防洪水庫在山區(qū)城市防洪的應(yīng)用研究

黎華東

(陽朔縣國營水庫工程管理站，廣西 陽朔 541900)

0 引 言

洪水是一種常見的自然災(zāi)害，通過修建防洪水庫是城市防洪的重要手段，許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究[1-4]。郭世興等[5]以陜西王瑤水庫為研究對象，對多泥沙河流水庫的防洪排沙過程進(jìn)行了闡述和優(yōu)化。王方方等通過對江西省防洪水庫的調(diào)查研究，建立了防洪調(diào)度優(yōu)化模型，有效提升了防洪水庫的滯洪削峰能力。頓曉晗等提出了一種防洪庫容曲線推算方法，評估了水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)。然而，傳統(tǒng)防洪水庫常常受到壩址、造價(jià)和生態(tài)等多方面的限制，如建設(shè)成本過高、通過修建防洪水庫進(jìn)行小流域山洪防洪不切實(shí)際等等。考慮到傳統(tǒng)防洪水庫的運(yùn)作模式，本文提出一種滯洪削峰水庫，對選址范圍要求不高，便于建設(shè)，不會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成破壞，可以滿足小流域山洪防洪的需要。

本文針對滯洪削峰水庫的防洪機(jī)理進(jìn)行闡述，與傳統(tǒng)防洪水庫進(jìn)行區(qū)分，結(jié)合工程實(shí)例，對比滯洪削峰水庫與傳統(tǒng)防洪水庫的洪峰削減效果。同時(shí)，對滯洪削峰水庫的設(shè)計(jì)方法和流程進(jìn)行描述，包括最大安全泄洪流量的確定、泄洪底孔和溢洪道尺寸的選擇和堰頂高程的設(shè)計(jì)。

1 滯洪削峰水庫

1.1 水庫削減洪峰機(jī)理

修建水庫來削減洪峰達(dá)到防洪效果，是城市防洪的一種有效手段。洪峰消減機(jī)理則基于水量平衡方程：

ΔV=0.5(Q1+Q2)Δt-0.5(q1+q2)Δt

(1)

其中：ΔV為時(shí)段內(nèi)的蓄水變化量，m3；Q1為初始進(jìn)庫流量，m3/s；Q2為末段進(jìn)庫流量，m3/s；Δt為該時(shí)段持續(xù)時(shí)間，s；q1為初始出庫流量，m3/s；q2為末段出庫流量，m3/s。

控制入庫流量和出庫流量可以改變水庫蓄水量，通過建設(shè)泄洪設(shè)施，可以在洪水來臨時(shí)限制出庫流量，以達(dá)到消減洪峰的目的。防洪水庫的泄洪設(shè)施一般為兩種，分別是無壓溢洪道和有壓泄洪底孔。

無壓溢洪道的泄洪能力計(jì)算公式如下：

Q1=mB(2g)0.5h1.5

(2)

其中：Q1為堰泄水流量，m3/s；m為無量綱的堰流系數(shù)；B為泄洪道的寬度；h為溢洪道高度。

有壓泄洪底孔的泄洪能力計(jì)算公式如下：

Q2=μA(2gH)0.5

(3)

其中：Q2為底孔泄水流量，m3/s；μ為無量綱的孔流系數(shù)；A為泄洪底孔面積，m2；H為上下游水位差，m。

通過式(2)可知，無壓泄洪道的泄洪能力取決于堰頂水頭大小。當(dāng)庫水位提高時(shí)，能顯著增加下泄能力，不過在洪峰削減方面的作用較為有限。通過式(3)可知，有壓泄洪底孔的泄洪能力取決于H即上下游水位差。當(dāng)水位提升時(shí)，其泄洪能力增加不明顯，但在洪峰削減方面作用較為顯著。因此，結(jié)合有壓泄洪底孔的特點(diǎn)，在防洪時(shí)可先將無法通過有壓泄洪底孔下泄的洪水引導(dǎo)進(jìn)水庫，以保證下游水位的泄洪安全。同時(shí)，若庫水位超過設(shè)計(jì)洪水位，通過無壓溢洪道與有壓泄洪底孔聯(lián)合泄洪，以保證大壩的安全性。

1.2 滯洪削峰水庫的定義

通過預(yù)留防洪庫容來阻蓄洪水是防洪水庫的傳統(tǒng)手段，其單位庫容對洪峰削減的流量通常為0.03～0.38m3/s，因此對防洪水庫庫容的要求較高。

而在實(shí)際防洪案例中，山洪通常是由于連續(xù)降雨或者暴雨作用導(dǎo)致河道安全泄洪能力無法滿足洪水流量，出現(xiàn)堤防決口或洪水漫頂現(xiàn)象。就防洪工程而言，對于滿足河道安全泄洪的洪水關(guān)鍵在于洪峰的削減而不是盡可能減少洪水流量。當(dāng)存在完全開放的泄洪底孔時(shí)，較小的洪水可通過泄洪底孔進(jìn)行下泄；洪水較大時(shí)，泄洪底孔下泄能力會(huì)限制泄洪過程，泄洪底孔將從初始的無壓狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成有壓狀態(tài)，部分未通過泄洪底孔下泄的洪水在水庫中滯蓄。若下游的最大安全泄洪能力等于泄洪底孔下泄的流量，則此時(shí)的水位即為水庫設(shè)計(jì)水位，也是溢洪道的堰頂高程。若庫水位大于設(shè)計(jì)水位，則壩頂?shù)囊绾榈缹⑴c泄洪底孔聯(lián)合參與泄洪過程，此時(shí)下泄流量不再滿足下游安全泄洪要求，在下游河道應(yīng)進(jìn)行人員物資轉(zhuǎn)移，實(shí)施避洪預(yù)案。當(dāng)上游流量減少，其水流量小于泄洪底孔的下泄流量，此時(shí)水庫中的水將通過泄洪底孔下泄到下流河道中去，水庫水位降低，泄洪底孔的泄洪過程將由有壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o壓狀態(tài)。通過泄洪底孔泄洪從無壓向有壓再到無壓的轉(zhuǎn)化，即為完成一次削減洪峰過程。為了與傳統(tǒng)水庫進(jìn)行區(qū)別，對上述這種平時(shí)不蓄水、開放泄洪底孔的水庫定義為滯洪削峰水庫。在非洪水時(shí)期，滯洪削峰水庫可關(guān)閉泄洪底孔進(jìn)行蓄水，對水資源進(jìn)行利用開發(fā)；在主汛期或者有預(yù)報(bào)暴雨天氣時(shí)，需要對水庫進(jìn)行預(yù)先騰空，以滿足防洪需要。

2 滯洪削峰水庫的大壩設(shè)計(jì)

滯洪削峰水庫由于其水庫平時(shí)不進(jìn)行蓄水，因此水庫庫容相對傳統(tǒng)防洪水庫并不大，但需要在壩底安設(shè)泄洪底孔。遇到超過其泄洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水，壩頂還需要參與到泄洪過程。因此，在滯洪削峰水庫的設(shè)計(jì)中，不宜采用土石壩作為壩型，多采用混凝土重力壩或漿砌石重力壩作為滯洪削峰水庫的主要壩型?？山Y(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件就地取材，在保證質(zhì)量的前提下，從經(jīng)濟(jì)角度選取相應(yīng)的壩體類型。

2.1 確定最大安全泄洪流量

確定最大安全泄洪流量是建設(shè)滯洪削峰水庫的首要目標(biāo)。若下游河道的泄洪能力不能滿足防洪要求，且受到場地、地形限制，無法對河道進(jìn)行加固以提高其泄洪能力，而建設(shè)傳統(tǒng)防洪水庫又不現(xiàn)實(shí)，此時(shí)滯洪削峰水庫就成為比較優(yōu)質(zhì)的選擇。滯洪削峰水庫的最大安全泄洪流量需通過下游河道的泄洪能力所確定。計(jì)算方法主要有河道流量演進(jìn)法、洪水流量過程線作圖法和等效面積計(jì)算法等。

若在滯洪削峰水庫下游出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)防洪對象時(shí)，需分別計(jì)算大壩的安全下泄流量，最小值即為水庫的最大安全泄洪流量。

2.2 泄洪底孔尺寸和溢洪道堰頂高程

泄洪底孔的尺寸選擇以及溢洪道堰頂高程的確定也是滯洪削峰水庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為此，首先需要計(jì)算水庫的庫容曲線，其次對泄洪底孔的尺寸進(jìn)行假定，再通過洪水過程線進(jìn)行推演，以此來計(jì)算相應(yīng)的泄洪底孔尺寸所對應(yīng)的滯洪庫容。再結(jié)合最大下泄流量，對泄洪底孔的尺寸進(jìn)行確定，再對該泄洪底孔進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，確定堰頂高程。此外，在泄洪底孔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能保證在常發(fā)的小洪水防控中，使其不淹沒庫區(qū)農(nóng)田。

2.3 壩頂溢洪道尺寸

考慮到出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況，若出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，壩頂溢洪道也將結(jié)合泄洪底孔參與到泄洪過程，因此溢洪道的設(shè)計(jì)尺寸也需要進(jìn)行確定。溢洪道尺寸的確定可參考《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-1994)，見表1。

表1 校核洪水標(biāo)準(zhǔn)

滯洪削峰水庫溢洪道尺寸按常規(guī)防洪水庫溢洪道的確定方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在條件允許時(shí)，可通過物理模型試驗(yàn)對泄洪底孔和溢洪道的下泄水流進(jìn)行模擬。

3 滯洪削峰水庫與傳統(tǒng)水庫削減洪峰比較

某水庫位于山區(qū)，存在山區(qū)河流，長期以來，基礎(chǔ)設(shè)施如橋梁、護(hù)岸等防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，特別是老城區(qū)的小河流，河道被侵占的問題尤為突出，大多存在較大的防洪排澇問題。本文結(jié)合水庫實(shí)際滯洪削峰水庫案例，比較兩種水庫削減洪峰流量情況。工程溢洪道堰頂高640m，溢洪道寬10m，泄洪底孔面積5m2，庫容24.5×104m3。傳統(tǒng)水庫與滯洪削峰水庫差距主要在于運(yùn)作方式上，傳統(tǒng)水庫通常在庫水位不超過溢洪道高度情況下不進(jìn)行泄洪，而滯洪削峰水庫則是始終保持泄洪底孔打開。

圖1為滯洪削峰水庫與傳統(tǒng)水庫削減洪峰流量的情況。從圖1中可以看出，在洪水流量較小時(shí)，傳統(tǒng)水庫起始不泄洪，水庫開始蓄水，流量為零，相對天然流量降低明顯。而滯洪削峰水庫在初期天然流量較小時(shí)，未參與防洪，泄洪底孔完全打開且處于無壓狀態(tài)，滯洪削峰水庫流量與天然流量保持一致。隨著時(shí)間的增長，傳統(tǒng)水庫蓄水高度超過堰頂高度，通過溢洪道開始泄洪，此時(shí)泄洪底孔也將打開，傳統(tǒng)水庫調(diào)洪后的流量與天然流量差異甚微，在洪峰到來時(shí)，經(jīng)傳統(tǒng)水庫削減，洪峰流量降低7 m3/s，洪峰削減效果不明顯。隨著洪峰的到來，水流量增大，上游流量無法全部通過泄洪底孔流出，滯洪削峰水庫的泄洪底孔由開始時(shí)的無壓泄洪狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛袎盒购闋顟B(tài)，滯洪削峰水庫開始蓄水，隨著蓄水增多，當(dāng)蓄水高度超過堰頂高度時(shí)，溢洪道開始參與泄洪。因此，滯洪削峰水庫在洪峰到來時(shí)，通過泄洪底孔壓力狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，一部分洪水進(jìn)入水庫，有效削減了洪峰流。從圖1中也可以看出，在洪峰到來時(shí)，滯洪削峰水庫調(diào)洪后流量為98m3/s，共削減洪峰流量67m3/s，是傳統(tǒng)水庫洪峰削減效果的近10倍。由于滯洪削峰水庫在溢洪道參與泄洪時(shí)，明顯使洪峰滯后，因此還發(fā)揮出較大的錯(cuò)峰效應(yīng)。

圖1 滯洪削峰水庫與傳統(tǒng)水庫削減洪峰流量比較

此外，由于傳統(tǒng)防洪水庫在運(yùn)作時(shí)，無水流流出，會(huì)導(dǎo)致下游的河道阻斷和斷流，使河流的連續(xù)性遭到破壞，也會(huì)對水生物的遷徙和生存環(huán)境造成影響，不利于河流生態(tài)的發(fā)展。而相對于傳統(tǒng)的防洪水庫，滯洪削峰水庫由于泄洪底孔完全打開，水庫在常規(guī)時(shí)間不進(jìn)行蓄水，不會(huì)影響到下游河道，既能防洪又不對生態(tài)環(huán)境造成影響，因此滯洪削峰水庫也是一種生態(tài)水庫。

4 有限元計(jì)算分析

4.1 滯洪削峰水庫模型建立

通過有限元軟件建立水庫模型，研究滯洪削峰水庫滯洪流量和倒灌流量之間的關(guān)系。模型河道長度設(shè)置為95km，基本囊括水庫上下游區(qū)域。為在保證計(jì)算精度的前提下兼顧計(jì)算效率，在模型劃分網(wǎng)格時(shí)對水庫周邊進(jìn)行局部加密處理，共劃分出312 054個(gè)有限元網(wǎng)格。有限元網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

模型邊界條件有兩種，分別為開邊界條件和閉邊界條件。河流兩岸邊界條件為閉邊界條件，其法向流量為零。上下游徑向?yàn)殚_邊界條件，上游的邊界條件通過流量進(jìn)行控制，下游邊界條件通過水位進(jìn)行控制。初始條件設(shè)置為冷啟動(dòng)，即設(shè)定初始水位，將初始流速場設(shè)置為零流速場。水流通過運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行計(jì)算和控制。

4.2 結(jié)果討論

圖3為滯洪量與倒灌流量過程曲線。

圖3 滯洪量與倒灌流量過程曲線

可以發(fā)現(xiàn)，在初始階段水流較小，滯洪削峰水庫泄洪底孔完全打開未進(jìn)行滯洪，因此滯洪量與倒灌流量均為零。隨著流量的增加，水庫開始逐漸發(fā)揮滯洪作用，滯洪量開始增加，而此時(shí)的倒灌流量急劇增加，洪峰到達(dá)時(shí)，倒灌流量也達(dá)到峰值，而水庫的滯洪量處在上升階段。洪峰過后，水庫滯洪量達(dá)到峰值，溢洪道開始參與泄洪，此時(shí)的泄洪能力最大，倒灌流量出現(xiàn)減小。滯洪量達(dá)到峰值時(shí)，倒灌流量呈現(xiàn)下降趨勢。后隨著洪峰遠(yuǎn)離，流量減小，倒灌流量呈現(xiàn)負(fù)值，表示從流入轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒?，之后滯洪量和倒灌流量開始逐漸回歸到正常值。

5 結(jié) 論

本文闡述了滯洪削峰水庫的防洪機(jī)理，對滯洪削峰水庫的設(shè)計(jì)方法和流程進(jìn)行了描述。結(jié)合水庫工程實(shí)例，對比防洪水庫滯洪削峰模式與傳統(tǒng)泄洪模式的防洪效果。結(jié)論如下：

1)滯洪削峰水庫調(diào)洪后流量為98m3/s，共削減洪峰流量67m3/s，是傳統(tǒng)水庫洪峰削減效果的10倍。此外，滯洪削峰水庫發(fā)揮出較大的錯(cuò)峰效應(yīng)。

2)滯洪削峰水庫由于泄洪底孔完全打開，水庫在常規(guī)時(shí)間不進(jìn)行蓄水，不影響下游河道，既能防洪又不會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成影響，是一種生態(tài)水庫。

3)滯洪削峰水庫庫容要求小于常規(guī)防洪水庫，對選址范圍要求不高，建設(shè)更為便利。

4)有限元結(jié)果表明，洪峰到達(dá)時(shí)，倒灌流量也達(dá)到峰值，水庫滯洪量處在上升階段。隨著洪峰遠(yuǎn)離，倒灌流量從流入轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒?，之后逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。