石佛水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水計(jì)算與分析

倪　明

(錦州市水利工程建設(shè)管理局，遼寧 錦州 121000)

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石佛水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水計(jì)算與分析

倪明

(錦州市水利工程建設(shè)管理局，遼寧 錦州 121000)

石佛水庫(kù)位于北鎮(zhèn)市富屯鄉(xiāng)石佛村，西沙河支流上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)魚的小(Ⅱ)型水庫(kù)。水庫(kù)經(jīng)過多年的運(yùn)行存在著病險(xiǎn)，急需除險(xiǎn)加固。文章對(duì)該水庫(kù)工程的概況及水文氣象進(jìn)行了簡(jiǎn)述，并對(duì)水庫(kù)設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了合理性分析，從分析可以看出設(shè)計(jì)洪水成果合理。通過分析為水庫(kù)除險(xiǎn)加固建設(shè)提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)，也為類似工程建設(shè)提供了參考和借鑒作用。

設(shè)計(jì)暴雨；設(shè)計(jì)洪水；計(jì)算；石佛水庫(kù)；北鎮(zhèn)市

1　工程概況

石佛水庫(kù)位于北鎮(zhèn)市富屯鄉(xiāng)石佛村，西沙河支流上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)魚的小(Ⅱ)型水庫(kù)。水庫(kù)原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20a一遇，原校核洪水標(biāo)準(zhǔn)300a一遇。大壩為黏土心墻壩，輸水洞為正虹吸管[1]。水庫(kù)經(jīng)過多年的運(yùn)行存在著病險(xiǎn)，急需除險(xiǎn)加固。水庫(kù)除險(xiǎn)加固后下游富屯鄉(xiāng)2個(gè)村，2000口人，耕地3 km2，灌溉面積1.3 km2，102國(guó)道和廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全得到了保護(hù)[2]。

2　水文與氣象

石佛水庫(kù)壩址以上流域面積2.93 km2，主河道長(zhǎng)3.05 km。流域內(nèi)山多地少，森林茂密，植被較好，泥沙淤積相對(duì)較少，多年平均徑流深213mm。西沙河流域地處中緯度，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，其特點(diǎn)是冬季以西北季風(fēng)為主，嚴(yán)寒干燥；夏季以東南季風(fēng)為主，炎熱多雨，四季冷暖干濕分明。以北鎮(zhèn)站為氣象代表站，統(tǒng)計(jì)30a氣候資料。各氣象特性如下：多年平均降水量為608mm；多年平均蒸發(fā)量為1970mm；多年平均氣溫8.9℃，氣溫由北向南遞增，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度1.2m，最大凍土深度1.3m。最大風(fēng)速可達(dá)25m/s，其相應(yīng)風(fēng)向?yàn)镹W，多年平均最大風(fēng)速15m/s[3]。

3　設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

本流域現(xiàn)無水文站、雨量站，其最近的雨量觀測(cè)站點(diǎn)為趙荒地站，壩址附近沒有水文觀測(cè)站，故洪水推求按無資料地區(qū)計(jì)算洪水成果[4]。

3.1設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

石佛水庫(kù)控制面積2.93 km2，壩址以上河流長(zhǎng)度3.05 km，河道比降93.76‰，水文分區(qū)V1區(qū)。該地區(qū)屬于季風(fēng)氣候區(qū)域中，水汽主要來自東南方太平洋上空高溫多濕的氣流中，季風(fēng)的強(qiáng)弱對(duì)降水量大小影響很大，是遼寧省多雨地區(qū)之一[5]。形成本地區(qū)暴雨的主要天氣系統(tǒng)有華北氣旋、高空槽。本地區(qū)暴雨比較集中，大部分發(fā)生在東南季風(fēng)勢(shì)力最強(qiáng)的7—8月，暴雨一般持續(xù)1～2d，其中大部分在1 d內(nèi)，最長(zhǎng)可達(dá)3 d[6]。

此次進(jìn)行各種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，采用無資料地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算方法《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》(遼寧省水文水資源勘測(cè)局，1998年8月編，以下簡(jiǎn)稱《推理公式遼寧法》)，由于壩址處附近沒有水文站實(shí)測(cè)資料，只能與原有資料和附近水庫(kù)洪水進(jìn)行比較[2]。流域特性為：流域面積F=2.93 km2；河長(zhǎng)L=3.05 km；河道比降J=93.76‰；水文分區(qū)屬于V1區(qū)；其計(jì)算結(jié)果如表1。

3.2設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

本流域洪水主要由暴雨產(chǎn)生，一次洪水過程大部分在1d之內(nèi)，最長(zhǎng)可達(dá)3d，河道坡度較陡，屬于陡漲陡落的山溪性河流[5]。

3.2.1匯流歷時(shí)計(jì)算

根據(jù)石佛水庫(kù)所在的水文分區(qū)V1區(qū)，查《推理公式遼寧法》得各水文分區(qū)地區(qū)匯流參數(shù)表，x為0.57，y為0.65。

3.2.2設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)計(jì)算

查《推理公式遼寧法》得遼寧省年最大24h暴雨均值等設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)表　mm

1)時(shí)段面雨量。查《推理公式遼寧法》得，當(dāng)F=2.93 km2，t=0.26h，點(diǎn)面折減系數(shù)kF=1.0，進(jìn)而查得模比系數(shù)kp值，見表3。

表3　模比系數(shù)kp值表

2)計(jì)算Ptp面=Pt×Vp×VF。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　Ptp面計(jì)算結(jié)果表

4)計(jì)算τ歷時(shí)設(shè)計(jì)面雨量及面暴雨強(qiáng)度ip。查《推理公式遼寧法》，得計(jì)算τ歷時(shí)設(shè)計(jì)面雨量及面暴雨強(qiáng)度ip采用下式計(jì)算[8]：

Pτp面=P1p面×τ1-n0p

ip=pτp面/τ

(1)

計(jì)算τ=0.26h。計(jì)算結(jié)果為：當(dāng)P%=2時(shí)，Pτp面=47.14，ip=181.29；當(dāng)P%=5時(shí)，Pτp面=38.93，ip=149.71；當(dāng)P%=10時(shí)，Pτp面=32.24，ip=123.98。

5)計(jì)算φP。根據(jù)《推理公式遼寧法》，計(jì)算φP。計(jì)算結(jié)果為：當(dāng)P%=2時(shí)，α三p=0.47，α(三-24)p=0.12，φP=0.65；當(dāng)P%=5時(shí)，α三p=0.40，α(三-24)p=0.11，φP=0.56；當(dāng)P%=10時(shí)，α三p=0.33，α(三-24)p=0.10，φP=0.47。

3.2.3設(shè)計(jì)洪峰與洪量計(jì)算

1)洪峰流量計(jì)算。Qp洪峰流量Qp根據(jù)《推理公式遼寧法》按公式Qp=0.278φP×ip×F計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為當(dāng)P%=2時(shí)，Qp為95.98m3/s；當(dāng)P%=5時(shí)，Qp為68.29m3/s；當(dāng)P%=10時(shí)，Qp為47.46m3/s。

2)洪水總量計(jì)算。根據(jù)《推理公式遼寧法》，洪水總量按下式計(jì)算：

W三p=0.1×α三p×P三p面×F

W(三-24)p=0.1×α(三-24)p

×(P三p面-P24p面)×F

W24p=W三p-W(三-24)p

(2)

計(jì)算結(jié)果為：當(dāng)P%=2時(shí)，W三p=0.47萬m3，α(三-24)p=40.26萬m3，W24pP=1.55萬m3；當(dāng)P%=5時(shí)，W三p=28.36萬m3，α(三-24)p=27.23萬m3，W24pP=1.13萬m3；當(dāng)P%=10時(shí)，W三p=19.01萬m3，α(三-24)p=18.17萬m3，W24pP=0.84萬m3。

3)洪水歷時(shí)計(jì)算

①計(jì)算形狀系數(shù)。查《推理公式遼寧法》得，西部地區(qū)形狀系數(shù)按下式計(jì)算：

rp=W24p/(Qp×52×0.36)，計(jì)算結(jié)果為：當(dāng)P%=2時(shí)，rp=0.022；當(dāng)P%=5時(shí)，rp=0.021；當(dāng)P%=10時(shí)，rp=0.02。

②計(jì)算洪水歷時(shí)。當(dāng)rp<0.05時(shí)采用以設(shè)計(jì)洪峰Qp為最大流量、按式W調(diào)p=0.67W24p+0.12Qpτ，T=5.56W調(diào)p/Qp計(jì)算出洪水總量W調(diào)p，洪水歷時(shí)T。通過計(jì)算，當(dāng)P%=2時(shí)，W調(diào)p=29.97萬m3，T=1.74h；當(dāng)P%=5時(shí)，W調(diào)p=20.37 萬 m3，T=1.66h；當(dāng)P%=10時(shí)，W調(diào)p=13.65萬m3，T=1.60h。

4　設(shè)計(jì)洪水成果的合理性分析

石佛水庫(kù)位于北鎮(zhèn)市富屯鄉(xiāng)石佛村，西沙河支流上。由于本地區(qū)屬無資料地區(qū)，因此設(shè)計(jì)洪水成果的合理性分析主要分析西沙河及沙子河兩流域內(nèi)的有關(guān)水庫(kù)樞紐洪峰流量～面積關(guān)系，并將其繪到對(duì)數(shù)格紙上，詳見圖1。

圖1石佛水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量(Q～F)地區(qū)綜合分析圖

由圖1可知，本區(qū)域范圍內(nèi)有關(guān)水庫(kù)樞紐斷面的洪峰流量～面積關(guān)系點(diǎn)子分布來看比較有規(guī)律，洪峰流量隨著面積的增加而加大的，石佛水庫(kù)成果點(diǎn)繪其中正好位于同頻率分布線上，所以該站設(shè)計(jì)洪水成果是合理的。

5　結(jié)　語

通過對(duì)石佛水庫(kù)設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算與合理性分析，從分析可以看出：

1)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量隨著面積的增加而加大的，而且水庫(kù)成果點(diǎn)繪其中正好位于同頻率分布線上，所以該站設(shè)計(jì)洪水成果是合理的。

2)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的成果分析為水庫(kù)除險(xiǎn)加固提供了詳實(shí)數(shù)據(jù)依據(jù)，說明水庫(kù)除險(xiǎn)加固在設(shè)計(jì)洪水上符合防洪標(biāo)準(zhǔn)，工程建設(shè)具有可行性。

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2016-05-28

倪明(1982-)，男，遼寧錦州人，工程師，研究方向?yàn)樗こ探ㄔO(shè)管理、水利工程施工等。

TV697.3；TV122.3

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