樓莊子水庫設計洪水計算探討

董秀斌

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

樓莊子水庫位于頭屯河硫磺溝鎮以南25km處，距下游昌吉市硫磺溝鎮樓莊子村8km，庫區下游有國防公路通過，壩址位于制材廠水文站以下8.5km處，是一座以灌溉、防洪和城市及工業供水為主要任務的水庫工程。水庫總庫容為7374萬m3，正常蓄水位1394.50m，最大壩高82.6m。

按照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)和《防洪標準》(GB50201-2014)，確定樓莊子水庫為Ⅲ等工程，工程規模為中型。水庫工程由黏土心墻壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成。相應的水工建筑物設計標準為：主要建筑物導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞按3級建筑物設計，由于樓莊子水庫庫壩區地震基本烈度為Ⅷ度，壩高大于70m，且區域構造穩定條件復雜，水庫下游分布有交通、通訊線路等國民經濟重要基礎設施，故大壩提高一級按照2級建筑物設計，大壩為2級建筑物，溢洪洞、導流兼泄洪沖沙洞和引水洞為3級建筑物，次要建筑物及臨時建筑物為4級。

2 洪水設計標準

樓莊子水庫工程大壩為土石壩，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)的規定：土石壩正常運用洪水重現期50-100a，非常運用洪水重現期1000-2000a。由于大壩為2級建筑物，水庫下游分布有交通、通訊線路等國民經濟重要基礎設施，所以洪水標準取3級建筑物設計標準的上限。

大壩設計洪水標準為100a一遇，洪峰流量Q=405m3/s；校核洪水標準為2000a一遇，洪峰流量Q=750m3/s。消能防沖建筑物的設計洪水標準為30a一遇，最大入庫洪峰流量Q=277m3/s。圍堰施工期施工導流洪水標準為20a一遇，洪峰流量Q=236.45m3/s。壩體施工期擋洪度汛洪水標準為50a一遇，洪峰流量Q=330m3/s。

3 設計洪水計算

3.1 區域綜合模比系數法

由于計算河流無實測洪峰流量系列資料，所以可以通過選定工程場址處歷史洪水調查，獲取某一歷史洪峰流量的調查值和該次洪峰流量的調查考證期，則可計算設計洪峰流量[1]，計算公式為：

(1)

Kp=ΦPCV+1

(2)

(3)

Kn=ΦnCV+1

(4)

則有：

(5)

3.1.1 變差系數的確定

通常按經驗間接的方法取決，或者借用周邊河流參數[2]。本次擬采用兩套計算參數，一套參數直接借用相鄰的呼圖壁河石門站長系列統計參數進行計算，統計參數見表1；另外一套根據由希堯編著的《新疆短缺資料中小河流設計洪水計算應用辦法》中的新疆各地CV參考表查得，統計參數見表2。

表1 呼圖壁河石門站洪峰流量統計參數表

表2 新疆各地CV參考表

3.1.2 洪峰模比系數K的確定

當選定變差系數CV或偏差系數CS后，可根據歷年洪水調查考證期n和所需計算的設計洪水保證率p，從《水文水利計算》附表的皮爾遜Ⅲ型曲線離均系數Φ值表查出Φ值，再計算調查歷史洪水的模比系數Kn和設計洪水的模比系數Kp。

按照新疆各地CV參考表查得變差系數平均值、倍比，得到偏差系數值，石門站長系列統計參數，根據式(2)和(4)計算得到Kp和Kn值見下表。

表3 Kp、Kn計算值表

將上表中計算參數代入公式(6)中后即得到不同頻率設計洪峰流量，見表4。

3.2 經驗公式法

經驗公式法是以設計因素與其主要影響因素之間的定量關系為基礎，據設計流域具體條件估算所求項目的一種方法。本次分別采用新疆通用經驗公式和區域經驗公式計算設計流域洪水。

表4 區域綜合模比系數法設計洪峰流量計算成果表

3.2.1 新疆通用公式

(6)

3.2.2 區域經驗公式

(7)

計算得到各參數及洪峰流量設計平均值見表5，借用石門站長系列統計參數，可得不同頻率設計洪峰流量見表6。

4 設計洪水成果推薦

4.1 區域綜合模比系數

此方法的難點在于選擇設計流域的洪峰流量計算的數值和確定歷史洪水的重現期及量級，計算過程中選用的統計參數一套為鄰近參證站實測系列推求，另一套為工具書中給出的參考值，歷史洪水重現期及量級較為可靠，因此此法從統計參數的選取、歷史洪水考證情況看均較可靠，比較符合區域洪水特征，因此此法計算成果可作為參考成果[3]。

4.2 經驗公式法

此法適用于確因條件特殊而無法滿足其它方法計算時采用，有一定約束性。從計算公式來看，通用經驗公式中只有集水面積一項為主要因素，其它兩項均為經驗系數，不確定性較大，從計算結果可以看出設計值明顯偏?。粎^域經驗公式中雖考慮因素較多，但僅從計算得到的設計洪峰流量均值就可以看出明顯偏大不符合實際，因此不推薦此種方法計算結果。

綜上，頭屯河樓莊子水庫推薦設計洪峰流量成果采用區域綜合模比系數法設計洪峰流量計算成果(表4)。

表5 區域經驗公式計算參數表

表6 經驗公式法計算成果表

5 結 論

分析表明，水庫洪峰模數是按全流域集水面積計算的，較大流量所計算的洪峰模數往往偏小，洪峰模數在地區上也具有一定的分布規律性，流域面積與設計洪峰流量關系圖表明樓莊子水庫流域集水面積與設計洪峰流量相關程度較高，設計洪峰流量隨著流域集水面積的增加而增加。因此，本次樓莊子水庫洪水計算成果基本合理，可以用于水庫治理規劃設計。