東坑水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水分析

鄭 毅

(福建省浦城縣東坑水庫管理處，福建 浦城 353400)

1 工程概況

東坑水庫位于福建浦城縣管厝鄉(xiāng)巖步溪上游約3 km處，所在河流為南浦溪支流巖步溪，距浦城縣城約35 km。水庫壩址以上集雨面積為38.1 km2，主河道長16.32 km，河道平均坡降25.1‰，是一座以灌溉為主兼有發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫[1]。工程由水庫樞紐和灌區(qū)兩大部分組成，水庫現(xiàn)狀總庫容1552.2萬m3，其中興利庫容1206萬m3，為年調(diào)節(jié)中型水庫。水庫現(xiàn)狀設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇設(shè)計(jì)，1000 a一遇校核，校核洪水位為363.24 m，水庫正常蓄水位為360.00 m。水庫設(shè)計(jì)灌溉面積1.02萬畝，灌溉保證率90%。保護(hù)下游人口0.96萬人，耕地1.7萬畝。水庫于1980年6月建成開始蓄水運(yùn)行，至今已運(yùn)行40余年，發(fā)揮了巨大的工程效益。2015年6月8日以來，東坑水庫內(nèi)連降大雨和暴雨，6月11日因大量洪水沖刷導(dǎo)致水庫溢洪道底部靠廠房側(cè)山體產(chǎn)生大面積滑坡，嚴(yán)重影響了大壩和電站的安全。為確保水庫的安全運(yùn)行，充分發(fā)揮水庫的灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益，對(duì)東坑水庫進(jìn)行應(yīng)急除險(xiǎn)加固。本文主要對(duì)除險(xiǎn)加固中設(shè)計(jì)洪水計(jì)算和調(diào)洪計(jì)算分析，將得到的設(shè)計(jì)成果用于本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)洪水分析

2.1 水文測站及暴雨資料

2.1.1 測站分布基本情況

離東坑水庫壩址15 km處有黨溪雨量站，黨溪雨量站有1964年～2012年共49年實(shí)測的6 h、24 h的暴雨成果，考慮到黨溪雨量站缺乏1 h的暴雨資料，增加城關(guān)雨量站的資料進(jìn)行分析比較，同時(shí)采用2002年修正后的福建省暴雨等值線圖查得各短歷時(shí)暴雨資料進(jìn)行比較，東坑水庫區(qū)域水系見圖1。

圖1 浦城水系圖

2.1.2 基本資料

(1)水庫鄰近的黨溪雨量站暴雨資料

距離東坑水庫壩址15 km處有黨溪雨量站，黨溪雨量站有1964年～2012年共49 a實(shí)測的6 h、24 h的暴雨系列資料，詳見表1。

由于黨溪雨量站缺乏1 h的暴雨資料，增加城關(guān)雨量站資料進(jìn)行分析比較。城關(guān)雨量站距水庫壩址33.6 km，有1950年～2013年共64 a實(shí)測的1 h、6 h和24 h 的暴雨系列資料，詳見表1。根據(jù)2002年修正后的福建省暴雨等值線圖查得各短歷時(shí)暴雨資料，見表1。

(2)本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50 a一遇設(shè)計(jì)，1000 a一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)地區(qū)水文手冊，查得此處的點(diǎn)面系數(shù)，然后才能由點(diǎn)雨量推出面雨量，見表2。

表1 水庫鄰近的雨量站及福建省暴雨等值線圖查得各短歷時(shí)暴雨資料

(a)黨溪站年最大6 h暴雨頻率曲線圖

(b)浦城城關(guān)雨量站年最大6 h暴雨頻率曲線圖

表2 各頻率面暴雨量成果表

根據(jù)表2的比較可知，暴雨等值線圖的暴雨參數(shù)均大于各雨量站的成果，因此本次復(fù)核，從偏安全的角度考慮，采用暴雨等值線的成果進(jìn)行洪水復(fù)核。

2.2 設(shè)計(jì)洪水分析

2.2.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法選擇

由于東坑水庫所在流域內(nèi)無水文站，考慮到水庫的集雨面積為38.1 km2，本次計(jì)算洪水采用推理公式法、瞬時(shí)單位線法，和地區(qū)綜合法，將三者得到的成果進(jìn)行分析比較，選擇更加合理的成果作為東坑水庫設(shè)計(jì)洪水成果[2-3]。

(1)推理公式法

由小溪流域特征參數(shù)F、L、J；暴雨參數(shù)Sp、n；產(chǎn)流參數(shù)μ；匯流參數(shù)m等，用推理公式法求得設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

當(dāng)tc≥τ時(shí)，即全面匯流情況下：

(3)

當(dāng)tc<τ時(shí)，即部份匯流情況下：

(4)

式中：Qm為地表洪峰流量，m3/s；F為流域面積，km2；Τ為流域匯流歷時(shí)，hr；tc為地表產(chǎn)流歷時(shí)，hr；Rτ為匯流歷時(shí)內(nèi)的最大地表凈雨量，mm；Rtc為產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)的地表凈雨量，mm；m為匯流參數(shù)，內(nèi)陸區(qū)取m=0.039θ0.712(θ≥1.5 h)，m=0.045θ0.335(θ<1.5時(shí))。

(2)瞬時(shí)單位線法

采用納希瞬時(shí)單位線，假設(shè)流域是由n個(gè)相同的線性水庫串聯(lián)而成，降落在流域上瞬時(shí)的單位凈雨，經(jīng)過n個(gè)相同的線性水庫的調(diào)節(jié)，調(diào)蓄后在流域出口斷面處所形成的出流過程線就是相應(yīng)于該凈雨的瞬時(shí)單位線。計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Gn為伽馬函數(shù)，其值為n-1的階乘；n為線型水庫的調(diào)節(jié)次數(shù)，n=3.87F0.066J-0.151；t為匯流時(shí)間；e為自然對(duì)數(shù)的底；k為蓄泄系數(shù)，相當(dāng)于流域匯流時(shí)間的參數(shù)，k=m1/n，其中：

(3)地區(qū)綜合法

為滿足無實(shí)測流量資料推求設(shè)計(jì)洪水及成果合理性檢查的需要，本次設(shè)計(jì)擬采用臨近小安下、赤橋、柳溪、渡里水文站的洪水分析成果，見表3。

表3 各水文站的洪水特征值表

根據(jù)地區(qū)綜合法求得的地區(qū)綜合線(見圖3)，計(jì)算得到東坑水庫壩址處的Q=97.6 m3/s、Cv=0.81、Cs=3.5Cv，求得壩址處的各頻率洪水成果。

圖3 流域及鄰近各站年最大流量均值Cv-F關(guān)系線

2.2.2 設(shè)計(jì)洪水推求

各頻率設(shè)計(jì)洪水成果見表4。

表4 設(shè)計(jì)洪水成果表

從表4中可以看出推理公式法和瞬時(shí)單位線法的計(jì)算結(jié)果十分接近，地區(qū)綜合法的計(jì)算成果偏大。其中推理公式法和瞬時(shí)單位線法適用于集雨面積大于30 km2，小于500 km2的流域，而地區(qū)綜合法更適用于集雨面積大于500 km2的流域，本次計(jì)算的東坑水庫壩址以上集雨面積為38.1 km2，推理公式法和瞬時(shí)單位線法更加適用，而從工程偏安全的角度考慮，選擇計(jì)算成果更大的瞬時(shí)單位線法更加合理可靠。即本次計(jì)算的東坑水庫50 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為267 m3/s，1000 a一遇校核洪峰流量為424 m3/s。

2.3 合理性分析

將水庫的歷次洪水成果進(jìn)行列表比較分析本次計(jì)算成果的合理性，結(jié)果見表5。

表5 歷次洪水成果比較表 單位：m3/s

表5為東坑水庫歷次洪水計(jì)算的成果，都采用了推理公式法，但本次除險(xiǎn)加固的推理公式法中的暴雨參數(shù)采用最新版的“福建省暴雨等值線圖”，故計(jì)算結(jié)果偏大于2004年和2006年的成果(校核情況)。其中2004年安全評(píng)價(jià)最后采用水文比擬法的計(jì)算成果，選取的參證站為小安下水文站，由于小安下水文站系列僅有29年(1971年～1999年)的流量資料，存在較大的抽樣誤差且兩者的就面積相差較大，故成果存在一定的誤差。2006年除險(xiǎn)加固最后采用的是地區(qū)綜合法的計(jì)算成果，地區(qū)綜合法分析的是一個(gè)區(qū)域內(nèi)的洪水特征情況，綜合線的成果受采用的水文站的影響很大，不能很好地體現(xiàn)本次計(jì)算的洪水特征，通常只作為洪水合理性分析的驗(yàn)證手段。本次洪水成果計(jì)算采用的推理公式法和瞬時(shí)單位線法，能夠反映流域的水文氣象、地形地貌等多因素的差別，計(jì)算公式中的暴雨參數(shù)均使用最新版本的查算圖表和計(jì)算公式，成果合理可靠，可以很好地體現(xiàn)水庫流域洪水特性。

2.4 洪水總量計(jì)算和洪水過程線

水庫缺乏歷年歷次暴雨洪量的實(shí)測資料，本次復(fù)核依據(jù)《福建省產(chǎn)匯流計(jì)算方法》，以24 h設(shè)計(jì)暴雨不扣損失計(jì)算洪水總量：

(6)

經(jīng)計(jì)算，各頻率設(shè)計(jì)洪水成果見表6。

表6 設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算成果表(24 h)

設(shè)計(jì)洪水過程線的計(jì)算根據(jù)福建省暴雨洪水概化過程線系數(shù)概化，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Wp為地表洪水總量，m3；Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；T=50 h該洪水過程線為50 h過程線，選取其中最大24 h洪水過程線，根據(jù)W24/(F×H24)比值進(jìn)行過程線放大，成果見表7。

表7 設(shè)計(jì)洪水過程線 單位：m3/s

3 結(jié)論及建議

設(shè)計(jì)洪水成果在東坑水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中十分重要，本文根據(jù)現(xiàn)有水文資料和成果，選取推理公式法、瞬時(shí)單位線法和地區(qū)綜合法3種方法進(jìn)行洪水成果計(jì)算，最終選擇出適合該工程水文計(jì)算的瞬時(shí)單位線法洪水成果，為本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供了具體的數(shù)據(jù)資料。目前，工程已完工，且運(yùn)行良好。