防洪水庫在山區城市防洪的應用研究

黎華東

(陽朔縣國營水庫工程管理站，廣西 陽朔 541900)

0 引 言

洪水是一種常見的自然災害，通過修建防洪水庫是城市防洪的重要手段，許多學者對此進行了研究[1-4]。郭世興等[5]以陜西王瑤水庫為研究對象，對多泥沙河流水庫的防洪排沙過程進行了闡述和優化。王方方等通過對江西省防洪水庫的調查研究，建立了防洪調度優化模型，有效提升了防洪水庫的滯洪削峰能力。頓曉晗等提出了一種防洪庫容曲線推算方法，評估了水庫防洪風險。然而，傳統防洪水庫常常受到壩址、造價和生態等多方面的限制，如建設成本過高、通過修建防洪水庫進行小流域山洪防洪不切實際等等。考慮到傳統防洪水庫的運作模式，本文提出一種滯洪削峰水庫，對選址范圍要求不高，便于建設，不會對生態環境造成破壞，可以滿足小流域山洪防洪的需要。

本文針對滯洪削峰水庫的防洪機理進行闡述，與傳統防洪水庫進行區分，結合工程實例，對比滯洪削峰水庫與傳統防洪水庫的洪峰削減效果。同時，對滯洪削峰水庫的設計方法和流程進行描述，包括最大安全泄洪流量的確定、泄洪底孔和溢洪道尺寸的選擇和堰頂高程的設計。

1 滯洪削峰水庫

1.1 水庫削減洪峰機理

修建水庫來削減洪峰達到防洪效果，是城市防洪的一種有效手段。洪峰消減機理則基于水量平衡方程：

ΔV=0.5(Q1+Q2)Δt-0.5(q1+q2)Δt

(1)

其中：ΔV為時段內的蓄水變化量，m3；Q1為初始進庫流量，m3/s；Q2為末段進庫流量，m3/s；Δt為該時段持續時間，s；q1為初始出庫流量，m3/s；q2為末段出庫流量，m3/s。

控制入庫流量和出庫流量可以改變水庫蓄水量，通過建設泄洪設施，可以在洪水來臨時限制出庫流量，以達到消減洪峰的目的。防洪水庫的泄洪設施一般為兩種，分別是無壓溢洪道和有壓泄洪底孔。

無壓溢洪道的泄洪能力計算公式如下：

Q1=mB(2g)0.5h1.5

(2)

其中：Q1為堰泄水流量，m3/s；m為無量綱的堰流系數；B為泄洪道的寬度；h為溢洪道高度。

有壓泄洪底孔的泄洪能力計算公式如下：

Q2=μA(2gH)0.5

(3)

其中：Q2為底孔泄水流量，m3/s；μ為無量綱的孔流系數；A為泄洪底孔面積，m2；H為上下游水位差，m。

通過式(2)可知，無壓泄洪道的泄洪能力取決于堰頂水頭大小。當庫水位提高時，能顯著增加下泄能力，不過在洪峰削減方面的作用較為有限。通過式(3)可知，有壓泄洪底孔的泄洪能力取決于H即上下游水位差。當水位提升時，其泄洪能力增加不明顯，但在洪峰削減方面作用較為顯著。因此，結合有壓泄洪底孔的特點，在防洪時可先將無法通過有壓泄洪底孔下泄的洪水引導進水庫，以保證下游水位的泄洪安全。同時，若庫水位超過設計洪水位，通過無壓溢洪道與有壓泄洪底孔聯合泄洪，以保證大壩的安全性。

1.2 滯洪削峰水庫的定義

通過預留防洪庫容來阻蓄洪水是防洪水庫的傳統手段，其單位庫容對洪峰削減的流量通常為0.03～0.38m3/s，因此對防洪水庫庫容的要求較高。

而在實際防洪案例中，山洪通常是由于連續降雨或者暴雨作用導致河道安全泄洪能力無法滿足洪水流量，出現堤防決口或洪水漫頂現象。就防洪工程而言，對于滿足河道安全泄洪的洪水關鍵在于洪峰的削減而不是盡可能減少洪水流量。當存在完全開放的泄洪底孔時，較小的洪水可通過泄洪底孔進行下泄；洪水較大時，泄洪底孔下泄能力會限制泄洪過程，泄洪底孔將從初始的無壓狀態逐漸轉變成有壓狀態，部分未通過泄洪底孔下泄的洪水在水庫中滯蓄。若下游的最大安全泄洪能力等于泄洪底孔下泄的流量，則此時的水位即為水庫設計水位，也是溢洪道的堰頂高程。若庫水位大于設計水位，則壩頂的溢洪道將與泄洪底孔聯合參與泄洪過程，此時下泄流量不再滿足下游安全泄洪要求，在下游河道應進行人員物資轉移，實施避洪預案。當上游流量減少，其水流量小于泄洪底孔的下泄流量，此時水庫中的水將通過泄洪底孔下泄到下流河道中去，水庫水位降低，泄洪底孔的泄洪過程將由有壓狀態轉變為無壓狀態。通過泄洪底孔泄洪從無壓向有壓再到無壓的轉化，即為完成一次削減洪峰過程。為了與傳統水庫進行區別，對上述這種平時不蓄水、開放泄洪底孔的水庫定義為滯洪削峰水庫。在非洪水時期，滯洪削峰水庫可關閉泄洪底孔進行蓄水，對水資源進行利用開發；在主汛期或者有預報暴雨天氣時，需要對水庫進行預先騰空，以滿足防洪需要。

2 滯洪削峰水庫的大壩設計

滯洪削峰水庫由于其水庫平時不進行蓄水，因此水庫庫容相對傳統防洪水庫并不大，但需要在壩底安設泄洪底孔。遇到超過其泄洪標準的洪水，壩頂還需要參與到泄洪過程。因此，在滯洪削峰水庫的設計中，不宜采用土石壩作為壩型，多采用混凝土重力壩或漿砌石重力壩作為滯洪削峰水庫的主要壩型。可結合當地的地質條件就地取材，在保證質量的前提下，從經濟角度選取相應的壩體類型。

2.1 確定最大安全泄洪流量

確定最大安全泄洪流量是建設滯洪削峰水庫的首要目標。若下游河道的泄洪能力不能滿足防洪要求，且受到場地、地形限制，無法對河道進行加固以提高其泄洪能力，而建設傳統防洪水庫又不現實，此時滯洪削峰水庫就成為比較優質的選擇。滯洪削峰水庫的最大安全泄洪流量需通過下游河道的泄洪能力所確定。計算方法主要有河道流量演進法、洪水流量過程線作圖法和等效面積計算法等。

若在滯洪削峰水庫下游出現兩個或多個防洪對象時，需分別計算大壩的安全下泄流量，最小值即為水庫的最大安全泄洪流量。

2.2 泄洪底孔尺寸和溢洪道堰頂高程

泄洪底孔的尺寸選擇以及溢洪道堰頂高程的確定也是滯洪削峰水庫設計的關鍵。為此，首先需要計算水庫的庫容曲線，其次對泄洪底孔的尺寸進行假定，再通過洪水過程線進行推演，以此來計算相應的泄洪底孔尺寸所對應的滯洪庫容。再結合最大下泄流量，對泄洪底孔的尺寸進行確定，再對該泄洪底孔進行復核驗算，確定堰頂高程。此外，在泄洪底孔設計時，應盡可能保證在常發的小洪水防控中，使其不淹沒庫區農田。

2.3 壩頂溢洪道尺寸

考慮到出現超標準洪水情況，若出現超標準洪水，壩頂溢洪道也將結合泄洪底孔參與到泄洪過程，因此溢洪道的設計尺寸也需要進行確定。溢洪道尺寸的確定可參考《防洪標準》(GB 50201-1994)，見表1。

表1 校核洪水標準

滯洪削峰水庫溢洪道尺寸按常規防洪水庫溢洪道的確定方法進行設計。在條件允許時，可通過物理模型試驗對泄洪底孔和溢洪道的下泄水流進行模擬。

3 滯洪削峰水庫與傳統水庫削減洪峰比較

某水庫位于山區，存在山區河流，長期以來，基礎設施如橋梁、護岸等防洪標準較低，特別是老城區的小河流，河道被侵占的問題尤為突出，大多存在較大的防洪排澇問題。本文結合水庫實際滯洪削峰水庫案例，比較兩種水庫削減洪峰流量情況。工程溢洪道堰頂高640m，溢洪道寬10m，泄洪底孔面積5m2，庫容24.5×104m3。傳統水庫與滯洪削峰水庫差距主要在于運作方式上，傳統水庫通常在庫水位不超過溢洪道高度情況下不進行泄洪，而滯洪削峰水庫則是始終保持泄洪底孔打開。

圖1為滯洪削峰水庫與傳統水庫削減洪峰流量的情況。從圖1中可以看出，在洪水流量較小時，傳統水庫起始不泄洪，水庫開始蓄水，流量為零，相對天然流量降低明顯。而滯洪削峰水庫在初期天然流量較小時，未參與防洪，泄洪底孔完全打開且處于無壓狀態，滯洪削峰水庫流量與天然流量保持一致。隨著時間的增長，傳統水庫蓄水高度超過堰頂高度，通過溢洪道開始泄洪，此時泄洪底孔也將打開，傳統水庫調洪后的流量與天然流量差異甚微，在洪峰到來時，經傳統水庫削減，洪峰流量降低7 m3/s，洪峰削減效果不明顯。隨著洪峰的到來，水流量增大，上游流量無法全部通過泄洪底孔流出，滯洪削峰水庫的泄洪底孔由開始時的無壓泄洪狀態逐漸轉變為有壓泄洪狀態，滯洪削峰水庫開始蓄水，隨著蓄水增多，當蓄水高度超過堰頂高度時，溢洪道開始參與泄洪。因此，滯洪削峰水庫在洪峰到來時，通過泄洪底孔壓力狀態的轉化，一部分洪水進入水庫，有效削減了洪峰流。從圖1中也可以看出，在洪峰到來時，滯洪削峰水庫調洪后流量為98m3/s，共削減洪峰流量67m3/s，是傳統水庫洪峰削減效果的近10倍。由于滯洪削峰水庫在溢洪道參與泄洪時，明顯使洪峰滯后，因此還發揮出較大的錯峰效應。

圖1 滯洪削峰水庫與傳統水庫削減洪峰流量比較

此外，由于傳統防洪水庫在運作時，無水流流出，會導致下游的河道阻斷和斷流，使河流的連續性遭到破壞，也會對水生物的遷徙和生存環境造成影響，不利于河流生態的發展。而相對于傳統的防洪水庫，滯洪削峰水庫由于泄洪底孔完全打開，水庫在常規時間不進行蓄水，不會影響到下游河道，既能防洪又不對生態環境造成影響，因此滯洪削峰水庫也是一種生態水庫。

4 有限元計算分析

4.1 滯洪削峰水庫模型建立

通過有限元軟件建立水庫模型，研究滯洪削峰水庫滯洪流量和倒灌流量之間的關系。模型河道長度設置為95km，基本囊括水庫上下游區域。為在保證計算精度的前提下兼顧計算效率，在模型劃分網格時對水庫周邊進行局部加密處理，共劃分出312 054個有限元網格。有限元網格模型見圖2。

圖2 有限元網格模型

模型邊界條件有兩種，分別為開邊界條件和閉邊界條件。河流兩岸邊界條件為閉邊界條件，其法向流量為零。上下游徑向為開邊界條件，上游的邊界條件通過流量進行控制，下游邊界條件通過水位進行控制。初始條件設置為冷啟動，即設定初始水位，將初始流速場設置為零流速場。水流通過運動方程進行計算和控制。

4.2 結果討論

圖3為滯洪量與倒灌流量過程曲線。

圖3 滯洪量與倒灌流量過程曲線

可以發現，在初始階段水流較小，滯洪削峰水庫泄洪底孔完全打開未進行滯洪，因此滯洪量與倒灌流量均為零。隨著流量的增加，水庫開始逐漸發揮滯洪作用，滯洪量開始增加，而此時的倒灌流量急劇增加，洪峰到達時，倒灌流量也達到峰值，而水庫的滯洪量處在上升階段。洪峰過后，水庫滯洪量達到峰值，溢洪道開始參與泄洪，此時的泄洪能力最大，倒灌流量出現減小。滯洪量達到峰值時，倒灌流量呈現下降趨勢。后隨著洪峰遠離，流量減小，倒灌流量呈現負值，表示從流入轉變為流出，之后滯洪量和倒灌流量開始逐漸回歸到正常值。

5 結 論

本文闡述了滯洪削峰水庫的防洪機理，對滯洪削峰水庫的設計方法和流程進行了描述。結合水庫工程實例，對比防洪水庫滯洪削峰模式與傳統泄洪模式的防洪效果。結論如下：

1)滯洪削峰水庫調洪后流量為98m3/s，共削減洪峰流量67m3/s，是傳統水庫洪峰削減效果的10倍。此外，滯洪削峰水庫發揮出較大的錯峰效應。

2)滯洪削峰水庫由于泄洪底孔完全打開，水庫在常規時間不進行蓄水，不影響下游河道，既能防洪又不會對生態環境造成影響，是一種生態水庫。

3)滯洪削峰水庫庫容要求小于常規防洪水庫，對選址范圍要求不高，建設更為便利。

4)有限元結果表明，洪峰到達時，倒灌流量也達到峰值，水庫滯洪量處在上升階段。隨著洪峰遠離，倒灌流量從流入轉變為流出，之后逐漸恢復平穩。