基于大壩安全評(píng)價(jià)的紅邦水庫(kù)防洪能力復(fù)核計(jì)算

鄧賓賓

(福建韓江工程咨詢有限公司,福建 龍巖 364000)

1 工程背景

福建省龍巖市紅邦水庫(kù)位于雁石溪流域，地處龍巖市蘇坂鎮(zhèn)紅邦村境內(nèi)，流域?qū)偾鹆晟絽^(qū)，植被覆蓋良好，距蘇坂鎮(zhèn)約10 km，距離雁石鎮(zhèn)政府約7 km，其主壩壩址位于莆永高速公路橋下游約200 m處，交通較方便。龍巖市紅邦水電站位于新羅區(qū)蘇坂鎮(zhèn)紅邦村上游約3.3 km，壩址以上集雨面積1278 km2，主河道長(zhǎng)79 km，河道平均坡降4.1‰。攔河壩壩型為C10細(xì)石混凝土砌石重力壩堰頂掛閘，由重力擋水壩、溢流堰堰頂掛閘段、沖砂閘段和進(jìn)水口段組成，壩頂高程218.4 m，最大壩高20.4 m，壩頂寬3.5 m，最大壩底厚度18.9 m，壩頂全長(zhǎng)147.2 m。水庫(kù)正常蓄水位215.00 m，總庫(kù)容745.0萬(wàn)m3，是一座以發(fā)電為主的水利工程，屬小(1)型水庫(kù)。

2 水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

2.1 水庫(kù)防洪能力復(fù)核洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—94)和《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)的規(guī)定，本工程為Ⅳ等工程，其主要建筑物大壩按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，其洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇至50 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇至500 a一遇洪水校核、20 a一遇洪水消能防沖[1]。初步設(shè)計(jì)階段及2014年安全鑒定階段洪水標(biāo)準(zhǔn)采用Ⅳ等工程洪水標(biāo)準(zhǔn)低限，即30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核，符合規(guī)范要求。本次復(fù)核計(jì)算洪水標(biāo)準(zhǔn)仍沿用2014年安全鑒定階段選定的洪水標(biāo)準(zhǔn)，即30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核。

2.2 水位～庫(kù)容曲線計(jì)算

福建省龍巖市紅邦水庫(kù)庫(kù)區(qū)周邊的植被覆蓋率較高，庫(kù)區(qū)底部淤積現(xiàn)象并不嚴(yán)重，沒(méi)有對(duì)原始設(shè)計(jì)庫(kù)容造成較大的影響。同時(shí)，因水庫(kù)現(xiàn)已蓄水，復(fù)核庫(kù)容曲線難度較大，故本次采用初設(shè)階段庫(kù)容曲線[2]，具體結(jié)果如表1所示，水位～庫(kù)容曲線如圖1所示。

表1 水庫(kù)水位～庫(kù)容關(guān)系表

圖1 紅邦水庫(kù)水位庫(kù)容曲線

2.3 泄水建筑物水位～泄量關(guān)系曲線

紅邦水電站水庫(kù)泄水建筑物為攔河壩中段的溢洪道和壩身左右岸沖沙孔。溢洪道的溢流堰堰型為WES實(shí)用堰，堰頂高程208.0 m，堰頂掛6孔9 m×7 m(寬×高)閘門，溢流凈寬54 m，其泄流能力按式(1)、式(2)計(jì)算[3]：

(1)

σc=1-kNH0/b

(2)

式中：Q為下泄流量，m3/s；σs為淹沒(méi)系數(shù)，取1.0；σc為側(cè)收縮系數(shù);m0為流量系數(shù)，取0.49；B為溢流凈寬，為54 m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；H0為堰頂作用總水頭，m；k為墩型收縮系數(shù)，取0.01；N為側(cè)收縮邊數(shù)，為12；b為每孔凈寬，為9 m。

左岸沖砂孔底板高程202.5 m，右岸沖沙孔底板高程204.0 m，沖沙孔出口尺寸均為5 m×4 m(寬×高)，在自有出流和淹沒(méi)出流條件下的泄流能力計(jì)算公式分別為式(3)和式(4)：

(3)

μ=0.93-0.3D/H1

(4)

(5)

式中：μ為流量系數(shù)；A為出口斷面面積，為20 m2；D為孔口高度，為4 m；H1為孔口中心以上壩前作用水頭，m；H2為孔口中心以上壩后作用水頭，m。

從工程安全角度考慮，本次計(jì)算不計(jì)行進(jìn)流速水頭。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合本工程實(shí)際情況，合理取用參數(shù)[4]。經(jīng)分析計(jì)算，紅邦水電站水庫(kù)泄洪設(shè)施水位泄量關(guān)系成果見(jiàn)表2。

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，復(fù)核計(jì)算中選擇2010年6月15日洪水。根據(jù)水文部門分析，該場(chǎng)洪水相當(dāng)于15 a一遇至20 a一遇，實(shí)測(cè)洪峰流量為2264 m3/s，相應(yīng)水位為215.41 m(未打開(kāi)沖砂孔泄洪)。根據(jù)溢洪道泄流公式及溢洪道參數(shù)，計(jì)算求得水位215.41 m時(shí)下泄流量為2264 m3/s。由此說(shuō)明，溢洪道泄流能力計(jì)算成果合理。

2.4 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

本次調(diào)洪演算采用雙輔助線法(半圖解法)，就是根據(jù)水量平衡來(lái)計(jì)算的[5]。水庫(kù)所容納的蓄水量也就是來(lái)水和泄水的差值，出、入庫(kù)流量之差。用水庫(kù)蓄泄方程來(lái)表示動(dòng)力方程，泄洪設(shè)施的規(guī)模和水庫(kù)的蓄水位決定著水庫(kù)泄量的大小：

(6)

式中：V1為t時(shí)段始水庫(kù)庫(kù)容，萬(wàn)m3；V2為t時(shí)段末水庫(kù)庫(kù)容，萬(wàn)m3；Q1為t時(shí)段始入庫(kù)流量，m3/s；Q2為t時(shí)段末入庫(kù)流量，m3/s；q1為t時(shí)段始出庫(kù)流量，m3/s；q2為t時(shí)段末出庫(kù)流量，m3/s。

表2 水庫(kù)泄洪設(shè)施水位-泄量關(guān)系計(jì)算結(jié)果

根據(jù)電站壩址設(shè)計(jì)洪水過(guò)程、水庫(kù)庫(kù)容曲線及泄洪設(shè)施泄流能力曲線等，對(duì)水庫(kù)各頻率洪水進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，采用程序電算[6]，當(dāng)堰頂閘門和沖沙孔全開(kāi)時(shí)，計(jì)算成果見(jiàn)表3。各頻率設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪過(guò)程線如圖2所示。

表3 水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

圖2 壩址設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

3 壩頂高程復(fù)核

3.1 壩頂高程復(fù)核

由于水庫(kù)壩址缺乏實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，本次壩頂高程復(fù)核計(jì)算風(fēng)速采用龍巖氣象站實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，即正常運(yùn)用情況風(fēng)速取21 m/s，非常運(yùn)用情況取14 m/s，吹程為1000 m[7]。根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 25—2006)要求，非溢流壩的壩頂高程應(yīng)考慮波浪爬高、風(fēng)壅增高和安全超高，壩頂至水庫(kù)靜水位的高度按式(7)計(jì)算：

△h=hb+hz+hc

(7)

式中：hb為波高，m；hz為波浪中心線超出水庫(kù)靜水位的風(fēng)壅高度，m；hc為安全超高，m。

波浪要素按官?gòu)d水庫(kù)公式計(jì)算，具體如式(8)、式(9)：

(8)

(9)

式中：Lm為平均波長(zhǎng)，m；D為吹程，m；v0為計(jì)算最大風(fēng)速，m/s。

波浪中心線至水庫(kù)靜水位的高度hz按式(10)計(jì)算：

(10)

按上式，分別計(jì)算以下兩種工況，并取其最大值作為壩頂高程。

(1) 正常蓄水位加正常運(yùn)用情況。

(2) 校核洪水位加非常運(yùn)用情況。

壩頂高程復(fù)核計(jì)算成果如表4所示。由復(fù)核計(jì)算結(jié)果可知，攔河壩擋水段所需的壩頂高程為219.38 m，現(xiàn)有壩頂防浪墻高程為219.60 m，滿足防洪要求。攔河壩溢流段所需的壩頂高程為218.06 m，現(xiàn)有壩頂高程為218.40 m，滿足防洪要求。

表4 壩頂高程復(fù)核計(jì)算成果表

3.2 閘門頂超高復(fù)核

閘門頂超高復(fù)核計(jì)算成果見(jiàn)表5。由表5可知，大壩溢流堰工作閘閘頂高程為215.30 m，大壩正常水位為215.00 m，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)要求，閘門頂高程應(yīng)符合下列工況。目前閘門頂高程為215.30 m，擋水時(shí)所需閘門頂高程為215.30 m，滿足規(guī)范要求；泄水時(shí)，所需閘門頂高程為218.46 m，閘門全開(kāi)時(shí)閘門頂高程為222.6 m，滿足規(guī)范要求。

表5 閘門頂高程復(fù)核計(jì)算成果表

3.3 消能防沖復(fù)核

本工程泄洪消能屬底流消能，選用寬尾墩消力池聯(lián)合消能工。設(shè)計(jì)上采用P=3.33%設(shè)計(jì)洪水、P=0.5%校核核洪水和P=5%消能防沖三種情況進(jìn)行消能計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，三種情況均不會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，故在溢流反弧段不設(shè)置消力墩。采用水利部松遼水利委員會(huì)科學(xué)研究院劉新紀(jì)、范寶山編寫的《寬尾墩消力池聯(lián)合消能工的應(yīng)用》計(jì)算方法設(shè)計(jì)異型寬尾墩，異型寬尾墩設(shè)置在反弧段最深處，寬尾墩墩尾高度a=2.0 m，單寬墩收縮比л=0.80。

大壩溢流堰采用底流消能，堰后布置24 m長(zhǎng)的護(hù)坦以加強(qiáng)下游面的防沖能力，根據(jù)水文復(fù)核計(jì)算成果設(shè)計(jì)單寬流量為40.28 m3/s·m，校核單寬流量為59.96 m3/s·m，消能防沖單寬流量為36.41 m3/s·m。

根據(jù)武漢大學(xué)水利水電學(xué)院李煒主編的《水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)》，進(jìn)行水力計(jì)算判斷水流銜接狀態(tài)，公式如式(11)、式(12)：

(11)

式中：E0為以下游河床面為基準(zhǔn)面的泄水建筑物上游總水頭，m；q為收縮斷面處的單寬流量，m3/s·m；g為重力加速度，m/s2；φ為流速系數(shù)。

(12)

表6 消能防沖復(fù)核計(jì)算結(jié)果 m

4 結(jié) 論

(1)本次復(fù)核的30 a一遇設(shè)計(jì)洪水位為215.52 m，200 a一遇校核洪水位為218.06 m。

(2)經(jīng)復(fù)核計(jì)算，攔河壩擋水段所需的壩頂高程為219.38 m，現(xiàn)有壩頂防浪墻高程為219.60 m，溢流段所需的壩頂高程為218.06 m，現(xiàn)有壩頂高程為218.40 m，滿足防洪要求。

(3)經(jīng)復(fù)核計(jì)算，在設(shè)計(jì)、校核及消能防沖洪水情況下，為淹沒(méi)水躍，不會(huì)危及大壩安全，下游的消能防沖是安全的。

(4)綜上所述，根據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的規(guī)定，大壩防洪能力為B級(jí)。