景德鎮(zhèn)市昌江區(qū)楊灣水庫防洪能力復(fù)核

莊 軍

(景德鎮(zhèn)市昌江區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村水利局，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引 言

根據(jù)水利部頒布的《水庫大壩安全鑒定辦法》(2003[271]號(hào))和有關(guān)安全鑒定事項(xiàng)的文件內(nèi)容，在對(duì)大壩安全進(jìn)行科學(xué)鑒定時(shí)，需要實(shí)施制度內(nèi)容，并且在竣工后五年時(shí)間里完成首次鑒定任務(wù)，而后以六年或十年作為鑒定周期，進(jìn)而全面把控大壩運(yùn)行動(dòng)態(tài)，有效評(píng)價(jià)楊灣水庫大壩的安全狀況，了解大壩的運(yùn)行性態(tài)，充分發(fā)揮工程效益，本人對(duì)楊灣水庫大壩防洪能力進(jìn)行復(fù)核。

1 工程概況

楊灣水庫地處景德鎮(zhèn)市昌江區(qū)荷塘鄉(xiāng)境內(nèi)，饒河水系昌江支流雙溪水上，大壩壩址座落在荷塘鄉(xiāng)陳灣村上游約1.0km處，其地理位置為E117°11′，N29°13′，距景德鎮(zhèn)市中心15km。壩址以上控制集雨面積14.0km2，水庫正常蓄水位88.90m(黃海系統(tǒng)高程，下同)，相應(yīng)庫容為145萬m3；設(shè)計(jì)洪水位(P=3.3%)91.37m，校核洪水位(p=0.5%)92.06m，水庫總庫容198.9萬m3。楊灣水庫于1965年開始建設(shè)，1967年正式投入運(yùn)行，是一座以灌溉為主，兼有養(yǎng)殖的小(1)型水庫。

2 基礎(chǔ)資料復(fù)核

2.1 水庫流域特征參數(shù)復(fù)核

楊灣水庫位于位于流域內(nèi)皆為山地，植被茂密，地勢(shì)較陡，水土保持良好。楊灣水庫歷次流域特征參數(shù)復(fù)核成果詳見表1。在對(duì)大壩運(yùn)行安全進(jìn)行科學(xué)鑒定時(shí)，應(yīng)當(dāng)參照河道建設(shè)圖(1∶10000)航測(cè)圖，進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)核效果，此時(shí)最終獲取的結(jié)果與2015年除險(xiǎn)加固復(fù)核成果基本一致。本次采用控制流域面積14.00km2，主河道長(zhǎng)度4.53km，主河道平均比降51‰。

表1 楊灣水庫流域特征參數(shù)

2.2 氣象特征

工程所在地處東亞季風(fēng)區(qū)，屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)性氣候，光照充足，雨量充沛，氣候溫和，四季更替明顯。多年平均降雨量1805mm,降雨年內(nèi)分配不均，降雨年際變化也較大。多年平均蒸發(fā)量956mm，年平均相對(duì)濕度80%。多年最大平均風(fēng)速為12.5m/s。

2.3 水文測(cè)站

楊灣水庫壩址以上流域及其壩址下游附近無水文測(cè)站和雨量站。水文部門在本水庫附近的昌江干流上設(shè)有渡峰坑水文站，臨近流域荷塘水上建有荷塘水文站。各測(cè)站基本情況如下：

1)渡峰坑水文站：

渡峰坑水文站位于景德鎮(zhèn)市新楓街道莊屋下村(渡峰坑河對(duì)岸)，屬饒河水系昌江，距壩址直線里程約12km。該水文站1952年遷至渡峰坑村，于1957年改名稱為渡峰坑水文站。該水文站集水面積5013 km2，為國(guó)家基本站，且是饒河流域昌江的控制站，觀測(cè)水位、流量、降水量、泥沙至今。

2)荷塘水文站：

該站于1978年1月設(shè)立，位于昌江區(qū)荷塘鄉(xiāng)童坊村陸家?guī)X小組，屬饒河水系荷塘水，距壩址直線里程約4km。該水文站集水面積16.3km2，站址以上主河道長(zhǎng)度L=5.35km，站址以上主河道平均比降J=18.01‰，觀測(cè)水位、流量、降水量至今。

3 設(shè)計(jì)洪水

3.1 原設(shè)計(jì)洪水情況

2015年，景德鎮(zhèn)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院編制了《江西省昌江區(qū)楊灣塢水庫除險(xiǎn)加固工程初設(shè)報(bào)告》，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇。

3.2 洪水標(biāo)準(zhǔn)

楊灣水庫屬于小(一)型水庫，大壩為漿砌石重力壩。根據(jù)GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》與2017年公布的洪水劃分標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容，能夠認(rèn)定景德鎮(zhèn)市大壩構(gòu)筑物，本身屬于四級(jí)建筑物，而且還包含五級(jí)臨時(shí)建筑物。此時(shí)，需要設(shè)定30a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過核對(duì)后，即可達(dá)成200a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，其中楊灣水庫不作為短期防洪標(biāo)準(zhǔn)予以設(shè)計(jì)[1-2]。

3.3 洪水推求方法

楊灣水庫附近未設(shè)置觀測(cè)站，此次研究中匯總的暴雨相關(guān)文件信息，需要對(duì)其實(shí)施合理推演。該水庫位于江西省地區(qū)，依據(jù)相關(guān)查算規(guī)范，在復(fù)核時(shí)可以借助公式推演形式知曉洪水標(biāo)準(zhǔn)，而后在復(fù)核中以此為主，進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

3.4 設(shè)計(jì)暴雨

設(shè)計(jì)暴雨采用《手冊(cè)》圖表查得的統(tǒng)計(jì)參數(shù)特征值計(jì)算。在對(duì)楊灣水庫防洪能力展開復(fù)核時(shí)，還要知曉該河道建設(shè)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信息，并且可以查找相關(guān)文件，知曉年度暴雨平均值(1h)與年最大降雨量(6h)，之后由有關(guān)人員按照相關(guān)規(guī)范順利求取相關(guān)數(shù)值，最終憑借對(duì)模比系數(shù)的求取，以及下述公式知曉具體值，其中模比系數(shù)為暴雨設(shè)計(jì)值(H)與平均值的商值，即HP=H×KP，其余數(shù)值利用(3.1)、(3.2)進(jìn)行計(jì)算：

H3P=H1P·31-n2

(1)

(2)

3.5 洪水設(shè)計(jì)方法

3.5.1 產(chǎn)流

3.5.2 匯流

按《手冊(cè)》公式(3)、(4)列表計(jì)算Qt-t、Qτ-τ對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中：

Qt=0.278F∑ht/t

(3)

(4)

式中：Q為流量；t和τ、L、F、ht為時(shí)間、長(zhǎng)度(主河道)、流域面積以及多時(shí)段凈雨量；M為水庫匯流；J為比降均值。在推算楊灣水庫的匯流特征時(shí)，還應(yīng)當(dāng)依據(jù)第Ⅶ區(qū)對(duì)應(yīng)的關(guān)系式，求出匯流參數(shù)值。

即：

m=0.100(L/J1/3)0.417。計(jì)算后需要圍繞各參數(shù)的分布關(guān)系進(jìn)行繪圖，而后從曲線圖中分析各參數(shù)的相關(guān)性。包括繪制Qt-t、Qτ-τ曲線圖，Qt-t、Qτ-τ對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)，能夠指示具體匯流的時(shí)間點(diǎn)與流量值，此兩個(gè)數(shù)值是Qm地下與τ。其中可以用作“%”記錄轉(zhuǎn)折點(diǎn)數(shù)值。至于洪峰值的求取，可以按Qm地下=R下·F/3.6T計(jì)算，為Qm地下對(duì)應(yīng)的“結(jié)束點(diǎn)”，此時(shí)在了解徑流過程時(shí)，可以利用Qm地下定點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三角形面積推測(cè)變化規(guī)律。經(jīng)過三角形變化情況的分析，能夠推算出200%時(shí)間可以充當(dāng)三角形的底寬數(shù)值，而R下代表的是深度值，T代表底寬(徑流過程線)，以T=9.67W/Qm地面進(jìn)行分析W=0.1h24F(104m3)是屬于24h時(shí)段凈雨量。

徑流過程中，時(shí)段的增減往往伴隨著流量的降低(△t=1h)，降低幅度為△=Qm地下=Qm地下·△t/T式中的T值表示的是底寬。對(duì)于洪峰流量值的計(jì)算可從徑流過程線中進(jìn)行求和分析。

圖1 楊灣設(shè)計(jì)洪水過程線

3.5.3 設(shè)計(jì)洪水成果的選用

本次復(fù)核采用推理公式法分別推求設(shè)計(jì)洪水。本次推理公式法推求的校核洪峰流量較2015年初設(shè)成果偏小，故本次采用2015年初設(shè)的洪水成果。

表3 設(shè)計(jì)洪水成果表

4 調(diào)洪計(jì)算

4.1 水庫泄洪能力與庫容曲線復(fù)核

在此部分中需要匯總泄流變化趨勢(shì)以及庫容量與水位指標(biāo)的關(guān)聯(lián)圖、洪水設(shè)計(jì)值等相關(guān)資料。

1)設(shè)計(jì)洪水過程線：

因本次推理公式法推求的設(shè)計(jì)及校核洪峰流量較2015年初設(shè)成果偏小。故設(shè)計(jì)洪水采用本次復(fù)核的洪水成果復(fù)核，然后與2015年初設(shè)成果進(jìn)行比較選定校核及設(shè)計(jì)洪水位。

2)水位庫容曲線復(fù)核：

本次對(duì)楊灣水庫的水位庫容關(guān)系曲線進(jìn)行了復(fù)核，并與原設(shè)計(jì)資料進(jìn)行了對(duì)比復(fù)核。經(jīng)復(fù)核發(fā)現(xiàn)，與2015年除險(xiǎn)加固成果基本一致，水位庫容關(guān)系曲線詳見表4。

表4 水位-庫容關(guān)系表

3)泄流曲線復(fù)核：

楊灣水庫現(xiàn)有的泄水設(shè)施有溢洪道及輸水涵管。本次復(fù)核的調(diào)洪計(jì)算中，僅考慮溢洪道泄洪。此次調(diào)洪演算起調(diào)水位為正常蓄水位88.9 m。

明渠水流適用條件為：δ/H>10，寬頂堰適用條件為2.5<δ/H<10

其中：δ為堰長(zhǎng)，m；H為堰上水深，m。

由上可知，楊灣水庫溢洪道按寬頂堰水流計(jì)算，堰上水頭及下泄流量關(guān)系表可按SL253-2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》公式(A.2.3)計(jì)算溢流堰的泄流曲線：

(5)

式中：Q為流量，m3/s；B為溢流堰總凈寬，B=10m；m為流量系數(shù)，取m=0.32；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭，H0=H+v2/2g；g為重力加速度，g=9.81m/s2；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)。

根據(jù)上式，可求得堰上水位與溢洪道泄量關(guān)系，然后加上堰頂高程即是相應(yīng)的庫水位，最后得到庫水位與溢洪道泄流量關(guān)系。結(jié)果見表4。

表4 楊灣水庫庫水位-溢洪道泄流量關(guān)系表

4.2 調(diào)洪計(jì)算原則

本次復(fù)核的調(diào)洪計(jì)算中，僅考慮溢洪道泄洪。楊灣水庫溢流壩位于大壩中間偏向左岸，采用溢流壩型式，分三孔溢流，堰面曲線為克奧Ⅰ型，溢流總凈寬18.8m，控制段采用曲線型實(shí)用堰，堰頂高程為88.90m。楊灣水庫洪水調(diào)度規(guī)則為：

1)當(dāng)庫水位低于正常蓄水位88.9m時(shí)，水庫繼續(xù)蓄水。

2)當(dāng)庫水位上升超過正常蓄水位88.9m后，溢洪道按泄流能力自由泄洪。若入庫流量大于溢洪道泄流能力，庫水位繼續(xù)上漲；若入庫流量低于溢洪道泄流能力，庫水位逐漸回落。

3)當(dāng)庫水位回落至正常蓄水位88.9m，溢洪道停止泄洪。

4.3 計(jì)算調(diào)洪

于此階段計(jì)算調(diào)洪時(shí)需要參照下述公式求值：

(6)

式中：對(duì)應(yīng)的△t為計(jì)算時(shí)段；q1、q2與Q1、Q2以及V1、V2數(shù)值分別代表的是計(jì)算時(shí)段內(nèi)的初末下泄流量、入庫流量、庫容量。而庫存與下泄水流量關(guān)系如下：

q=f(H)=f(V)

(7)

通過試算法，聯(lián)解上兩式可求得水庫最高洪水位。

4.4 調(diào)洪演算成效

在復(fù)核中通過各項(xiàng)資料的整理，可以按照洪水頻率變化情況進(jìn)行推演試算，也要參照調(diào)度規(guī)則等有用信息，其中獲取的最終結(jié)果見表5。

表5 楊灣水庫調(diào)洪計(jì)算成果表

《楊灣初設(shè)》中，校核洪水位為92.06m，設(shè)計(jì)洪水位為91.37m，本次復(fù)核的洪水過程線計(jì)算的特征水位小于原初設(shè)成果。依據(jù)SL258-2017《水庫大壩評(píng)價(jià)導(dǎo)則》及《江西省大中型水庫大壩定期安全鑒定實(shí)施辦法》，特征水位采用原初設(shè)成果就，即校核洪水位92.06m，相應(yīng)庫容198.9m3；設(shè)計(jì)洪水位91.37m，相應(yīng)庫容187.9m3[3]。

表6 楊灣水庫調(diào)洪計(jì)算成果對(duì)比表 m

5 水庫大壩抗洪能力復(fù)核

按SL258-2017《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[6]要求，需進(jìn)行大壩抗洪能力復(fù)核。根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[8](SL25-2006)中的規(guī)定分別計(jì)算88.9m起調(diào)水位下需要的壩頂超高，壩頂超高按下式計(jì)算：在風(fēng)速指標(biāo)確定上，可以將其控制在150%年風(fēng)速極限均值。而在非常運(yùn)用條件下，可以假設(shè)其數(shù)值為吹程1000m，在計(jì)算壩頂超高(y)時(shí)，需要以下列公式進(jìn)行求值：y=R+e+A，對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)含義為R、e、A為最大波浪在壩坡上的爬高、風(fēng)壅水面極限高度與安全加高，計(jì)算后得出對(duì)應(yīng)結(jié)果，可對(duì)其進(jìn)行客觀復(fù)核。選值時(shí)，其基礎(chǔ)單位均為“m”

1)平均波高及平均波長(zhǎng)：

根據(jù)規(guī)范SL274-2001，波浪波高h(yuǎn)0.5%楊灣均波長(zhǎng)Lm采用采用莆田實(shí)驗(yàn)站公式：

(8)

2)風(fēng)壅水面高度：

(9)

式中：K為綜合摩阻系數(shù)，K=3.6×10-6；D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，1000m；β為風(fēng)向與水域中線的夾角，β=0°。

3)平均波浪爬高：

(10)

式中：m為斜坡的坡度系數(shù)；取m=1.31K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù)，根據(jù)表A.1.12-1查得K△=0.8；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按表A.1.12-2查得。hm為平均波高，m；Lm為波長(zhǎng)，m；

對(duì)于4級(jí)漿砌石壩，設(shè)計(jì)波浪爬高取累積頻率為0.5%的爬高值R0.5%，即R=R0.5%=1.84Rm。

大壩頂超高計(jì)算結(jié)果和壩頂高程計(jì)算值見表7。

表7 大壩頂高程復(fù)核計(jì)算表

由表7可以看出，楊灣水庫大壩的壩頂高程均能滿足在校核工況下(P=0.5%)及設(shè)計(jì)工況下(P=3.33%)洪水安全運(yùn)行要求，且楊灣水庫壩頂設(shè)有1.0m高的防浪墻，在以上兩種工況下不會(huì)漫壩，均滿足規(guī)范要求。

6 泄洪安全性復(fù)核

楊灣水庫溢流壩位于大壩中間偏向左岸，采用溢流壩型式，分三孔溢流，堰面曲線為克奧Ⅰ型，溢流總凈寬18.8m，控制段采用曲線型實(shí)用堰，堰頂高程為88.90m，采用差動(dòng)式挑流消能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，溢流壩段結(jié)構(gòu)基本完好。

1)經(jīng)復(fù)核，溢洪道能夠安全下泄最大流量。

2)溢流壩位于大壩中間偏向左岸，泄水時(shí)對(duì)大壩無不良影響。

3)下泄洪水時(shí)對(duì)下游河道無影響。

7 結(jié) 論

1)楊灣水庫在的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值符合實(shí)際防洪要求以及相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

2)經(jīng)復(fù)核，本次計(jì)算的特征水位小于原初設(shè)成果，按SL258-2017《水庫大壩評(píng)價(jià)導(dǎo)則》要求，選用原特征水位值。

3)在泄洪復(fù)核上也得出達(dá)標(biāo)結(jié)果。

4)楊灣水庫在調(diào)度作業(yè)上依然存在匹配性，可以提升水庫運(yùn)行安全性。

5)楊灣水庫在復(fù)核后，確定各項(xiàng)參數(shù)均符合實(shí)際設(shè)計(jì)規(guī)定，且按照對(duì)安全等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的分析，認(rèn)定楊灣水庫大壩防洪安全性為A級(jí)。