石佛水庫除險加固設計洪水計算與分析

倪　明

(錦州市水利工程建設管理局，遼寧 錦州 121000)

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石佛水庫除險加固設計洪水計算與分析

倪明

(錦州市水利工程建設管理局，遼寧 錦州 121000)

石佛水庫位于北鎮(zhèn)市富屯鄉(xiāng)石佛村，西沙河支流上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)魚的小(Ⅱ)型水庫。水庫經(jīng)過多年的運行存在著病險，急需除險加固。文章對該水庫工程的概況及水文氣象進行了簡述，并對水庫設計暴雨和設計洪水進行計算，同時根據(jù)計算結(jié)果對其進行了合理性分析，從分析可以看出設計洪水成果合理。通過分析為水庫除險加固建設提供了詳實的數(shù)據(jù)依據(jù)，也為類似工程建設提供了參考和借鑒作用。

設計暴雨；設計洪水；計算；石佛水庫；北鎮(zhèn)市

1　工程概況

石佛水庫位于北鎮(zhèn)市富屯鄉(xiāng)石佛村，西沙河支流上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)魚的小(Ⅱ)型水庫。水庫原設計防洪標準20a一遇，原校核洪水標準300a一遇。大壩為黏土心墻壩，輸水洞為正虹吸管[1]。水庫經(jīng)過多年的運行存在著病險，急需除險加固。水庫除險加固后下游富屯鄉(xiāng)2個村，2000口人，耕地3 km2，灌溉面積1.3 km2，102國道和廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全得到了保護[2]。

2　水文與氣象

石佛水庫壩址以上流域面積2.93 km2，主河道長3.05 km。流域內(nèi)山多地少，森林茂密，植被較好，泥沙淤積相對較少，多年平均徑流深213mm。西沙河流域地處中緯度，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。以北鎮(zhèn)站為氣象代表站，統(tǒng)計30a氣候資料。各氣象特性如下：多年平均降水量為608mm；多年平均蒸發(fā)量為1970mm；多年平均氣溫8.9℃，氣溫由北向南遞增，標準凍土深度1.2m，最大凍土深度1.3m。最大風速可達25m/s，其相應風向為NW，多年平均最大風速15m/s[3]。

3　設計洪水計算

本流域現(xiàn)無水文站、雨量站，其最近的雨量觀測站點為趙荒地站，壩址附近沒有水文觀測站，故洪水推求按無資料地區(qū)計算洪水成果[4]。

3.1設計暴雨計算

石佛水庫控制面積2.93 km2，壩址以上河流長度3.05 km，河道比降93.76‰，水文分區(qū)V1區(qū)。該地區(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[5]。形成本地區(qū)暴雨的主要天氣系統(tǒng)有華北氣旋、高空槽。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，暴雨一般持續(xù)1～2d，其中大部分在1 d內(nèi)，最長可達3 d[6]。

此次進行各種標準計算時，采用無資料地區(qū)設計暴雨計算方法《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設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《推理公式遼寧法》)，由于壩址處附近沒有水文站實測資料，只能與原有資料和附近水庫洪水進行比較[2]。流域特性為：流域面積F=2.93 km2；河長L=3.05 km；河道比降J=93.76‰；水文分區(qū)屬于V1區(qū)；其計算結(jié)果如表1。

3.2設計洪水計算

本流域洪水主要由暴雨產(chǎn)生，一次洪水過程大部分在1d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[5]。

3.2.1匯流歷時計算

根據(jù)石佛水庫所在的水文分區(qū)V1區(qū)，查《推理公式遼寧法》得各水文分區(qū)地區(qū)匯流參數(shù)表，x為0.57，y為0.65。

3.2.2設計暴雨參數(shù)計算

查《推理公式遼寧法》得遼寧省年最大24h暴雨均值等設計暴雨參數(shù)，計算結(jié)果見表2。

表2　設計暴雨參數(shù)表　mm

1)時段面雨量。查《推理公式遼寧法》得，當F=2.93 km2，t=0.26h，點面折減系數(shù)kF=1.0，進而查得模比系數(shù)kp值，見表3。

表3　模比系數(shù)kp值表

2)計算Ptp面=Pt×Vp×VF。計算結(jié)果見表4。

表4　Ptp面計算結(jié)果表

4)計算τ歷時設計面雨量及面暴雨強度ip。查《推理公式遼寧法》，得計算τ歷時設計面雨量及面暴雨強度ip采用下式計算[8]：

Pτp面=P1p面×τ1-n0p

ip=pτp面/τ

(1)

計算τ=0.26h。計算結(jié)果為：當P%=2時，Pτp面=47.14，ip=181.29；當P%=5時，Pτp面=38.93，ip=149.71；當P%=10時，Pτp面=32.24，ip=123.98。

5)計算φP。根據(jù)《推理公式遼寧法》，計算φP。計算結(jié)果為：當P%=2時，α三p=0.47，α(三-24)p=0.12，φP=0.65；當P%=5時，α三p=0.40，α(三-24)p=0.11，φP=0.56；當P%=10時，α三p=0.33，α(三-24)p=0.10，φP=0.47。

3.2.3設計洪峰與洪量計算

1)洪峰流量計算。Qp洪峰流量Qp根據(jù)《推理公式遼寧法》按公式Qp=0.278φP×ip×F計算，計算結(jié)果為當P%=2時，Qp為95.98m3/s；當P%=5時，Qp為68.29m3/s；當P%=10時，Qp為47.46m3/s。

2)洪水總量計算。根據(jù)《推理公式遼寧法》，洪水總量按下式計算：

W三p=0.1×α三p×P三p面×F

W(三-24)p=0.1×α(三-24)p

×(P三p面-P24p面)×F

W24p=W三p-W(三-24)p

(2)

計算結(jié)果為：當P%=2時，W三p=0.47萬m3，α(三-24)p=40.26萬m3，W24pP=1.55萬m3；當P%=5時，W三p=28.36萬m3，α(三-24)p=27.23萬m3，W24pP=1.13萬m3；當P%=10時，W三p=19.01萬m3，α(三-24)p=18.17萬m3，W24pP=0.84萬m3。

3)洪水歷時計算

①計算形狀系數(shù)。查《推理公式遼寧法》得，西部地區(qū)形狀系數(shù)按下式計算：

rp=W24p/(Qp×52×0.36)，計算結(jié)果為：當P%=2時，rp=0.022；當P%=5時，rp=0.021；當P%=10時，rp=0.02。

②計算洪水歷時。當rp<0.05時采用以設計洪峰Qp為最大流量、按式W調(diào)p=0.67W24p+0.12Qpτ，T=5.56W調(diào)p/Qp計算出洪水總量W調(diào)p，洪水歷時T。通過計算，當P%=2時，W調(diào)p=29.97萬m3，T=1.74h；當P%=5時，W調(diào)p=20.37 萬 m3，T=1.66h；當P%=10時，W調(diào)p=13.65萬m3，T=1.60h。

4　設計洪水成果的合理性分析

石佛水庫位于北鎮(zhèn)市富屯鄉(xiāng)石佛村，西沙河支流上。由于本地區(qū)屬無資料地區(qū)，因此設計洪水成果的合理性分析主要分析西沙河及沙子河兩流域內(nèi)的有關水庫樞紐洪峰流量～面積關系，并將其繪到對數(shù)格紙上，詳見圖1。

圖1石佛水庫設計洪峰流量(Q～F)地區(qū)綜合分析圖

由圖1可知，本區(qū)域范圍內(nèi)有關水庫樞紐斷面的洪峰流量～面積關系點子分布來看比較有規(guī)律，洪峰流量隨著面積的增加而加大的，石佛水庫成果點繪其中正好位于同頻率分布線上，所以該站設計洪水成果是合理的。

5　結(jié)　語

通過對石佛水庫設計暴雨和設計洪水的計算與合理性分析，從分析可以看出：

1)水庫設計洪峰流量隨著面積的增加而加大的，而且水庫成果點繪其中正好位于同頻率分布線上，所以該站設計洪水成果是合理的。

2)水庫設計洪水計算的成果分析為水庫除險加固提供了詳實數(shù)據(jù)依據(jù)，說明水庫除險加固在設計洪水上符合防洪標準，工程建設具有可行性。

[1]魏宏剛.響河水庫除險加固工程設計[J].水利規(guī)劃與設計，2013(06)：78-79.

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

[3]袁瑩.北鎮(zhèn)市石佛水庫工程地質(zhì)分析與評價[J].內(nèi)蒙古水利，2015(01):37-38.

[4]陳民，薛茜.密云水庫后汛期設計洪水分析[J].水利水電工程設計，2000(02):41-42.

[5]王卓娟，喬娟.湖北省小型水庫設計洪水計算[J].三峽大學學報，2011(03):13-14.

[6]項偉.海龍川水庫大壩除險加固設計與計算[J].黑龍江水利科技，2014(12)：177-179.

[7]陳延生.葦子溝水庫大壩除險加固設計[J].黑龍江水利科技，2014(12)：160-163.

[8]馬丹.水庫溢洪道除險加固工程設計思路[J].水利科技與經(jīng)濟，2010(02)：157-158.

1007-7596(2016)07-0043-03

2016-05-28

倪明(1982-)，男，遼寧錦州人，工程師，研究方向為水利工程建設管理、水利工程施工等。

TV697.3；TV122.3

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