大山門水庫安全鑒定防洪能力復(fù)核分析

高淑紅

（西安景天水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，陜西 西安710014）

水庫作為蓄水工程，直接關(guān)系到當(dāng)?shù)貜V大居民的生活飲水、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電等切身利益，對水庫進行安全鑒定，并進一步進行除險加固工作，不僅僅是水庫安全穩(wěn)定運行的保障，也是人民生命財產(chǎn)的保護。防洪能力復(fù)核的目的是根據(jù)收集的水文資料進行設(shè)計洪水復(fù)核和調(diào)洪計算，評價大壩現(xiàn)狀抗洪能力是否滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 大山門概況

1.1 工程概況

合水縣大山門水庫位于合水縣東部，距縣城38 km，距固城鎮(zhèn)7.5 km，是一座以防洪、灌溉及生態(tài)保護為主的?。?）型水庫，工程于1959年4月建成投入運行至今。

大山門水庫坐落于馬蓮河一級支流固城河主河道上，屬小（2）型水庫，均質(zhì)土壩，壩址以上控制流域面積153 km2，總庫容36.6萬m3，興利庫容17.6萬m3，死庫容5.4萬m3，防洪庫容26.9 m3。上游河道無其他設(shè)施建設(shè)，距壩軸下游4 km處有一座（1）型新村水庫。該水庫壩體為均質(zhì)土壩，流域面積167 km2，總庫容411.4萬m3，興利庫容86萬m3，死庫容29萬m3，防洪庫容382.4萬m3，壩高19.5 m，壩頂高程1173 m。

1.2 樞紐概況

樞紐建筑物由大壩、溢洪道、放水臥管三部分組成。

大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高8.0 m，壩頂高程1197.30 m，壩低高程1189.30 m，壩長120 m，壩頂寬6.0 m，迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比為1∶2.0。

溢洪道位于大壩左岸，屬開敞式溢洪道，無閘門控制，堰頂無交通橋，溢洪道總長89 m，最大泄流量7.6 m3/s。溢流段為寬頂堰，矩形斷面，漿砌石結(jié)構(gòu)，堰底高程1194.90 m，堰寬2.3 m，高2.4 m，堰長5.0 m；堰流段后為梯形斷面，混凝土結(jié)構(gòu)，深2.5 m～2.8 m，邊坡坡比為1∶1，梯形渠長84 m。

臥管位于大壩右側(cè)，由放水孔、輸水涵洞、泄水明渠等部分組成，臥管共計9臺，臺階高度為0.5 m，為單孔設(shè)計，每臺設(shè)1個放水孔，直徑為0.4 m，臥管最低放水孔進口高程1192.30 m，下部為消力池，銜接矩形漿砌石輸水無壓涵洞，尺寸為0.8 m×1.0 m，洞全長41 m，出口明渠長10 m，為矩形斷面，輸水涵洞最大下泄流量0.4 m3/s，輸水涵洞進口底檻高程1191.30 m。

2 設(shè)計洪水復(fù)核

2.1 防護標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

大山門水庫規(guī)模為?。?）型，工程等級為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。對照《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）中的有關(guān)規(guī)定，5級建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年～30年一遇，土石壩校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年～300年一遇。水庫現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核，均滿足規(guī)范要求，故本次防洪復(fù)核仍沿用此標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)計洪水復(fù)核

大山門水庫流域內(nèi)洪水成因主要是暴雨形成，由于本流域沒有實測較大洪水資料，故本次大山門水庫的安全鑒定洪水復(fù)核采用2004年出版的《甘肅省暴雨特性研究》中的暴雨參數(shù)與1988年出版的《甘肅省暴雨洪水圖集》中的瞬時單位線法、《甘肅省水文圖集》中的經(jīng)驗公式法進行分析計算。

2.2.1 根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計洪水

（1）點設(shè)計暴雨計算

由《甘肅省暴雨洪水圖集》查得水庫流域的CV與CS關(guān)系，然后再由圖集中的“水文圖”中分別查出流域中心處1 h、6 h、24 h的暴雨均值Ht及變差系數(shù)CV，按照CS=3.5CV由P-Ⅲ型曲線模比系數(shù)表查得對應(yīng)頻率的Kp值，其設(shè)計頻率的點暴雨量可由Htp=Kp×Ht求得，根據(jù)1 h、6 h相對應(yīng)頻率的點雨量直線內(nèi)插或按公式H3=H10.387×H60.613。計算結(jié)果見表1。

表1 點設(shè)計暴雨計算表

（2）面設(shè)計暴雨計算

從《甘肅省暴雨洪水圖集》中的“水文圖”中可查出流域面積F=153 km2時的點面折算系數(shù)和流域綜合形狀改正系數(shù)，可計算出面設(shè)計暴雨，見表2。

表2 面設(shè)計暴雨計算表

（3）產(chǎn)流計算

大山門水庫為子午嶺林區(qū)，生長著大面積的次生林及人工林，植被較好，平均入滲率f按黃土山（林）區(qū)查用表進行產(chǎn)流計算。從《甘肅省暴雨洪水圖集》中可查得該地區(qū)的時程分配雨型，選用涇河區(qū)3小時主雨峰控制概化雨型，計算出不同設(shè)計頻率的設(shè)計面暴雨量。計算結(jié)果見表3。

表3 壩址處面雨量時程分配及設(shè)計凈雨深過程計算成果

在P=5%時，查表進行產(chǎn)流計算得tc=3 h，Ptc=42.5 mm，f=9.42 mm/h，ΔF=f=9.42 mm，產(chǎn)流前第1至第8時段的降雨量之和為初損I0=16.25 mm；在P=0.5%時，查表進行產(chǎn)流計算得tc=3 h，Ptc=67.59 mm，f=12.46 mm/h，ΔF=f×Δt=12.46 mm，產(chǎn)流前第1至第8時段的降雨量之和為初損I0=24.98 mm；產(chǎn)流期以后的雨量亦全部下滲。

（4）匯流計算

采用《甘肅省暴雨洪水圖集》中的瞬間單位線法進行推算，匯流參數(shù)m1、m2采用黃土林區(qū)的綜合關(guān)系。

式中：m1，10=0.9F0.18J-0.33，b=0.28-0.05log F；i為非線性外延臨界凈雨強，i≤15 mm/h；F為壩址以上流域面積，km2；J為壩址以上河道平均比降，‰。

通過上式計算得m1、m2，再根據(jù)下述公式計算參數(shù)n、k、C：

式中：n、k為瞬時單位線參數(shù)；C為換算系數(shù)；Δt為計算時段，Δt=1 h。

根據(jù)上述公式計算得瞬時單位線法計算參數(shù)成果見表4。

表4 瞬時單位線法計算參數(shù)成果表

（5）潛、基流疊加

根據(jù)地表洪峰流量及匯流面積，查黃土山（林）區(qū)潛流表得ξ，Q潛基max=Qm表×ξ，由《甘肅省暴雨洪水圖集》附圖查得基流量均勻加入，Q潛max=Q潛基max-Q基，潛流過程采用等腰三角形，按直線內(nèi)插得不同t時的潛流量，計算得20年一遇地表洪峰流量為249 m3/s，ζ=1.6%，Q潛基max=3.98 m3/s，Q基=0.85 m3/s；200年一遇地表洪峰流量為510 m3/s，ζ=1.2%，Q潛基max=6.13 m3/s，Q基=0.85 m3/s。將Q表、Q潛、Q基同時序相加得設(shè)計洪水過程線見圖1，洪峰流量計算結(jié)果見表5。

圖1 水庫洪水過程線

表5 大山門水庫復(fù)核洪峰流量表 單位：m3/s

2.2.2 經(jīng)驗公式法

采用《甘肅省水文圖集》中涇河慶陽至雨落坪區(qū)間支流經(jīng)驗公式進行計算：

式中：Q為相對于某一頻率的設(shè)計洪峰流量，m3/s；F為集水面積，km2；q為相對于某一頻率的洪峰流量模數(shù)，m3/（s·km2）；C為相對于某一頻率洪峰流量系數(shù)。

計算得水庫20年一遇設(shè)計洪峰流量為337.54 m3/s，200年一遇設(shè)計洪峰流量為873.32 m3/s。

2.2.3 洪水成果分析及選用

經(jīng)驗公式法主要是《甘肅省水文圖集》根據(jù)1973年以前的洪水資料，總結(jié)出的一套規(guī)律性的經(jīng)驗公式，缺乏后期洪水資料，且公式計算流域特性，下墊面參數(shù)等因素考慮較少，計算精度稍差，本次計算僅為對比參考；瞬時單位線法使用《甘肅省暴雨洪水圖集》總結(jié)地區(qū)實測暴雨洪水資料分析出來的暴雨-洪水關(guān)系進行計算，有一套完整的計算方法，在理論方面比較嚴(yán)謹(jǐn)，過程中又采用了本流域的特征值、經(jīng)驗參數(shù)和暴雨資料，計算成果既代表了區(qū)域洪水的共性，又突出了計算流域洪水的特性，成果精度相對較高；本次復(fù)核采用瞬時單位線法計算成果作為本次鑒定依據(jù)，即20年一遇洪峰流量250 m3/s，200年一遇洪峰流量為512 m3/s。

3 調(diào)洪計算

3.1 洪水調(diào)節(jié)方式

大山門水庫是以溢洪道調(diào)洪，確保水庫安全。

3.2 基礎(chǔ)資料

（1）起調(diào)水位

本次調(diào)洪演算，以溢洪道底板高程1194.90 m開始起調(diào)，調(diào)洪演算采用試算法列表進行。本次以現(xiàn)狀1∶1000測量圖結(jié)合五萬分之一地形圖，對大山門水庫容曲線重新進行復(fù)核。

（2）水位與庫容曲線見表6。

表6 水庫水位～庫容曲線表

（3）泄流能力曲線

水位與下泄流量關(guān)系曲線采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 253-2018）規(guī)定的寬頂堰流量公式進行推斷，公式為：

式中：Q為溢流壩泄洪流量，m3/s；m為二元水流寬頂堰流量系數(shù)；ε為進口側(cè)收縮系數(shù)；B為堰頂寬度，B=2.3 m；H0為堰頂水頭，m。

大山門水庫泄流是溢洪道泄流，聯(lián)合泄流量與水位關(guān)系見表7。

表7 大山門水庫泄流能力復(fù)核成果表

3.3 調(diào)洪計算成果

調(diào)洪計算依據(jù)以下計算公式進行試算：

式中：Q1為某一時段來洪泄流量，m3/s；Q2為后一時段來洪流量，m3/s；q1為某一時段泄流量，m3/s；q2為后一時段泄洪流量，m3/s；Δt為時段時間值，s；V1為某時段的水庫庫容，m3；V2為后時段的水庫庫容，m3。

表8 大山門水庫調(diào)洪計算成果表

3.4 調(diào)洪計算成果分析

根據(jù)調(diào)洪計算成果，將本次復(fù)核成果與《大壩注冊登記表》后成果進行對比，本次復(fù)核設(shè)計水位為1198.44 m，校核洪水位為1199.20 m，注冊登記表設(shè)計水位為1195.30 m，校核洪水位為1196.30 m，壩頂高程為1197.30 m。20年、200年一遇洪水狀況下，本次復(fù)核洪水水位結(jié)果均高于《大壩注冊登記表》中洪水水位，根據(jù)《水電站大壩運行安全評價導(dǎo)則》（DL/T 5313-2014）其防洪安全性評級為C級。

4 結(jié)語

水文分析計算作為防洪能力復(fù)核的基礎(chǔ)和必要前提條件，直接決定了防洪能力復(fù)核結(jié)論的準(zhǔn)確性和可靠性。防洪能力復(fù)核雖然只是水庫大壩安全鑒定的一部分，要對水庫大壩安全狀況進行準(zhǔn)確分類，還是應(yīng)結(jié)合工程質(zhì)量安全、滲流安全、結(jié)構(gòu)安全、金屬結(jié)構(gòu)安全等評價情況，綜合分析水庫狀況?？傊?，只有對水庫進行精準(zhǔn)的安全鑒定，才能對接下來的除險加固工作提供正確指導(dǎo)。