樓莊子水庫設(shè)計洪水計算探討

董秀斌

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

樓莊子水庫位于頭屯河硫磺溝鎮(zhèn)以南25km處，距下游昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)樓莊子村8km，庫區(qū)下游有國防公路通過，壩址位于制材廠水文站以下8.5km處，是一座以灌溉、防洪和城市及工業(yè)供水為主要任務(wù)的水庫工程。水庫總庫容為7374萬m3，正常蓄水位1394.50m，最大壩高82.6m。

按照《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)和《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)，確定樓莊子水庫為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。水庫工程由黏土心墻壩、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成。相應(yīng)的水工建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：主要建筑物導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞按3級建筑物設(shè)計，由于樓莊子水庫庫壩區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，壩高大于70m，且區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定條件復(fù)雜，水庫下游分布有交通、通訊線路等國民經(jīng)濟重要基礎(chǔ)設(shè)施，故大壩提高一級按照2級建筑物設(shè)計，大壩為2級建筑物，溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞和引水洞為3級建筑物，次要建筑物及臨時建筑物為4級。

2 洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

樓莊子水庫工程大壩為土石壩，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)的規(guī)定：土石壩正常運用洪水重現(xiàn)期50-100a，非常運用洪水重現(xiàn)期1000-2000a。由于大壩為2級建筑物，水庫下游分布有交通、通訊線路等國民經(jīng)濟重要基礎(chǔ)設(shè)施，所以洪水標(biāo)準(zhǔn)取3級建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的上限。

大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，洪峰流量Q=405m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000a一遇，洪峰流量Q=750m3/s。消能防沖建筑物的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇，最大入庫洪峰流量Q=277m3/s。圍堰施工期施工導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，洪峰流量Q=236.45m3/s。壩體施工期擋洪度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，洪峰流量Q=330m3/s。

3 設(shè)計洪水計算

3.1 區(qū)域綜合模比系數(shù)法

由于計算河流無實測洪峰流量系列資料，所以可以通過選定工程場址處歷史洪水調(diào)查，獲取某一歷史洪峰流量的調(diào)查值和該次洪峰流量的調(diào)查考證期，則可計算設(shè)計洪峰流量[1]，計算公式為：

(1)

Kp=ΦPCV+1

(2)

(3)

Kn=ΦnCV+1

(4)

則有：

(5)

3.1.1 變差系數(shù)的確定

通常按經(jīng)驗間接的方法取決，或者借用周邊河流參數(shù)[2]。本次擬采用兩套計算參數(shù)，一套參數(shù)直接借用相鄰的呼圖壁河石門站長系列統(tǒng)計參數(shù)進行計算，統(tǒng)計參數(shù)見表1；另外一套根據(jù)由希堯編著的《新疆短缺資料中小河流設(shè)計洪水計算應(yīng)用辦法》中的新疆各地CV參考表查得，統(tǒng)計參數(shù)見表2。

表1 呼圖壁河石門站洪峰流量統(tǒng)計參數(shù)表

表2 新疆各地CV參考表

3.1.2 洪峰模比系數(shù)K的確定

當(dāng)選定變差系數(shù)CV或偏差系數(shù)CS后，可根據(jù)歷年洪水調(diào)查考證期n和所需計算的設(shè)計洪水保證率p，從《水文水利計算》附表的皮爾遜Ⅲ型曲線離均系數(shù)Φ值表查出Φ值，再計算調(diào)查歷史洪水的模比系數(shù)Kn和設(shè)計洪水的模比系數(shù)Kp。

按照新疆各地CV參考表查得變差系數(shù)平均值、倍比，得到偏差系數(shù)值，石門站長系列統(tǒng)計參數(shù)，根據(jù)式(2)和(4)計算得到Kp和Kn值見下表。

表3 Kp、Kn計算值表

將上表中計算參數(shù)代入公式(6)中后即得到不同頻率設(shè)計洪峰流量，見表4。

3.2 經(jīng)驗公式法

經(jīng)驗公式法是以設(shè)計因素與其主要影響因素之間的定量關(guān)系為基礎(chǔ)，據(jù)設(shè)計流域具體條件估算所求項目的一種方法。本次分別采用新疆通用經(jīng)驗公式和區(qū)域經(jīng)驗公式計算設(shè)計流域洪水。

表4 區(qū)域綜合模比系數(shù)法設(shè)計洪峰流量計算成果表

3.2.1 新疆通用公式

(6)

3.2.2 區(qū)域經(jīng)驗公式

(7)

計算得到各參數(shù)及洪峰流量設(shè)計平均值見表5，借用石門站長系列統(tǒng)計參數(shù)，可得不同頻率設(shè)計洪峰流量見表6。

4 設(shè)計洪水成果推薦

4.1 區(qū)域綜合模比系數(shù)

此方法的難點在于選擇設(shè)計流域的洪峰流量計算的數(shù)值和確定歷史洪水的重現(xiàn)期及量級，計算過程中選用的統(tǒng)計參數(shù)一套為鄰近參證站實測系列推求，另一套為工具書中給出的參考值，歷史洪水重現(xiàn)期及量級較為可靠，因此此法從統(tǒng)計參數(shù)的選取、歷史洪水考證情況看均較可靠，比較符合區(qū)域洪水特征，因此此法計算成果可作為參考成果[3]。

4.2 經(jīng)驗公式法

此法適用于確因條件特殊而無法滿足其它方法計算時采用，有一定約束性。從計算公式來看，通用經(jīng)驗公式中只有集水面積一項為主要因素，其它兩項均為經(jīng)驗系數(shù)，不確定性較大，從計算結(jié)果可以看出設(shè)計值明顯偏??；區(qū)域經(jīng)驗公式中雖考慮因素較多，但僅從計算得到的設(shè)計洪峰流量均值就可以看出明顯偏大不符合實際，因此不推薦此種方法計算結(jié)果。

綜上，頭屯河樓莊子水庫推薦設(shè)計洪峰流量成果采用區(qū)域綜合模比系數(shù)法設(shè)計洪峰流量計算成果(表4)。

表5 區(qū)域經(jīng)驗公式計算參數(shù)表

表6 經(jīng)驗公式法計算成果表

5 結(jié) 論

分析表明，水庫洪峰模數(shù)是按全流域集水面積計算的，較大流量所計算的洪峰模數(shù)往往偏小，洪峰模數(shù)在地區(qū)上也具有一定的分布規(guī)律性，流域面積與設(shè)計洪峰流量關(guān)系圖表明樓莊子水庫流域集水面積與設(shè)計洪峰流量相關(guān)程度較高，設(shè)計洪峰流量隨著流域集水面積的增加而增加。因此，本次樓莊子水庫洪水計算成果基本合理，可以用于水庫治理規(guī)劃設(shè)計。