基于實測庫容契爺石水庫防洪能力復(fù)核

楊志民

（廣東省東莞市清溪鎮(zhèn)契爺石水庫管理所,廣東 東莞 523648）

1 引言

水庫工程建設(shè)可實現(xiàn)蓄水、發(fā)電、防洪等綜合效益[1-2]。防洪工作是水庫建設(shè)的一個重要因素,因此,需要重視水庫防洪作用,水庫建設(shè)完成后,受人類工程活動影響,原庫容可發(fā)生一定的改變,因此,在長期使用后,復(fù)核水庫防洪能力非常必要,針對防洪不滿足要求的水庫采取相應(yīng)的處理措施,以改善水庫的防洪作用,保障下游居民的安全[3-5]。

契爺石水庫位于廣東省東莞市清溪鎮(zhèn)，屬中型水庫,工程等別為Ⅲ等,主要水工建筑物等級為3 級,次要建筑物等級為4 級,臨時建筑物等級為5 級。契爺石水庫校核庫水位44.31 m,設(shè)計庫水位43.5 m,正常蓄水位42.64 m,汛期限制水位4 月～6月、7 月、8 月～10 月依次為42.0 m、42.2 m、42.6 m,死水位35.3 m；總庫容1158 萬m3。

2 設(shè)計洪水

2.1 流域特征參數(shù)

根據(jù)清溪鎮(zhèn)1∶10000地形圖,結(jié)合清溪鎮(zhèn)1∶50000地形圖勾繪量算契爺石水庫的流域特征參數(shù)（見表1）。

表1 流域特征參數(shù)表

2.2 設(shè)計洪水成果

正坑水庫控制面積占契爺石水庫集水面積的4.5%,壩址相距契爺石水庫壩址約4.9 km；駱坑水庫占契爺石水庫集水面積的3.8%,壩址相距契爺石水庫壩址約5.2 km。計算契爺石水庫設(shè)計洪水時,不考慮梯級水庫的調(diào)洪和潰壩影響,僅將梯級水庫集水面積納入契爺石水庫集水面積內(nèi)。契爺石水庫設(shè)計洪峰流量見表2,設(shè)計洪水過程線圖1。

表2 契爺石水庫設(shè)計洪峰流量

圖1 契爺石水庫不同頻率設(shè)計洪水過程線

本次計算契爺石水庫設(shè)計洪峰流量與《東莞市契爺石水庫調(diào)度規(guī)程》的成果進行對比,見表3。

表3 契爺石水庫洪峰流量成果對比表

由表3可知,本次復(fù)核設(shè)計洪水成果,與汛期調(diào)度規(guī)程計算成果相差2.58%～7.16%,相差較小,本次復(fù)核設(shè)計洪水成果是合理的,采用本次復(fù)核的設(shè)計洪水成果。

3 調(diào)洪計算

3.1 計算方法

調(diào)洪計算采用水量平衡方程：

式中：Qi,Qj初、末時段入庫流量,m3/s；qi,qj初、末時段泄水流量,m3/s；Δt計算時段,s；ΔV時Δt段內(nèi)庫容變化量,m3。

3.2 水位庫容曲線

水位庫容曲線根據(jù)此次實測的1∶1000地形圖進行量算,原庫容曲線和實測庫容曲線見圖2。通過對比,本次復(fù)核庫容同一高程與原庫容相差100 萬m3～175 萬m3,主要是由于庫區(qū)地形變化及庫底自然淤積等因素所致。本次采用復(fù)核成果。現(xiàn)狀實測庫區(qū)地形復(fù)核后的總庫容為1009 萬m3,比建庫時登記的總庫容1158 萬m3少了149 萬m3,庫區(qū)前后差別較大,經(jīng)過反復(fù)對實測庫區(qū)地形圖和建庫地形圖的對比和現(xiàn)場實地的調(diào)查分析,確定現(xiàn)狀實測庫區(qū)與建庫時的庫容區(qū)別較大的原因為：①水庫建庫50 多年來的水庫自然淤積,據(jù)調(diào)查,自建庫以來水庫尚未進行過清淤；②庫區(qū)地形條件改變,經(jīng)對比實測庫區(qū)地形圖和建庫地形圖,結(jié)合現(xiàn)場實地調(diào)查分析,庫區(qū)北側(cè)由于桃源路的建設(shè),水面面積減少約5.4 萬m2；庫區(qū)西側(cè)2#副壩、3#副壩較建庫時,壩址向庫區(qū)內(nèi)側(cè)偏移,現(xiàn)狀為廠區(qū)及住宅,減少水面面積約9.6 萬m2；庫區(qū)南側(cè)等其他區(qū)域由于道路修建等建設(shè)活動,庫區(qū)水面面積減少約2.2 萬m2,總計17.2 萬m2。

圖2 水位庫容曲線對比圖

3.3 水位泄流曲線

水庫溢洪道為有閘控制寬頂堰,3孔,單孔凈寬9.4 m,凈高5.4 m,堰頂高程41.28 m。

寬頂堰流量計算公式：

式中：Q流量,m3/s；σS、ε淹沒、側(cè)收縮系數(shù)；m寬頂堰的流量系數(shù),m=0.385；B堰頂總凈寬,m；H0計入流速水頭的堰上總水頭,m。

水位泄流曲線見圖3。

圖3 水位泄流曲線

3.4 調(diào)洪演算

（1）水庫調(diào)度原則

溢洪道為有閘控制,最高汛期限制水位為42.6 m,起調(diào)水位為汛期限制水位。當(dāng)來水流量小于其限制水位的下泄能力時,控制下泄流量等于來水流量,維持其限制水位運行；當(dāng)來水流量大于其限制水位的下泄能力時,全開閘門,全力泄洪。此時,庫水位開始升高,當(dāng)下泄流量等于來水流量,庫水位升至最高,隨后,來水流量小于下泄流量,庫水位逐漸降低,當(dāng)降至汛期限制水位時,漸關(guān)閘門,維持汛期限制水位,直至本次洪水結(jié)束。

（2）調(diào)洪成果

根據(jù)洪水過程、水位庫容曲線、水位下泄流量曲線,按水量平衡調(diào)節(jié)計算,調(diào)洪成果見表4。

表4 調(diào)洪成果表

4 水庫抗洪能力的復(fù)核

4.1 防洪標(biāo)準復(fù)核

從本次調(diào)洪演算結(jié)果可知：契爺石水庫總庫容大于0.1 億m3小于1 億m3,水庫規(guī)模為中型,水庫樞紐主體工程等別為Ⅲ等,永久性主要建筑物為3 級,永久性次要建筑物為4 級。契爺石水庫原設(shè)計洪水標(biāo)準為100 年一遇,原校核洪水標(biāo)準為1000 年一遇。

4.2 壩頂高程復(fù)核

（1）壩頂高程計算方法

壩頂超高應(yīng)按下式計算：

式中：Y壩頂超高,m；R波浪爬高,m；e風(fēng)壅水高度,m；A安全加高。

1）波浪爬高計算

大壩迎水坡按單一斜坡考慮,波浪爬高：

式中：RP累積頻率為P波浪爬高；KΔ糙率及滲透性系數(shù),KΔ=0.9；Kw經(jīng)驗系數(shù)；Kp換算系數(shù)；m坡率；hm、Lm平均波高、波長,m。

平均波高H按下式計算：

式中：Tm為平均波周期,s；W 計算風(fēng)速,m/s；D風(fēng)區(qū)長度,m。Hm平均水深,m；H迎水面前水深,m。

2）風(fēng)壅水面高度計算

風(fēng)壅水面高度計算按下式計算：

式中：K綜合摩阻系數(shù)；β風(fēng)向與垂直堤防軸線的法線的夾角。

3）安全加高

設(shè)計洪水位加正常運行情況的安全超高,校核洪水位加非常運行情況的安全超高。水庫大壩的級別為3 級,其正常運用情況安全加高值取0.7 m,非常運用情況安全加高值取0.4 m。

（2）水庫現(xiàn)狀壩頂高程計算成果

根據(jù)大壩壩頂超高計算公式,計算不同運行工況的壩頂超高,加不同運用情況的洪水位,得到相應(yīng)的壩頂高程,壩頂高程取設(shè)計及校核兩者成果的高值。

通過計算：主壩校核工況相應(yīng)壩頂高程為P=0.1%為45.40 m,現(xiàn)狀壩頂高程為46.6 m,現(xiàn)狀防浪墻頂高程為47.2 m。1#副壩、2#副壩、3#副壩校核工況相應(yīng)壩頂高程為P=0.1%為45.09 m、45.05 m、44.98 m,現(xiàn)狀壩頂高程為46.0 m。

從復(fù)核成果來看,契爺石水庫滿足原設(shè)計標(biāo)準防洪要求。

復(fù)核后成果：水庫防洪標(biāo)準為P=1%設(shè)計,P=0.1%校核,校核庫水位44.19 m,相應(yīng)庫容1009 萬m3；設(shè)計庫水位43.59 m,相應(yīng)庫容918 萬m3；正常蓄水位42.64 m,相應(yīng)庫容784 m3；汛期限制水位42.0 m～42.6 m,相應(yīng)庫容萬699 m3～780 萬m3；死水位35.9 m,相應(yīng)庫容萬132 m3；興利庫容652 萬m3,調(diào)洪庫容229 萬m3～310 萬m3。

4.3 泄洪安全復(fù)核

（1）泄洪建筑物本身的安全

契爺石水庫校核洪水位為44.19 m,加上安全超高值0.4 m為44.59 m；設(shè)計洪水位為43.59 m,加上波浪的計算高度和安全超高值為45.4 m；溢洪道的控制段頂高程為46.68 m,滿足規(guī)范要求。

（2）泄洪對大壩安全的影響

從復(fù)核成果來看,水庫壩頂高程均滿足要求,不影響大壩安全。

5 結(jié)論

（1）契爺石水庫設(shè)計洪水采用本次計算成果,原設(shè)計洪水標(biāo)準為100年一遇,原校核洪水標(biāo)準為1000年一遇保持不變。

（2）從復(fù)核成果來看,現(xiàn)狀壩頂高程滿足防洪要求。

（3）溢洪道的控制段頂高程滿足規(guī)范要求,要求的最大泄量能夠安全下泄。