高州水庫(kù)大壩安全鑒定洪水復(fù)核計(jì)算分析

高仁杰，左 冬，范立柱

（廣東河海工程咨詢(xún)有限公司，廣東 廣州 510600）

根據(jù)水利部2003年發(fā)布的《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》（水建管［2003］271號(hào)文）第5條規(guī)定[1]：大壩實(shí)行定期安全鑒定制度，首次安全鑒定應(yīng)在竣工驗(yàn)收后5年內(nèi)進(jìn)行，以后應(yīng)每隔6～10年進(jìn)行一次。防洪能力復(fù)核作為水庫(kù)大壩安全鑒定重要工作內(nèi)容[2]，主要目的是根據(jù)水庫(kù)工程現(xiàn)有規(guī)模和設(shè)施，復(fù)核水庫(kù)調(diào)蓄庫(kù)容、大壩擋洪、泄洪能力是否滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)洪水位與校核洪水位。

1 基本情況

高州水庫(kù)位于廣東省高州市境內(nèi)東北部，是一座以工、農(nóng)業(yè)和城市生活供水為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、航運(yùn)和淡水養(yǎng)殖等綜合利用的大（1）型水庫(kù)。高州水庫(kù)在鑒江一級(jí)支流大井河及曹江上，是廣東省十大水庫(kù)之一，灌溉面積39.33萬(wàn)hm2，保護(hù)人口617萬(wàn)人，是關(guān)系茂名及至整個(gè)鑒江中下游平原工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)命脈的蓄水工程。

高州水庫(kù)由石骨庫(kù)區(qū)和良德庫(kù)區(qū)連通組成，其中，石骨庫(kù)區(qū)建于鑒江支流曹江上，庫(kù)區(qū)集水面積為525 km2，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為4.91×108m3；良德庫(kù)區(qū)建于鑒江支流大井河上，庫(kù)區(qū)集水面積為497 km2，設(shè)計(jì)總庫(kù)容6.60×108m3。高州水庫(kù)主要由2座主壩、8座副壩、2座溢洪道和2座輸水涵、2座壩后式電站組成。

2 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)

高州水庫(kù)總庫(kù)容超過(guò)10×108m3，屬于Ⅰ等水利水電工程，主要建筑物為1級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。按照SL 252-2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，高州水庫(kù)按千年一遇洪水設(shè)計(jì)、萬(wàn)年一遇洪水校核。

2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

2.2.1 基礎(chǔ)資料

此次設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算基礎(chǔ)資料為廣東省水文局茂名分局和高州水庫(kù)管理中心提供的1957—2020年入庫(kù)還原資料。根據(jù)良德庫(kù)區(qū)和石骨庫(kù)區(qū)洪水期入庫(kù)還原資料，按同步時(shí)間疊加成高州水庫(kù)洪水過(guò)程線(xiàn)，并統(tǒng)計(jì)年最大洪峰流量Qm、年最大24 h洪量W24h、年最大3 d洪量W3d。

2.2.2 設(shè)計(jì)洪峰、洪量計(jì)算

對(duì)高州水庫(kù)現(xiàn)有1957—2020年共64年長(zhǎng)系列洪峰流量資料進(jìn)行排頻計(jì)算，理論頻率曲線(xiàn)采用P—Ⅲ曲線(xiàn)，按經(jīng)驗(yàn)適線(xiàn)法目估適線(xiàn)，偏態(tài)系數(shù)Cs采用與變差系數(shù)Cv的經(jīng)驗(yàn)倍比關(guān)系，Cs=3Cv，用矩法公式計(jì)算洪水參數(shù)[3]，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 高州水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

2.2.3 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)的推求

本著峰高量大，主峰段洪量集中，對(duì)水庫(kù)防洪偏不利的典型洪水選取原則，此次選取高州水庫(kù)1969年7月20日實(shí)測(cè)洪水作為典型年洪水過(guò)程線(xiàn)。設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)采用設(shè)計(jì)洪峰流量及24 h洪量、3 d洪量同頻率控制放大典型洪水過(guò)程線(xiàn)。

3 調(diào)洪計(jì)算

3.1 基本原理

由壩址入庫(kù)洪水過(guò)程經(jīng)調(diào)洪演算，推求出水庫(kù)下泄過(guò)程和各防洪特征水位。洪水波在水庫(kù)中行進(jìn)時(shí)，水流運(yùn)動(dòng)中各水力要素隨時(shí)空變化，屬三維非恒定問(wèn)題。由于三維非恒定問(wèn)題在數(shù)學(xué)求解及基本方程的理論假定上還有諸多問(wèn)題，故在實(shí)際應(yīng)用中常將問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維、一維非恒定問(wèn)題，利用試算法求解。試算法調(diào)洪是一種概念清楚、適用面較廣的水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算方法，尤其是計(jì)算時(shí)段不固定和多種泄流設(shè)施組合使用時(shí)，試算法更具有其靈活性。雖試算工作量增大，但隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用，上述問(wèn)題迎刃而解。調(diào)洪演算采用靜庫(kù)容法，采用的水庫(kù)水量平衡方程：

庫(kù)容曲線(xiàn)～泄流量曲線(xiàn)：

式中：V1，V2——計(jì)算時(shí)段始末的入庫(kù)庫(kù)容，m3；Q1，Q2——計(jì)算時(shí)段始末的入庫(kù)流量，m3/s；q1，q2——計(jì)算時(shí)段始末的出庫(kù)流量，m3/s；△t——為計(jì)算時(shí)段，s。

試算由第1時(shí)段開(kāi)始，逐時(shí)段連續(xù)進(jìn)行。對(duì)于第一時(shí)段，Q1，Q2，q1及△t均為已知，假設(shè)一個(gè)q2，可由式（1）計(jì)算出V2，由V2查水位～庫(kù)容曲線(xiàn)Z=f(V)和庫(kù)容曲線(xiàn)～泄流量曲線(xiàn)q=f(V)得q2；若二者相等，即所假設(shè)q2能同時(shí)滿(mǎn)足式（1）、式（2），假設(shè)的q2即為所求。否則，重新假設(shè)q2，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，直至二者相等為止。將第1時(shí)段的q2，V2作為第2時(shí)段的q1，V1，像第1時(shí)段一樣進(jìn)行計(jì)算，求得第2時(shí)段末的q2，V2。逐時(shí)段連續(xù)試算，即可求得下泄流量過(guò)程和水庫(kù)蓄水過(guò)程。

3.2 防洪調(diào)度原則

1）嚴(yán)格控制高州水庫(kù)水位的運(yùn)行。在枯水期，水庫(kù)維持正常蓄水位89.00 m運(yùn)行；枯水期末，汛前水庫(kù)水位應(yīng)降到88.50 m；在汛期，當(dāng)水庫(kù)水位達(dá)到88.50 m時(shí)，應(yīng)打開(kāi)溢洪道閘門(mén)泄洪，最大泄流量不超過(guò)692.00 m3/s；當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)90.72 m時(shí)，表示水庫(kù)來(lái)水超過(guò)50年一遇來(lái)水量，為確保大壩的安全，閘門(mén)全開(kāi)泄流。

2）當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，除了各種泄洪設(shè)施以最大泄洪能力泄洪之外，并采取措施保壩，以免下游發(fā)生毀滅性災(zāi)害，以及保護(hù)下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

3.3 水位庫(kù)容曲線(xiàn)

根據(jù)高州水庫(kù)庫(kù)區(qū)最新實(shí)測(cè)地形圖量測(cè)，高州水庫(kù)庫(kù)容曲線(xiàn)見(jiàn)表2。

表2 高州水庫(kù)庫(kù)區(qū)水位～庫(kù)容關(guān)系表

3.4 泄流曲線(xiàn)

高州水庫(kù)共分為2個(gè)庫(kù)區(qū)2個(gè)溢洪道，分別為石骨水庫(kù)庫(kù)區(qū)溢洪道、良德水庫(kù)庫(kù)區(qū)溢洪道；石骨水庫(kù)溢洪道堰頂高程為83.60 m，由4 m×8 m閘門(mén)組成；良德水庫(kù)溢洪道堰頂高程為83.30 m，由2 m×8 m閘門(mén)組成。根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》（第二版）中的堰流公式計(jì)算其過(guò)流能力[4]，此次調(diào)洪計(jì)算的高州水庫(kù)泄流工程水位～泄流關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 高州水庫(kù)泄流工程水位～泄流關(guān)系表

3.5 調(diào)洪計(jì)算成果

此次調(diào)洪計(jì)算采用廣東省常用的HydroLab調(diào)洪計(jì)算程序，根據(jù)計(jì)算得出的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)、水庫(kù)防洪調(diào)度原則及水庫(kù)特性數(shù)據(jù)，調(diào)洪計(jì)算成果見(jiàn)表4，圖1。

表4 高州水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果表

圖1 高州水庫(kù)調(diào)洪演算成果圖

4 大壩抗洪能力復(fù)核

4.1 擋水安全性

4.1.1 壩頂高程復(fù)核

根據(jù)SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定[5]，壩頂在水庫(kù)靜水位以上的超高按以下公式確定：

式中：Y——壩頂超高，m；R——最大波浪在壩坡上的爬高，m；e——最大風(fēng)壅水面高度，m；A——安全加高，m。

根據(jù)式（3）及相關(guān)參數(shù)，高州水庫(kù)壩頂高程計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 高州水庫(kù)壩頂高程計(jì)算成果表

計(jì)算成果表明：高州水庫(kù)各壩頂（防浪墻）高程均高于計(jì)算值，滿(mǎn)足規(guī)定的安全要求。

4.1.2 溢洪道控制段頂部高程復(fù)核

高州水庫(kù)溢洪道建筑物級(jí)別為1級(jí)，根據(jù)SL 253-2018《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，控制段閘墩及岸墻頂部高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水2種運(yùn)用情況確定。擋水時(shí)，控制段閘墩及岸墻頂部高程不應(yīng)低于水閘設(shè)計(jì)洪水位或正常蓄水位加波浪計(jì)算高度和安全加高值（0.70 m）；宣泄洪水時(shí)，控制段閘墩及岸墻頂部高程不應(yīng)低于校核洪水位加安全加高值（0.50 m）。且溢洪道緊靠壩肩時(shí)，控制段頂部高程應(yīng)與大壩壩頂高程協(xié)調(diào)。溢洪道閘墩頂布設(shè)有人行橋，橋下凈空應(yīng)滿(mǎn)足泄洪、排凌及排漂浮物的要求，一般為0.50 m凈空。

石骨溢洪道及良德溢洪道閘頂高程復(fù)核成果表見(jiàn)表6。

表6 高州水庫(kù)溢洪道控制段閘頂高程計(jì)算成果表

根據(jù)以上計(jì)算可以得出，石骨、良德水庫(kù)溢洪道控制段邊墻頂高程、人行橋梁底凈空均滿(mǎn)足防洪要求。

4.2 泄洪安全性

4.2.1 下泄能力復(fù)核

1）石骨水庫(kù)

石骨溢洪道堰頂高程83.60 m，按照武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室主編《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》（第二版）中的堰流公式6.4-3計(jì)算其過(guò)流能力，設(shè)計(jì)水位92.26 m（P=0.10%）時(shí)，石骨溢洪道最大下泄能力為2 238.30 m3/s；校核水位93.57 m（P=0.01%）時(shí)，石骨溢洪道最大下泄能力為2 382.00 m3/s。

根據(jù)高州水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果，設(shè)計(jì)工況下（P=0.10%），石骨溢洪道最大下泄流量1 284.00 m3/s；校核工況下（P=0.01%），石骨溢洪道最大下泄流量1 512.00 m3/s，石骨溢洪道泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2）良德庫(kù)區(qū)

良德溢洪道堰頂高程83.30 m，采用SL 265-2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中寬頂堰計(jì)算公式，按下游水位達(dá)到臨界水深、考慮臨近流速水頭的方式計(jì)算其過(guò)流能力，設(shè)計(jì)水位92.26 m（P=0.10%）時(shí)，良德溢洪道最大下泄能力為692.75 m3/s；校核水位93.57 m（P=0.01%）時(shí)，良德溢洪道最大下泄能力為850.00 m3/s。

根據(jù)高州水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果，設(shè)計(jì)工況下（P=0.10%），良德溢洪道最大下泄流量526.00 m3/s；校核工況下（P=0.01%），良德溢洪道最大下泄流量678.00 m3/s，良德溢洪道泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 泄洪對(duì)大壩影響復(fù)核

良德溢洪道位于良德水庫(kù)主壩右側(cè)約600.00 m處的馬子坳，為河岸正槽式。水流經(jīng)溢洪道泄入大井河支流，再匯入大井河。溢洪道泄洪不會(huì)對(duì)主壩及副壩的安全造成不利的影響。

石骨溢洪道位于石骨主壩左壩頭，現(xiàn)狀溢洪道全長(zhǎng)738.30 m，由進(jìn)口段、閘室段、三級(jí)泄槽、三級(jí)消力池、海漫段組成。溢洪道兩側(cè)修筑有混凝土擋墻，洪水被直接引入下游河道。高州水庫(kù)運(yùn)行60多年來(lái)，水庫(kù)共溢洪20多次，均未對(duì)大壩造成直接影響。

5 結(jié)語(yǔ)

此次通過(guò)采用1957—2020年共64年實(shí)測(cè)水文資料，對(duì)高州水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，復(fù)核結(jié)果顯示：高州水庫(kù)溢洪道泄流能力滿(mǎn)足泄洪要求，主壩、副壩現(xiàn)狀壩頂高程滿(mǎn)足規(guī)范要求；水庫(kù)現(xiàn)狀溢洪道泄槽邊墻高度、溢洪道上人行橋高程均滿(mǎn)足防洪安全要求；高州水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)及大壩抗洪能力滿(mǎn)足規(guī)范要求。