小型水庫洪水復(fù)核方法探討

路偉亭

（安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院 233000）

小型水庫洪水復(fù)核方法探討

路偉亭

（安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院 233000）

本文采用《安徽省暴雨系數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計(jì)洪水計(jì)算辦法》，由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，給小型水庫安全評估或安全鑒定提供依據(jù)，希望能為小型水庫的除險(xiǎn)加固起到一定的借鑒、指導(dǎo)作用。

水庫 設(shè)計(jì)洪水 頻率

1 基本情況

鳳陽縣某水庫位于鳳陽縣殷澗鎮(zhèn)，該水庫屬淮河流域，濠河水系，集水面積1.7km2。本次按20年一遇設(shè)計(jì)、300年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)對該水庫洪水進(jìn)行復(fù)核。該水庫工程級別為Ⅴ等，主要永久建筑物級別為5級。樞紐工程由大壩、溢洪道及放水涵洞組成。大壩為均質(zhì)土壩，全長120m，壩頂寬3m，壩頂高程65.3m，最大壩高8m，迎水坡坡比1∶2.0，背水坡坡比1∶2.0。大壩為人工施工。水庫溢洪道為寬頂堰式，現(xiàn)有寬度12m，底高程63.9m，最大流量11.0m3/s。

2 洪水復(fù)核

2.1 基本資料

2.1 .1 流域特性

根據(jù)萬分之一地形圖對該水庫總流域參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核，流域面積1.70 km2，河道長度2.4 km，流域平均寬度0.87 km，河道平均坡度9.8‰,流域形狀系數(shù)0.30。

2.1 .2 氣象水文

該水庫位于江淮之間，屬丘陵區(qū)地形，氣候?qū)倌媳边^渡帶，梅雨季節(jié)明顯，雨熱同季，降雨集中，冷暖氣團(tuán)交鋒頻繁、進(jìn)退多變。降雨時(shí)空分布不均，年際和年內(nèi)降雨量變化較大，洪旱災(zāi)害頻繁，主汛期在7～9月。

根據(jù)鳳陽縣氣象站觀測資料顯示，本地區(qū)氣候溫和、四季分明，實(shí)測多年平均氣溫14.9℃，最高平均氣溫20.2℃，最低年平均氣溫10.5℃。風(fēng)向多為偏東風(fēng)，西北風(fēng)次之，冬季盛行偏北風(fēng)，夏季偏南風(fēng)，多年平均風(fēng)速為2.7m/s，實(shí)測多年平均最大風(fēng)速為11.4m/s。

該水庫流域上游未設(shè)水文測站，建庫前后均沒有任何實(shí)測徑流和洪水資料。根據(jù)鳳陽氣象站多年觀測資料統(tǒng)計(jì)分析，多年平均年降水量為918mm，主汛期7～9月，多年平均3個(gè)月降水量為472.6mm，1日最大暴雨均值94.8mm，3日最大暴雨量多年平均值119.5mm，是1日最大暴雨量的

1.26倍。由于降水時(shí)空分布不均勻，夏季晴熱多雨，暴雨強(qiáng)度大，歷時(shí)短，地勢較陡，匯流較快，水澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。

2.2 設(shè)計(jì)洪水

2.2 .1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

該水庫壩址處自建庫前后均無實(shí)測流量資料，根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44—2006），可由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水。

表1 該水庫各種頻率設(shè)計(jì)洪水過程線

根據(jù)鳳陽氣象站降雨資料統(tǒng)計(jì)，多年平均最大1日暴雨為94.8mm。而根據(jù)《安徽省暴雨系數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計(jì)洪水計(jì)算辦法》（以下簡稱“84辦法”）及《安徽省長短歷時(shí)年最大暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖》（1995年版），查得該水庫所在流域最大24小時(shí)暴雨均值為100mm。

根據(jù)以上兩種方法計(jì)算所得的設(shè)計(jì)暴雨均值基本一致。由于“84辦法”中的暴雨等值線圖是根據(jù)安徽省近600多個(gè)雨量站觀測資料繪制的，且對地形條件、高低值地區(qū)變化規(guī)律、抽樣誤差及各種歷時(shí)參數(shù)圖之間的協(xié)調(diào)等作了全面考慮，因此選用“84辦法”暴雨成果更為合理，設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)：年最大24小時(shí)點(diǎn)雨量均值100mm，年最大1小時(shí)點(diǎn)雨量均值49mm，變差系數(shù)CV24=0.6，變差系數(shù)CV1=0.5，偏差系數(shù)CS=3.5CV。

2.2 .2 設(shè)計(jì)洪水推求

該水庫流域面積1.7km2，暴雨點(diǎn)面系數(shù)α24＝α1＝1，形狀系數(shù)f=0.30，洪峰修正系數(shù)0.90，需進(jìn)行洪峰修正。

表2 該水庫各種頻率設(shè)計(jì)洪水復(fù)核成果表

2.3 調(diào)洪演算

2.3 .1 泄洪設(shè)施及運(yùn)用方式

現(xiàn)狀泄洪設(shè)施有溢洪道一座，為無閘控制款頂堰結(jié)構(gòu)。底高程為63.9m，凈寬12m。水庫現(xiàn)狀正常蓄水位為63.9m，故水庫調(diào)洪演算起調(diào)水位為63.9m，即當(dāng)庫水位超過63.9m時(shí)正常溢洪道開始溢流泄洪。

該水庫泄洪設(shè)施水位～泄量關(guān)系表如表3所示。

2.3 .2 調(diào)洪演算

（1）調(diào)洪演算基本方程

Q1、Q2為時(shí)段 Δt始、末入庫流量，q1、q2為時(shí)段 Δt始、末出庫流量，V1、V2為時(shí)段Δt始、末的水庫庫容。

（2）調(diào)洪演算方法及成果

本次根據(jù)水庫現(xiàn)狀防汛控制運(yùn)用原則、現(xiàn)狀泄流能力曲線和水庫現(xiàn)狀水位庫容曲線，和水庫水量平衡基本方程，采用水庫壩址洪水靜庫容法，對各頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，調(diào)洪演算成果見表4。

3 壩頂高程復(fù)核

3.1 壩頂超高計(jì)算

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96）（以下簡稱“導(dǎo)則”），壩頂超高按下式確定：

式中：Y——壩頂在靜水位以上的超高（m）；

R——風(fēng)浪沿著壩坡的最大爬高（m），由計(jì)算確定；

A——安全加高，正常運(yùn)用情況和非常運(yùn)用情況分別為0.50m和0.3m。

（1）波高和波長計(jì)算

根據(jù)“導(dǎo)則”第6.1.6條，計(jì)算大壩波浪爬高時(shí)，所采用設(shè)計(jì)風(fēng)速：正常運(yùn)用條件下為多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，非常運(yùn)用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速，該水庫多年平均最大風(fēng)速為11.4m/s，根據(jù)庫區(qū)地形，由萬分之一地形圖量得風(fēng)區(qū)長度D=150m。

參照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274—2001）（以下簡稱“規(guī)范”）附錄A.1.6規(guī)定，該水庫屬于丘陵、平原區(qū)水庫，又W<26.5m/s，D<7500m，故其波高及波長采用鶴地公式計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：w——計(jì)算風(fēng)速（m/s）；

D——風(fēng)區(qū)長度（m）；

h2%——累積頻率為2%的波高（m）。

表3 該水庫泄洪設(shè)施水位～泄量關(guān)系表

（2）平均波浪爬高計(jì)算

平均波浪爬高Rm參照“規(guī)范”附錄A.1.12計(jì)算。

該水庫大壩上游壩坡為2，故波浪平均爬高為

式中：KΔ——斜坡的糙率滲透性系數(shù)，護(hù)面類型為草皮護(hù)面確定KΔ=0.85。

m——斜坡的坡度系數(shù)。

（3）設(shè)計(jì)爬高R值計(jì)算

設(shè)計(jì)爬高R值按5級土石壩取累積概率P=5%爬高值R5%。

（4）壩頂超高y值計(jì)算正常運(yùn)用條件下壩頂超高：y=0.4972+0.0013+0.5=1.00m，非常運(yùn)用條件下壩頂超高：y=0.268+0.0005+0.3=0.57m。

3.2 地震安全加高復(fù)核

根據(jù)《中國地震參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2001），該水庫壩址地震動峰值加速度值為0.1g，相應(yīng)地震基本烈為7°，該工程地震設(shè)防烈度為7°。按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203—97）及《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96），該水庫地震涌浪高度確定為0.5m，不計(jì)地震沉降。

3.3 壩頂高程復(fù)核

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96）第6.1.2條規(guī)定，壩頂高程分別按以下運(yùn)用情況計(jì)算取其最大值。

設(shè)計(jì)水位+正常運(yùn)用情況壩頂超高：65.7m；

校核水位+非常運(yùn)用情況壩頂超高：66.0m；

正常蓄水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高和地震涌浪高度：65.0m；

取以上條件的最大值，壩頂高程為52.58m。

以上計(jì)算結(jié)果表明，該水庫壩頂高程由校核情況控制，要求最小壩頂高程為66.0m。水庫現(xiàn)有壩頂高程為65.30 m，故現(xiàn)有壩頂高程不滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過對水庫洪水復(fù)核及壩頂高程復(fù)核結(jié)果，該水庫現(xiàn)狀壩頂高程不滿足水庫300年一遇洪水要求，可通過拓寬溢洪道加大泄洪能力或加高大壩，以保證水庫安全運(yùn)行