東坑水庫除險加固設計洪水成果及調洪演算分析

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電、防洪、養殖等綜合利用的中型水庫[1]。工程由水庫樞紐和灌區兩大部分組成，水庫現狀總庫容1 552.2×104m3，其中興利庫容1 206×104m3，為年調節中型水庫。水庫現狀設計洪水標準為50年一遇設計，1 000年一遇校核，校核洪水位為363.24 m，水庫正常蓄水位為360.00 m。水庫設計灌溉面積0.068×104hm2，灌溉保證率90%；保護下游人口0.96萬人，耕地0.113 3×104hm2。水庫于1980年6月建成開始蓄水運行，至今已運行30余年，發揮了巨大的工程效益。2015年6月8日以來，東坑水庫內連降大雨和暴雨，6月11日因大量洪水沖刷，導致水庫溢洪道底部靠廠房側山體產生大面積滑坡，嚴重影響大壩和電站的安全。為確保水庫的安全運行，充分發揮水庫的灌溉、防洪、發電等綜合效益，對東坑水庫進行應急除險加固。本文主要對除險加固中設計洪水成果計算和調洪計算分析，將得到的結果用于本次除險加固設計。

2 設計洪水分析

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，考慮到黨溪雨量站缺乏1 h的暴雨成果，增加城關雨量站的成果進行分析比較。同時采用2002年修正后的福建省暴雨等值線圖，查得各短歷時暴雨資料進行比較。東坑水庫區域水系見圖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1964-2012年共49年實測的6 h、24 h的暴雨成果?？紤]到黨溪雨量站，缺乏1 h的暴雨成果，增加城關雨量站的成果進行分析比較。城關雨量站距水庫壩址33.6 km，雨量站有1950-2013 年共64年實測的1 h、6 h和24 h的暴雨成果。根據2002年修正后的福建省暴雨等值線圖，查得各短歷時暴雨資料，見表1和圖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暴雨資料

圖2 黨溪、浦城城關雨量站降雨適線圖(各僅列1個)

2)本工程防洪標準采用50年一遇設計，1 000年一遇校核洪水標準。根據各資料中的暴雨參數，計算不同頻率的面暴雨量進行比較分析，得出適合于本流域的暴雨參數。見表2。

表2 各頻率面暴雨量成果表

根據表2的比較可知，暴雨等值線圖的暴雨參數均大于各雨量站的成果。因此，本次復核從偏安全的角度考慮，采用暴雨等值線的成果進行洪水復核。

2.2 設計洪水分析

2.2.1 設計洪水計算方法選擇

由于東坑水庫所在流域內無水文站，考慮到水庫的集雨面積為38.1 km2，本次計算洪水采用推理公式法，并用地區綜合法進行分析比較[2-3]。

1)推理公式法。由小溪流域特征參數F、L、J；暴雨參數Sp、n；產流參數μ；匯流參數m等，用推理公式法求得設計洪峰流量，計算公式如下：

(1)

(2)

當tc≥τ時，即全面匯流情況下：

(3)

當tc<τ時，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，hr；tc為地表產流歷時，hr；Rτ為匯流歷時內的最大地表凈雨量，mm；Rtc為產流歷時內的地表凈雨量，mm；m為匯流參數，內陸區取m=0.039θ0.712(θ≥1.5 時)，m=0.045θ0.335(θ<1.5時)。

2)瞬時單位線法。采用納希瞬時單位線，假設流域是由n個相同的線性水庫串聯而成，降落在流域上瞬時的單位凈雨，經過n個相同的線性水庫的調節，調蓄后在流域出口斷面處所形成的出流過程線就相應于該凈雨的瞬時單位線。計算公式如下：

(5)

式中：Γ(n)為伽馬函數，其值為n-1的階乘；n為線型水庫的調節次數，n=3.87F0.066J-0.151；t為匯流時間；e為自然對數的底；k為蓄泄系數，相當于流域匯流時間的參數，k=m1/n，其中：

m1=m1i=1010βi-β

β=0.28F-0.065J0.118

m1i=10=3.2F0.117J-0.203

3)地區綜合法。為滿足無實測流量資料推求設計洪水及成果合理性檢查的需要，本次設計擬采用臨近小安下、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

根據地區綜合法求得的地區綜合線見圖3，計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關系線

2.2.2 設計洪水推求成果

各頻率設計洪水成果見表4。

表4 設計洪水成果表 /m3·s-1

從表4中可以看出，推理公式法和瞬時單位線法的計算結果十分接近，地區綜合法的計算成果偏大。其中，推理公式法和瞬時單位線法適用于集雨面積大于30 km2，小于500 km2的流域；而地區綜合法更適用于集雨面積大于500 km2的流域。本次計算的東坑水庫壩址以上集雨面積為38.1 km2，推理公式法和瞬時單位線法均適用，但從對工程偏安全的角度考慮，選擇計算成果更大的瞬時單位線法更加合理可靠。即本次計算的東坑水庫50年一遇設計洪峰流量為267 m3/s，1 000年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行列表，比較分析本次計算成果的合理性，見表5。

表5 歷次洪水成果比較表

表5為東坑水庫歷次洪水計算的成果，幾次洪水設計成果中都采用了推理公式法，但本次應急搶險的推理公式法中的暴雨參數采用最新版的“福建省暴雨等值線圖”，故計算結果偏大于2004和2006年的成果。其中，2004年安全評價最后采用水文比擬法的計算成果，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(1971-1999年)的流量資料，存在較大的抽樣誤差，且兩者的面積相差較大，達不到規范要求的0.5以上的要求，故成果存在一定的誤差。2006年除險加固最后采用的是地區綜合法的計算成果，地區綜合法分析的是一個區域內的洪水特征情況，綜合法的成果受所采用的水文站的影響很大，不能很好地體現本次計算的洪水特征，通常只作為洪水合理性分析的驗證手段。

本次洪水成果計算采用的推理公式法和瞬時單位線法，能夠反映流域的水文氣象、地形地貌等多因素的差別，計算公式中的暴雨參數和產匯流系數均使用最新版本的查算圖表和計算公式，成果合理可靠，可以很好地體現水庫流域洪水特性。

2.4 洪水總量計算和洪水過程線

水庫缺乏歷年歷次暴雨洪量的實測資料，本次復核依據《福建省產匯流計算方法》，以24 h設計暴雨不扣損失計算洪水總量。

(6)

經計算，各頻率設計洪水成果見表6。

表6 設計洪水總量計算成果表(24 h)

設計洪水過程線的計算根據福建省暴雨洪水概化過程線系數概化，計算公式如下：

(7)

式中：Wp為地表洪水總量，m3；Qm為設計洪峰流量，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W24/(F×H24)比值進行過程線放大，成果見表7。

表7 設計洪水過程線 /m3·s-1

3 調洪演算分析

3.1 水位-庫容關系曲線

本次復核采用東坑水庫原水位-庫容曲線成果，見表8及圖4。

圖4 水位-庫容關系曲線

表8 東坑水庫水位-庫容關系表

3.2 水位-泄量關系曲線

東坑水庫溢洪道位于大壩左側，為開敞式側堰溢洪道，堰型為曲線型實用堰，無閘門控制，堰頂高程360.0 m，堰頂凈寬32 m(4孔×8 m)。根據《溢洪道設計規范》(SL 253-2000)中的泄流公式：

(8)

式中：m為流量系數，取值0.42；ε為側收縮系數，ε=1-0.2×(1+0.45×3)×H0/32；B為堰頂凈寬，B=32.0 m；H0為堰頂水頭，m。

溢洪道水位-泄量關系見表9。

表9 東坑水庫水位-泄量關系成果表

3.3 調洪成果

根據《水庫大壩安全評價導則》(SL 258-2000)關于起調水位的確定辦法，本次安全評價確定的起調水位為360.0 m，即正常蓄水位起調。調洪計算的基本原理：當庫水位超過起調水位時，溢洪道開始泄洪，漲水段，隨著入庫洪峰流量的增大，庫水位逐漸增高，當下泄洪峰流量達到最大值時，庫水位也達到最大值。調洪計算按水量平衡方程式逐時段進行試算，公式如下：

(9)

式中：Q1、Q2分別為時段始末的入庫流量，m3/s；q1、q2分別為時段始末的出庫流量，m3/s；V1、V2分別為時段始末的蓄水量，m3；Δt為計算時段，s。

由于篇幅所限，僅列50年一遇的洪水過程表，見表10，調洪成果見表11。

表10 P=2%洪水調洪過程表

表11 各頻率調洪成果表

從表11可知，東坑水庫50年一遇設計洪水洪峰流量為267.0 m3/s，對應的最大下泄流量為202.8 m3/s，設計洪水位362.3 m，相應庫容為1 461.26×104m3；1 000年一遇校核洪水洪峰流量為424.0 m3/s，對應的最大下泄流量為331.6 m3/s，設計洪水位363.24 m，相應庫容為1 552.19×104m3。

4 結論及建議

設計洪水在新建、改建及除險加固等水利工程設計中十分重要，但影響設計洪水的因素較多且十分復雜，比如觀測資料不足、觀測年限較短、計算方法不完善及設計人員選擇的計算方法不同結果不同等，可能導致同一工程設計洪水成果不同。因此，為了使洪水設計成果具有充分的可靠性，把設計洪水分析透徹些，從多方面進行認真的合理性檢查、評價是十分必要的。設計中不宜簡單地以偏保守角度考慮取高值，而應進行合理性分析，兼顧安全與經濟、理論與實際來選用合理的成果。