俄垤水庫除險加固工程設計洪水和防洪安全復核分析

代 超，施文俊，鄭 紅

（1.云南省能源投資集團有限公司,云南 昆明 650228；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650051）

1 工程概況

俄垤水庫位于紅河縣寶華鄉東南部的勐龍河上游,勐龍河系紅河右岸的一級支流,全長54 km,流域地勢南高北低,落差2065 m,河床平均坡降38.2‰,平均高程1420 m。俄垤水庫壩址控制流域面積71.7 km2,壩址以上干流總長18.35 km,河道平均比降為44.0‰,流域形狀系數為0.208。俄垤水文站位于俄垤水庫壩址處,于1978 年7月設立,1989 年3 月撤銷；觀測項目有水位、流量以及降水等,水文測驗精度較高,但實測系列較短。

俄垤水庫于1998年7月建成,水庫總庫容3010 萬m3,是一座解決農業灌溉用水并兼顧城鄉用水、工業用水、發電等綜合利用的中型水庫；樞紐工程由攔河大壩（均質土壩）、溢洪道及輸水泄洪隧洞組成,最大壩高64.9 m；工程等別為Ⅲ等中型,水庫設計洪水標準為50 年一遇,校核洪水標準為1000 年一遇,消能防沖設計洪水標準為30 年一遇。2015 年,經安全評價和鑒定,俄垤水庫大壩為“三類壩”,不能正常運行、發揮設計功能,需進行除險加固。

2 設計洪水復核

俄垤水庫原設計中未對后汛期洪水進行分析,但在設計中考慮了結合庫容,正常蓄水位為1560.68 m,汛限水位為1558.68 m,結合深度2 m,結合庫容235.27 萬m3,因此俄垤水庫除險加固初步設計需要對水庫主汛期和后汛期設計洪水進行復核分析,作為調洪計算依據。

2.1 主汛期設計洪水

俄垤水庫流域1 h、6 h、24 h暴雨統計參數根據《云南省暴雨統計參數圖集》[1]（以下簡稱《省暴雨圖集》）查得：1 h、6 h、24 h暴雨均值分別為37 mm、57 mm、77 mm,變差系數Cv分別為0.42、0.41、0.39,偏態系數Cs=3.5 Cv。基于《省暴雨圖集》參數采用瞬時單位線法[2]（根據《云南省暴雨徑流查算圖表》[3]推求單位線）、推理公式法[4]進行匯流計算推求設計洪水,并基于俄垤水文站1978年8月～1988年3月實測洪水和歷史洪水調查資料采用頻率分析法,對俄垤水庫設計洪水進行復核計算,結果見表1。

表1 俄垤水庫不同方法設計洪水結果對比表

三種方法計算結果中,洪峰流量為瞬時單位線法計算結果最大,實測資料法次之,推理公式法最小；24小時洪量為瞬時單位線法計算結果最大,推理公式法次之,實測資料法最小。鑒于推理公式法匯流參數m的確定有一定的任意性,經驗公式τ=0.278 L/（mJ1/3Qm1/4）中指數1/3和1/4屬經驗值,不一定符合本地實際情況；實測資料分析法未考慮1988年以后的洪水情況,并且系列系列太短,無代表性；《省暴雨圖集》綜合多方面因素作了暴雨地區綜合影響平衡,站網密度較大,資料年限較長,且考慮了特大暴雨資料對參數分布和量級變化的影響,參數計算精度和區域代表性較高并充分考慮了空間變異性,能反映流域實際情況。因此,基于《省暴雨圖集》暴雨統計參數采用瞬時單位線法推求的設計洪水更合理,作為設計洪水復核采用成果。

本次設計洪水復核采用的成果與初設階段結果比較見表2,復核的洪峰流量較原設計增加15%以上、24 h洪量增加12%以上,鑒于原設計采用的暴雨、洪水系列值較短,而本次基于《省暴雨圖集》的瞬時單位線法采用的暴雨參數系列值更長、計算結果更精確且洪水計算結果更大,因此采用本次復核計算的洪水成果作為除險加固設計依據。

表2 本次復核設計洪水成果與原初步設計成果比較表

2.2 后汛期洪水計算

俄垤水庫洪水分為主汛期洪水、后汛期洪水和枯期洪水,其中主汛期為6月初～9月底,后汛期為10月初～11月底,枯期為12月初～翌年5月底。

2.2.1 后汛期設計洪水

從俄垤水文站1979年～1988年實測資料中挑選后汛期最大流量、最大一日洪量資料進行頻率計算和適線：洪峰流量均值Qm=19.0 m3/s,Cv=1.5,經適線后采用均值Qm= 19.0 m3/s,Cv=1.35,Cs=4.0Cv；一日洪量均值Wm=70.61 萬m3,Cv=1.08,經適線后采用均值Wm=70.61萬m3,Cv=0.9,Cs=3.5Cv。根據適線后的參數,計算得各頻率設計洪水成果見表3。

表3 俄垤水庫后汛期設計洪水計算結果表

2.2.2 后汛期設計洪水抽樣誤差及安全保證值

俄垤水庫后汛期洪水分析使用俄垤水文站1979年～1988年實測10年的洪水資料按P-III型頻率曲線計算,設計洪水均值、表3中各頻率洪水設計值的抽樣誤差分別用式（1）、式（2）計算（其中B為Cs和P的函數,由B值諾模圖[3]查得）,抽樣誤差計算結果見表4。

表4 俄垤水庫后汛期設計洪水抽樣誤差表

從表4中可以看到,采用俄垤水文站1979年～1988年實測洪水的參數去代替總體統計參數的抽樣誤差均較大,P=0.1%～P=3.33%各頻率設計洪水值的誤差基本都超過了50%。按照規范[3]中“對大型工程或重要的中型工程,用頻率分析法計算的非常運用標準的洪水,經分析檢查,如成果有偏小的可能時,應加安全保證值（一般不超過計算值的20%）”的規定,雖然俄垤水庫下游無重要城鎮、工礦區、鐵路或其他重要政治經濟意義的設施,但鑒于資料系列短,因此在P=0.1%～3.33%洪峰、洪量上增加計算值15%的安全值,最終確定俄垤水庫后汛期設計洪水見表5。

表5 俄垤水庫后汛期設計洪水成果表

3 調洪計算

俄垤水庫上游植被較好,泥沙淤積不嚴重,庫容曲線采用原設計測量的庫容曲線；溢洪道和輸水泄洪隧洞采用經復核的泄流曲線,與原設計相差不大。主汛期洪水的起調水位為汛限水位1558.68 m,后汛期起調水位為正常蓄水位即1560.68 m,均通過溢洪道和輸水泄洪隧洞共同泄洪。本次調洪計算成果與原初步設計成果對比見表6：本次復核的設計洪水位為1561.01 m（后汛期設計洪水調洪確定）,校核洪水位為1562.59 m（主汛期校核洪水調洪確定）,均低于俄垤水庫原設計值；考慮到原設計經過審批,經過本次設計洪水和調洪計算復核后,俄垤水庫的特征水位仍采用原設計成果,即設計洪水位為1561.66 m,校核洪水位為1562.83 m。

表6 俄垤水庫調洪計算成果表

4 壩頂高程復核

俄垤水庫位于山區峽谷地區,按《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[3]和《碾壓式土石壩設計規范》[5]要求,壩頂高程不得低于水庫校核洪水位,土質防滲體的頂高程應不低于校核洪水位；壩頂上游防浪墻頂高程應高于波浪頂高程,壩頂在水庫靜水位以上的超高由三部分組成,即波浪爬高、風壅水面高度和安全加高,計算公式如下：

式中：Y為壩頂在靜水位以上的超高,m；R為風浪沿著壩坡的最大爬高,m；e為最大風壅水面高度,m；A為安全加高,m。

俄垤水庫大壩壩頂超高計算結果見表7,正常運用條件下所需的防浪墻頂高程為1563.66 m,非常運用條件下所需的防浪墻頂高程為1564.06 m（校核洪水位工況）。現狀防浪墻頂高程為1564.90 m,防浪墻頂高程滿足規范要求；現狀壩頂高程（1563.90 m）高于非常運用條件下靜水位（校核洪水位1562.83 m）,故壩頂高程亦滿足規范要求。

表7 俄垤水庫大壩壩頂高程計算結果

5 結論

設計洪水復核計算和防洪安全復核是水庫除險加固設計的重要內容和基本依據[6],對設置了汛限水位的水庫應合理確定分期設計洪水。在紅河縣俄垤水庫除險加固工程初步設計中,采用多種方法計算主汛期設計洪水,最終采用基于《省暴雨圖集》統計參數瞬時單位線法計算結果,并與原設計比較后采用本次復核成果；基于鄰近水文站主汛期、后汛期洪水關系,考慮抽樣誤差推求后汛期洪水；經采用主汛期、后汛期洪水進行調洪計算,水庫特征水位維持原初步設計,并進行壩頂高程復核,現狀壩頂高程滿足防洪要求。本文的計算分析可為類似水庫除險加固工程提供參考。