嘆兒灣水庫大壩壩頂高程復核相關研究

丁 郡

嘆兒灣水庫大壩壩頂高程復核相關研究

丁 郡

一、工程概況

嘆兒灣水庫位于安徽省鳳陽縣西南大廟鄉嘆兒灣村，距離鳳陽縣城約16km，屬淮河流域濠河水系唐河上游，是官溝水庫的泄洪通道。水庫壩址以上流域面積為101.3km2，上游建有中型水庫官溝水庫，攔蓄上游來水84km2，官溝水庫和嘆兒灣水庫區間建有官塘（5.1km2）小（Ⅱ）型水庫，官溝嘆兒灣水庫區間控制面積為12.2 km2。嘆兒灣水庫是一座以灌溉、防洪為主，兼顧養殖和工業用水等綜合利用的小（1）型水庫。水庫社會效益和灌溉效益顯著，在當地經濟發展中發揮著重要作用。庫區所處地貌單元江淮丘陵北部的平原區，地勢西北高東南低，地形起伏較大。流域特性數據見表1。

嘆兒灣水庫位于淮河以南，屬丘陵區地形，氣候屬南北過渡帶，梅雨季節明顯，雨熱同季，降雨集中，冷暖氣團交鋒頻繁、進退多邊。降雨時空分布不均，年際和年內降水量變化較大，洪旱災害頻繁，主汛期在7～9月。

根據鳳陽縣氣象站觀測資料顯示，本地區氣候溫和、四季分明，實測多年平均氣溫14.9℃，最高年平均氣溫20.2℃，最低年平均氣溫10.5℃。歷史日平均氣溫超過5℃的有264.3天（3月9日～11月27日），超過10℃的有 221.5天（4月 2日～11月 9日），超過15℃的有176.3天（4月27日～10月20日），無霜期長，多年平均初霜期為10月31日，終霜期為4月1日。日照時數長，多年平均日照時數為2250小時，最高的月份為8月，月日照時數為236小時，5～8月日照時數均超過200小時。風向多為偏東風，西北風次之，冬季盛行偏北風，夏季偏南風，多年平均風速為2.7m/s，實測多年平均最大風速為12m/s。

嘆兒灣水庫流域上游未設水文測站，建庫前后均沒有任何實測徑流和洪水資料。距嘆兒灣水庫較近的有官溝壩雨量站，根據統計多年平均降水量為937.0mm，最大年降水量為1722.7mm，發生在1991年，最小年降水量為347.0mm，發生在1966年，最大是最小的4.96倍，降水年際變化比較大。月平均降水天數見表2。

水庫現狀正常蓄水位為46.0m，汛限水位為46.0m。當庫水位超過46.0m時，正常溢洪道開始溢流泄洪；當庫水位超過46.5m時，非常溢洪道開始啟用泄洪。經調洪演算水庫的設計洪水位為46.85m，校核洪水位為47.21m。

嘆兒灣水庫始建于1966年8月，1969年12月底竣工，后經1989年續建達到現有規模。土壩為均質土壩，壩頂全長1120m，壩頂高程49.00～49.96m（廢黃河高程系，下同），最大壩高12.80m。

表1 流域特性表

表2 嘆兒灣水庫月平均降水統計表

二、大壩頂高程復核

此次壩頂高程復核主要是根據大壩、庫內風浪作用，通過對水庫大壩的具體運用情況與計算風速、地震烈度的分析，按照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL 189-2013）（以下簡稱《導則》）中計算方法，先計算壩頂超高，再按工程正常蓄水位、設計洪水和校核洪水時的靜水位加相應的壩頂超高，取其中最大值，來復核現狀壩頂高程是否滿足《防洪標準》和有關規范規定的防洪要求。

按照《導則》，永久性擋水建筑物的頂部高程應按工程正常蓄水位、設計洪水和校核洪水時的靜水位加相應的頂部超高。頂部超高由波浪爬高和安全加高確定。

頂部超高計算式如下：

式中：y—壩頂在靜水位以上的超高（m）；

R—風浪沿著壩坡的最大爬高（m）；

A—安全加高（m），正常運用情況取A=0.50m，非常運用情況取A=0.30m。

1.設計風速W

計算風浪的風速采用水域上空10m高度處的風速值W10（10min平均風速）。嘆兒灣水庫根據鳳陽縣氣象站的資料，計算中選用多年平均最大風速為12.00m/s。按《導則》第6.1.6條規定，正常運用條件下，采用多年平均最大風速的 1.5倍，W＝12.00×1.5＝18.00m/s；非常運用條件下，采用多年平均最大風速，W＝12.00m/s。

2.風區長度D

由1/10000地形圖量得最大風區長度為0.98km，D=0.98km，此次在設計洪水和校核洪水工況下風區長度均采用0.98km。

3.波高和波長

按《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）（以下簡稱《規范》）附錄A.1.6規定，嘆兒灣水庫屬于丘陵、平原區水庫，且 W＜26.5m/s，D＜7500m，故其波高和波長采用鶴地公式計算：

正常蓄水位情況：計算波高h2%=1.03m

平均波高hm＝0.46m

波長Lm=6.94m

設計洪水位情況：計算波高h2%=1.03m

平均波高hm＝0.46m

波長Lm=6.94m

校核洪水位情況：計算波高h2%=0.56m

平均波高hm＝0.25m

波長Lm=4.63m

4.平均波浪爬高計算

波浪平均爬高按《規范》A.1.12計算

式中：KΔ—斜坡糙率及滲透性系數，根據護面類型選用混凝土護面，KΔ=0.90；

H—水域平均水深，在設計條件下，H=9.67m，在校核條件下，H=10.04m；

m—斜坡的坡度系數，取m=2.00。

Kω—經驗系數，由風速W，坡前水深H，重力加速度g所組成的無維量計算值，查表A.1.12-2 得：正常蓄水位條件：Kω=1.07；設計洪水位條件：Kω=1.06；校核洪水位條件：Kω=1.01。

經計算：

正常蓄水位條件：Rm=0.774m

設計洪水位條件：Rm=0.767m

校核洪水位條件：Rm=0.438m

5.設計爬高R值計算

設計爬高R值按4級土石壩取累積概率P=5%爬高值R5%。

6.壩頂超高Y值

正常蓄水位條件：y=1.43+0.50=1.93m

設計洪水位條件：y=1.41+0.50=1.91m

校核洪水位條件：y=0.81+0.30=1.11m

7.地震安全加高復核

根據《中國地震參數圖》（GB18306-2015），嘆兒灣水庫壩址區地震動峰值加速度值為0.10g，相應地震基本烈度為7度，按《水工建筑物抗震設計規范》（SL203-97）和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL 189-2013），水工建筑物抗震計算的上游水位可采用正常最高蓄水位，地震區的地震涌浪高度可根據設計烈度和壩前水深，一般涌浪高度為0.50～1.00m，嘆兒灣水庫地震涌浪高度取用0.50m，不考慮地震作用的附加沉陷計算。

8.壩頂高程復核

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）第5.3.3條規定，壩頂高程分別按以下運用情況計算，取其最大值：

①正常蓄水位加正常運用情況的壩頂超高：46.00+1.93=47.93m

②設計洪水位加正常運用情況的壩頂超高：46.85+1.91=48.76m

③校核洪水位加非常運用情況的壩頂超高：47.21+1.11=48.32m

④正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高，再加地震安全加高：46.00+1.11+0.50=47.61m

取以上條件的最大值，嘆兒灣水庫計算壩頂高程為48.76m。

三、結語

嘆兒灣水庫壩頂高程由設計洪水情況控制，要求最小壩頂高程為48.76m。水庫現狀壩頂高程為49.00～49.96m，壩頂高程滿足《防洪標準》和有關規范規定的防洪要求。

鳳陽縣地處江淮分水嶺，目前有在冊小水庫134座，均屬典型的丘陵、平原區水庫，這些水庫大都建于上世紀五六十年代，因此研究壩頂高程復核對全縣在冊小水庫防洪安全、綜合利用水資源和充分發揮工程效益是十分必要的■

（作者單位：安徽省鳳陽市水務局233100）

（專欄編輯：顧 梅）