰流量Qm  我国采用推理式计算：

式中Qmp为保证率为P 的洪峰流量（米³/秒）；为洪峰径流系数（0.85～0.95 ）；Sp为保证率P时的暴雨强度（25毫米/ 时）；T为暴雨时间（9小时）；F为集水面积（198千米²） ；0.278为单位换算系数值；n为暴雨递减指数，查手册。概算如下：

Qmp=0.278×0.90×25×l98×（9）^-1

＝137.6（米³/ 秒）

如果Sp为平均暴雨强度，= 9小时（32400秒）的洪水总量Wm为：

Wmp=Qmp＝137.6×32 400

＝445. 8万（米³）

（2）防洪库容V防的计算采用下式：

式中q_m为溢洪道泄洪流量（米³/ 秒）; T为泄洪历时（秒）。

假如，q_m= 80米³/ 秒，T=12小时＝43200秒

V 防= 1/243200×(1 37·6—80）

＝124.42万（米³）

5.溢泄道宽度计算

采用下式：

式中M为流量系数，；具有很好的圆形入口，堰顶光滑，M= 1.62；入口边缘做成圆形，M＝1.56 ；入口做成钝角，M= 1.48。H为最大溢洪水深（米）。

6.坝型的选用

根据本地区的地质基础、地形条件和来水量的多少，以及洪水流量大小，确定和设计蓄水坝型。一般小型水库采用土坝和浆砌石坝两种，现分别介绍如下：

（1）土坝土坝多建于平原区，山前洪积扇的中上部位，黄土高原地区，南方红黄土层较厚的丘陵区。如果本地区砂砾料多，粘土料比较少时，一般选用斜墙式土坝；当地土层深厚，砂砾石料很少，可选用心墙式土坝。

土坝设计中应注意以下几点：

（1）心墙或斜墙由粘土填料砸实，主要防止坝体渗水。隔水墙下部一定插入不透水层以下0.5～1.0米。墙的厚度视坝体高度来定，一般随坝高增大而加厚，只要坝体不渗水，便达到了筑坝蓄水和坝体稳定的设计要求。

（2）迎水坡缓、背水坡陡。如果坝前水深在3米以下，可建成对称坝，两边坡度一样。随水深加大，迎水坡逐渐变缓，从1：1～1：

2.5不等；同样，背水坡也要变缓，一般从1：0.80～1：2.0不等。

（3）斜墙式土坝的迎水坡要有保护层，可用白灰、粘土和细砂搅掺均匀砸实；还可用块石砂浆砌衬。心墙式是土料堆积而成的，迎水坡不需要保护层。

（4）坝体底部要建在地面以下0.5～1.0米，确保坝基稳定、安全。

（5）溢洪道设在坝外的一侧，另开泄洪通路，绝对不准坝顶溢洪。放水洞可以设在坝下，也可在坝外一侧另设，管壁外围都不应该渗水。

（2）浆砌石重力坝浆砌石坝多建于山区，石料比较充足，水量比较大和地基比较稳固的地区。用水泥沙浆砌块石筑成，依靠坝体自身的重量确保大坝的安全，称浆砌石重力坝。 浆砌石重力坝设计中应注意以下几点：

（1）坝基。开槽清基到新鲜岩石，没有断裂通过，构造节理不发育；灰岩地区要注意溶洞和溶蚀通道。如遇上述情况，要作坝基处理，或改选坝址。其目的是防止坝下漏水和坝体不稳定，因此，清基是要认真处理，决不能马虎从事，不然后患严重。

（2）坝型。大坝横切谷地，两侧为坝体的挡水部分。

（3）筑坝。坝体前后坡脚插入新鲜基岩以下不小于0.5米。迎水坡几乎直立，坡度为1 ：0.1～1：0.05之间；背水坡最缓为1：1.0背水坡多用料石砌面，坝体砂浆块石砌筑。迎水坡面要水泥细砂抹面。溢洪道以上坝体直立。坝体滚水部分，溢洪道进口略低，行洪通杨；前缘要有仰角α= 20～30°，水流排出坝外，确保坝基稳固。挑弧半径R=8～10米。

溢洪道由闸门控制下泄洪水流量大小。

放水洞一般设在坝体一侧的挡水部，进口略高于出口，进水口由闸门控制放水时间。

（4）底宽。一般规律，坝高同底宽是呈正相关，具体底宽要进行计算。坝体自身重量同水体（蓄满时）对坝体的总压力之比，为坝体的稳定系数α, 要求α值 在0.90～1.10之间是合理的。坝底宽度过大，α值＞1.10是浪费；α＜0.90，说明坝底宽度不够，坝体不稳需加大底宽。

（5）防渗。如果砌筑时达到“平、稳、紧、满”的要求，一般不会渗水。为了加大保险系数，坝体中加0.5米宽的混凝上心墙，并进行一次灌注加镇捣捧筑实。

（6）石料。用块石砌筑时，要用开挖下来的新鲜块石，“确保风化石不上坝”。