上英水庫除險加固工程設(shè)計洪水計算與分析

楊艷英

（海城市水利水電工程移民局，遼寧海城114200）

上英水庫除險加固工程設(shè)計洪水計算與分析

楊艷英

（海城市水利水電工程移民局，遼寧海城114200）

海城市上英水庫工程存在歷史遺留和經(jīng)多年運行部分工程老化等諸多病險隱患，急需對上英水庫實施除險加固工程。水庫除險加固設(shè)計的關(guān)鍵就是設(shè)計洪水的復(fù)核。為確定除險加固工程設(shè)計標準，須進行設(shè)計洪水計算與分析，為水庫除險加固工程提供設(shè)計依據(jù)。本文簡述了工程概況，并就設(shè)計洪水復(fù)核中的幾個重點問題進行了計算、分析與探討，旨在為工程建設(shè)提供詳實的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時為類似工程建設(shè)提供參考和借鑒。

除險加固；暴雨；洪水；計算；上英水庫

1 工程概況

海城市上英水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚和供水等綜合利用的中型水庫，水庫控制流域面積54km2。原水庫總庫容3170萬m3，正常庫容2037萬m3，防洪庫容為1133萬m3，死庫容220萬m3，淤積年限50年。水庫主要由攔河大壩、右岸輸水隧洞、左岸開敞式明渠溢洪道組成。原設(shè)計灌溉面積780hm2、可養(yǎng)殖面積有120hm2。目前，水庫工程存在歷史遺留和經(jīng)多年運行部分工程老化等諸多病險隱患。工程病險隱患一旦引發(fā)水庫失事，勢必造成下游人民群眾的重大傷亡，使下游人民財產(chǎn)、城鎮(zhèn)設(shè)施、重要交通設(shè)施及大片農(nóng)田遭到嚴重破壞，給國民經(jīng)濟和社會帶來不可估量的損失。因此對上英水庫實施除險加固工程措施，防患于未然，是十分必要的。

2 氣象概況

上英水庫地處中緯度，屬于溫帶季風氣候區(qū)，其特點是冬季以西北季風為主，嚴寒干燥；夏季以東南季風為主炎熱多雨，四季冷暖干濕分明。以海城站為氣象代表站，統(tǒng)計40年氣候資料。多年平均降水量703.5m m；降水主要集中在6～9月，占全年降水量的62.92%；7、8兩月的降水量占全年降水量的51.25%。多年平均蒸發(fā)量為1659.3m m（20c m蒸發(fā)皿）；其中5月蒸發(fā)最大，占全年的17.41%；1月蒸發(fā)量最小，占全年的1.92%。多年平均氣溫：8.7℃，極端最高氣溫為36.6℃，極端最低氣溫為-34.9℃。最大凍土深度：1.18m，發(fā)生在2～3月。風速：多年平均為3.4m/s，最大風速可達20m/s，其相應(yīng)風向位SSE，多年平均年最大風速16.5m/s，多年平均汛期最大風速13.5m/s。

3 暴雨洪水特性分析

上英水庫地區(qū)屬于季風氣候區(qū)域中，水汽主要來自東南方太平洋上空高溫多濕的氣流中，季風的強弱對降水量大小影響很大，是遼寧省多雨地區(qū)之一。形成本地區(qū)暴雨的主要天氣系統(tǒng)有華北氣旋、高空槽和臺風。本地區(qū)暴雨比較集中，大部分發(fā)生在東南季風勢力最強的7～8月，兩月降水量可占全年降水量的51%，暴雨一般持續(xù)1～2d，其中大部分在1d內(nèi)，最長可達3d。本流域洪水主要由暴雨產(chǎn)生，一次洪水過程大部分在1天之內(nèi)，最長可達3d，河道坡度較陡，屬于陡漲陡落的山溪性河流。一次降雨即形成一次洪峰，其洪水過程線多為單峰型。

4 設(shè)計暴雨洪水分析

上英水庫由于無實測水文資料，其設(shè)計洪水采用無資料地區(qū)設(shè)計暴雨洪水計算方法計算。水庫原設(shè)計暴雨洪水系采用《遼寧省水文手冊》（1975年由遼寧省水文局與遼寧省水利勘測設(shè)計院共同編制，以下簡稱《手冊》）計算。水庫安全評價階段對上英水庫設(shè)計暴雨洪水重新進行了分析計算，計算方法系采用《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》（遼寧省水文水資源勘測局1998年8月編，以下簡稱《方法》）。本次水庫除險加固階段對上英水庫設(shè)計暴雨洪水重新進行了復(fù)核計算，亦采用《方法》進行計算?！妒謨浴放c《方法》在編制暴雨等值線圖中使用的降水資料年限不同，前者資料截止至1972年，后者資料截止至1995年。另外在設(shè)計洪峰流量計算公式方面兩者亦有所不同，前者計算中僅需推算24h面雨量即可，而后者計算中除需推算24h面雨量外尚需推算6h、1h等短歷時面雨量。

4.1 設(shè)計暴雨計算

上英水庫地處水文分區(qū)的Ⅲ4區(qū)，控制流域面積54km2，河長16.2km，河道平均比降12.8‰。以壩址以上集水面積重心查讀各不同時段暴雨等值線圖和C v等值線圖。本次復(fù)核計算的上英水庫設(shè)計暴雨見表1。

式中：QP為設(shè)計洪峰流量；ψP為設(shè)計洪峰徑流系數(shù)；F為集水面積；iP為相當于匯流時間τ的設(shè)計面暴雨強度；PτP面為一定頻率下τ歷時的設(shè)計面暴雨［2］；P24P面為一定頻率下24h歷時的設(shè)計面暴雨；n1P、n2P為短歷時暴雨指數(shù)；τ為匯流時間；L為河流長度；J為河道平均坡度；x、y為地區(qū)匯流參數(shù)。

（2）設(shè)計洪量按如下公式計算：

式中：W三P、W（三-24）P、W24P分別為不同頻率的設(shè)計三日洪量、前鋒洪量、主峰洪量；P三P面、P（W-24）P為不同頻率的三日、24h設(shè)計面雨量；α三P、α（三-24）P為不同頻率的三日洪量、前鋒洪量的徑流系數(shù)。各不同頻率設(shè)計洪峰、最大24h洪量和三日洪量見表2。

表1中同時列出了上英水庫原設(shè)計暴雨成果和大壩安全評價階段計算的設(shè)計暴雨成果與本次計算成果，三者比較，原設(shè)計成果略大，安全評價與本次成果相差不多。本次仍以大壩安全評價階段的設(shè)計暴雨成果作為采用成果。

4.2 設(shè)計洪水計算

本次對上英水庫設(shè)計洪水進行的復(fù)核有設(shè)計洪峰流量計算與設(shè)計洪量計算。

（1）設(shè)計洪峰流量按如下公式計算：

表1 上英水庫設(shè)計暴雨成果表（單位：m m）

表2 上英水庫設(shè)計洪水成果表（單位：m3/s、萬m3）

表2中同時列出了上英水庫原設(shè)計洪水成果和大壩安全評價階段計算的設(shè)計洪水成果，三者比較，原設(shè)計成果略大，安全評價與本次成果相差不多?？紤]安全評價階段和本次均使用新編圖表計算，以及在大壩安全評價階段選定該階段復(fù)核的設(shè)計洪水為采用成果，且該成果已通過審查，故本次仍以大壩安全評價階段的設(shè)計洪水成果作為采用成果。

4.3 設(shè)計洪水分析與安全評價

水庫安全評價階段和本次水庫除險加固階段設(shè)計暴雨與設(shè)計洪水的計算方法是相同的，但由于在點面折減系數(shù)KF等參數(shù)的取值略有不同，至使設(shè)計暴雨洪水略有不同。從上英水庫原設(shè)計暴雨成果和設(shè)計洪水的計算成果同大壩安全評價階段計算的設(shè)計暴雨和設(shè)計洪水成果及本次設(shè)計的計算成果進行比較分析可以看出：原設(shè)計成果略大，安全評價與本次成果相差不多。為此，為了確保水庫除險加固工程的順利完成和確保水庫樞紐工程的安全，此次設(shè)計暴雨和設(shè)計洪水采用安全評價時的成果進行計算與分析。

5 設(shè)計洪水過程線分析

依照采用的設(shè)計洪水，按無資料地區(qū)設(shè)計暴雨洪水計算方法計算出各頻率設(shè)計洪水過程線，同時計算出各頻率洪水對應(yīng)的基流量，將各頻率基流平加于對應(yīng)頻率洪水過程線各時段上，得到設(shè)計洪水過程曲線，詳細情況見圖1。

圖1 上英水庫設(shè)計洪水過程曲線圖

6 設(shè)計洪水的合理性分析

將海城站和湯河水庫站由實測洪水資料計算的設(shè)計洪峰和三日設(shè)計洪量與上英水庫采用無資料地區(qū)設(shè)計暴雨洪水計算方法計算的設(shè)計洪峰和三日設(shè)計洪量進行地區(qū)分布分析，詳見圖2和圖3。

圖2 上英水庫與海城站及湯河水庫設(shè)計洪峰與面積關(guān)系圖

圖3 上英水庫與海城站及湯河水庫設(shè)計3日洪量與面積關(guān)系圖

由圖2可以看出，三站相同頻率設(shè)計洪峰地區(qū)分布關(guān)系較好，呈面積比的2/3次方關(guān)系；由圖3可以看出，三站相同頻率設(shè)計三日洪量地區(qū)分布關(guān)系亦較好，呈面積比的1次方關(guān)系。上述關(guān)系符合該地區(qū)洪水地區(qū)分布規(guī)律，表明采用無資料地區(qū)設(shè)計暴雨洪水計算方法計算的上英水庫的洪水是合理的。

7 結(jié)語

通過對海城市上英水庫除險加固工程設(shè)計洪水的計算與分析，可以看出該地區(qū)洪水地區(qū)分布規(guī)律，表明采用無資料地區(qū)設(shè)計暴雨洪水計算方法計算的上英水庫的洪水是合理的。通過設(shè)計洪水的計算與分析為工程建設(shè)提供詳實的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時為類似工程建設(shè)提供參考和借鑒，更為水庫除險加固后發(fā)揮其防洪、改善生態(tài)環(huán)境和為經(jīng)濟社會發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

［1］王霞，鄭雄偉，陳志剛.某梯級水庫潰壩應(yīng)急分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2009（01）：52-53+70.

［2］王艷春.巖馬水庫洪水風險區(qū)研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2013（04）：37-41.

［3］唐繼業(yè)，單麗，江秋蘭.遼寧省無資料地區(qū)設(shè)計暴雨洪水計算方法的研究［J］.水土保持科技情報，2003（02）：38-40+43.

［4］張景民，白鴻國.錦赤鐵路小流域暴雨徑流計算分析［J］.鐵道工程學報，2008（04）：4-7.

［5］王洪波.淺析鐵路橋涵小徑流驗證［J］.山西建筑，2009（14）：330-331.

［6］趙秀榮，蔣肖.明渠非恒定流理論在大藤峽水庫調(diào)洪計算中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，1994（01）：49-54.

［7］代榮霞，趙平.水面線法在安徽陶老壩連通水庫調(diào)洪中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2013（08）：41-44.

［8］張艷麗.海龍川水庫溢洪道加固設(shè)計與計算分析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015（01）：49-51.

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1672-2469（2015）06-0037-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.012

楊艷英（1969年—），女，工程師。

DOI：10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.013