劉家溝水庫除險加固洪水分析

劉伍寧

劉家溝水庫建成于上世紀(jì)60年代，屬小(2)型水庫。受2008年汶川8.0級地震影響，水庫壩體、溢洪道受損嚴(yán)重，險情十分嚴(yán)重。水庫運行多年，運營管理沒跟上，管理記載資料很少，加之上世紀(jì)60年代建設(shè)時資料圖紙粗化簡單，參考價值小，要使本次除險加固工程方案經(jīng)濟合理成功，只有洪水分析精準(zhǔn)，對壩體的加固，溢洪道設(shè)計、水庫的調(diào)蓄及后期管理奠定結(jié)實依據(jù)，因此，洪水分析是該水庫除險加固設(shè)計至關(guān)重要的第一步。

1 流域概況

劉家溝水庫地處玉帶河上游左岸高寨子鎮(zhèn)古城村的劉家溝，劉家溝屬山溪性溝道，流域呈狹長型，總流域面積2.5 km2，水庫壩址以上流域面積0.73 km2，河長1.413 km。流域地處玉帶河淺山區(qū)，植被較好，以混合林為主，水土流失輕微。流域具有秦巴山區(qū)氣候特征，屬溫暖帶濕潤山地季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，多春旱，常有初夏干旱和伏旱發(fā)生，秋涼濕潤多雨。項目區(qū)內(nèi)無實測氣象資料，以鄰近寧強縣氣象站實測資料為參考，多年平均氣溫12.9℃，最高氣溫36.2℃(1974年6月17日)，最低氣溫-10.3℃(1975年12月15日)，無霜期247天。降水量充沛，徑流量豐富，由《漢中地區(qū)實用水文手冊》查得多年平均降水量1100 mm，多年平均徑流深約700 mm，多年平均徑流量51.5萬m3。降水量年內(nèi)分配很不均勻，多集中在7～9月，約占全年降水量的55%。流域洪水由暴雨形成，歷時短，來勢迅猛，陡漲陡落，容易引發(fā)山洪災(zāi)害。

玉帶河曾于1960年3月設(shè)鐵鎖關(guān)水文站，控制流域面積433 km2，觀測水文資料至今。水庫位于鐵鎖關(guān)水文站與寧強縣城之間，流域內(nèi)既無水文站，也無雨量觀測點，屬無實測水文資料區(qū)域。

2 洪水標(biāo)準(zhǔn)

（1）洪水標(biāo)準(zhǔn)

劉家溝水庫為均質(zhì)壩，設(shè)計壩高11.9m，總庫容18.1萬m3，依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201—94）及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252—2000），屬小（2）型水庫Ⅴ等工程，永久建筑物屬5級，故按20年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核。

（2）洪水分析資料依據(jù)

劉家溝水庫是在20世紀(jì)60年代末由當(dāng)?shù)厝罕娂Y投勞修建，由群眾管理，沒有技術(shù)檔案，是否進行過洪水分析計算無從考證。本次水庫流域面積、河長、比降、庫容曲線等基礎(chǔ)資料，系調(diào)查測量、現(xiàn)場踏勘確定。

3 設(shè)計洪水計算

劉家溝水庫流域?qū)贌o水文資料區(qū)域，流域面積僅0.73 km2，無條件采用水文比擬法，故本次將以《漢中地區(qū)實用水文手冊》(以下簡稱《水文手冊》)中暴雨推求法和經(jīng)驗公式法進行設(shè)計洪水計算。

3.1 暴雨推求設(shè)計洪水

由暴雨推求設(shè)計洪水，首先假定設(shè)計暴雨與設(shè)計洪水同頻率。當(dāng)設(shè)計面暴雨雨量及時程分配確定過，其分析計算的主要內(nèi)容包括產(chǎn)流和匯流兩部分。本工程采用《水文手冊》所提供的暴雨成果和產(chǎn)匯流計算方法計算。

3.1.1 設(shè)計暴雨量計算

（1）設(shè)計面雨量計算

水庫流域面積小于20 km2，根據(jù)《水文手冊》要求，不進行點面折減，即以點雨量代替面雨量。按《水文手冊》中表5-1取設(shè)計暴雨歷時t=3小時，設(shè)計暴雨計算時段△t=1/3小時，從《水文手冊》圖5-4至圖5-9分別查得水庫流域幾何中心處年最大各歷時點雨量統(tǒng)計參數(shù)Ht、Cv，再以Cs=3.5Cv，由附錄表Ⅲ查Kp值用下式計算不同頻率20分鐘、1小時、3小時設(shè)計面暴雨量。計算成果如表1。

式中：Ht·p為歷時為t，頻率為P暴雨量，mm；Ht為t歷時的平均暴雨量，mm；Kp為頻率為P的模比系數(shù)。

表1 設(shè)計暴雨計算成果表

（2）設(shè)計面雨量時程分配

劉家溝水庫流域面積F=0.73 km2，按《水文手冊》表5－7取最大3小時雨型，按△t時段對稱分配，計算結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計暴雨時程分配成果表

3.1.2 產(chǎn)流計算

項目區(qū)屬于濕潤地區(qū)，因此產(chǎn)流方式以“蓄滿產(chǎn)流”為主，按“蓄滿產(chǎn)流”的概念，即：

式中：Im為流域最大蓄水量，水庫位于漢江南，取Im=55 mm；Pa為設(shè)計條件下流域前期土壤含水量，取Pa=（2/3）Im=36.7 mm；則初損I0=18.3 mm。

由于《水文手冊》在計算產(chǎn)流量R時，僅扣除深層地下水，故計算出產(chǎn)流量后，還要扣掉潛流量，才能獲得用于推求洪峰流量的凈雨過程，即：

設(shè)計凈雨過程（ht）=產(chǎn)流過程（Rt）－潛流量

據(jù)分析，潛流量為產(chǎn)流量的20%并按產(chǎn)流時段平均扣除產(chǎn)流過程，計算結(jié)果見表3，其中Im=55，I0=18.3。設(shè)計凈雨過程計算結(jié)果見表4。

表3 產(chǎn)流量過程Rt計算成果表

表4 設(shè)計凈雨ht計算成果表

3.1.3 匯流計算

采用《水文手冊》圖解試算法推求，依據(jù)的公式為：式中，Qm為洪峰流量，m3/s；F 為水庫流域面積，km2；F=0.73；L為水庫以上河長，km；L=1.413；J為水庫以上河流比降；J=0.081；T 為暴雨歷時，h；Τ 為匯流歷時，h；∑ht/t為凈雨歷時為t的由大到小累積凈雨強度，mm/n；m為匯流參數(shù)，m=0.18（L2/J1/3/F）0.6；0.278 為單位換算系數(shù)。

（1）計算匯流參數(shù)m：

（2）假設(shè) Qm，并將 J、L、m 帶入 τ=0.278L/m J1/3Qm1/4計算 Qm～τ關(guān)系曲線見表5。

表5 Qm～τ曲線表

（3）將表3-4中的時段凈雨ht由從大到小的順序依次除以相應(yīng)的t依次累計（∑ht）代入 Qm=0.278(∑ht/t)·F式中計算Qm～t曲線，見表 6。

表 6 Qm～t曲線表

（4）將 Qm～τ與 Qm`～t曲線點匯于同坐標(biāo)系中（見圖 1）兩曲線交點的縱坐標(biāo)為設(shè)計洪峰流量，橫坐標(biāo)為匯流歷時，推求的設(shè)計洪峰流量見表7。

表7 不同頻率洪峰流量表

3.1.4 洪水總量計算

由暴雨推求設(shè)計洪量，采用《水文手冊》中公式計算：

式中：R3p為頻率為p的3小時產(chǎn)流量，mm；F為集水面積，km2；F=0.73 km2；Wp為頻率為 P 的洪量，萬 m3。

不同頻率設(shè)計洪水總量見表8。

表8 不同頻率洪水總量計算表

圖1 劉家溝水庫洪峰流量求解圖

3.2 經(jīng)驗公式法推求設(shè)計洪水

（1）《水文手冊》經(jīng)驗公式：

式中：QP為頻率為P的洪峰流量，m3/s；CP、n為頻率為p的經(jīng)驗參數(shù)、指數(shù)(查水文手冊表6-8得出)；F為水庫集水面積，km2。

劉家溝水庫位于漢江以南，屬漢江南Ⅱ區(qū)，參數(shù)及計算結(jié)果見表9。

表9 經(jīng)驗公式計算洪峰流量成果表

（2）《漢中水利》雜志經(jīng)驗公式：

式中：H24P為頻率為P的24小時雨量，mm；α為經(jīng)驗系數(shù)，漢江南岸α=0.026，漢江北岸α=0.300；其他符號意義同上。

該公式使用范圍F=0.5～7.0 km2。計算結(jié)果見表10。

表10 經(jīng)驗公式計算洪峰流量成果表

（3）洪量計算

采用《水文手冊》公式：

式中：WP為頻率為P的洪水總量，萬m3；其他符合意義同前。Wp計算結(jié)果見表11。

表11 經(jīng)驗公式計算洪量成果表

4 成果分析及合理可靠性分析

通過分別采用暴雨推求法和經(jīng)驗公式推求法所得結(jié)果見表12

表12 水庫設(shè)計洪峰流量成果對比表

由表12可以看出，暴雨法、經(jīng)驗公式法兩種方法計算成果較接近。經(jīng)驗公式雖具有形式簡單，計算方便等優(yōu)點，但對洪水形成的復(fù)雜成因，只考慮了較為主要的因素，加之在地區(qū)綜合過程中的代表性問題和適用流域面積問題，使計算成果容易出現(xiàn)偶然性誤差。由暴雨推求的設(shè)計洪水，計算環(huán)節(jié)較多，但《水文手冊》中的暴雨成果所依據(jù)暴雨資料是1956～1983年，期間豐、平、枯所占比例相當(dāng)，代表性較好，各種成果又經(jīng)綜合平衡及合理性檢查，基礎(chǔ)可靠，加之《水文手冊》自投入使用以來，由暴雨推求設(shè)計成果，一般比較合理，故推薦選用暴雨推求法計算成果。

由于缺乏劉家溝水庫歷史洪水分析計算資料，因此無法將本次計算采用的設(shè)計洪水與水庫歷次洪水成果進行對比。為論證其合理性和可靠程度，除了從計算方法進行論述比較后擇優(yōu)選用外，還采用了與水庫同一水系，有可比性的寧—棋段高速公路《防洪評價》(漢中市水電設(shè)計院2007年6月)設(shè)計洪水成果進行比較（見表13），以分析本工程設(shè)計洪水合理性，可靠性。

表13 玉帶河水系設(shè)計洪水成果對比表

從上表中可以看出，同頻率洪峰流量模數(shù)的變化，基本符合流域面積大模數(shù)小，流域面積小模數(shù)大，并與暴雨分布，流域特征有關(guān)的一般規(guī)律，無明顯的反常現(xiàn)象，說明本工程采用設(shè)計洪水分析成果基本合理可靠的。

5 結(jié)論

通過采用暴雨推求法和經(jīng)驗公式推求法計算成果的對比，分析公式應(yīng)用的優(yōu)缺點，同時與同水系同頻率有對比性的《防洪評價》設(shè)計供水成果進行分析其合理性、可靠性，最終綜合分析確定選用暴雨推求法設(shè)計洪水計算成果作為劉家溝除險加固工程的設(shè)計依據(jù)。劉家溝水庫除險加固工程于2009年建設(shè)完成，通過近幾年實踐運行來看，當(dāng)初選用的洪水分析成果是合理的，可靠的。