水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中洪水推求分析及運(yùn)用

席 鵬，黃陽(yáng)杰，包宵波

（浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310000）

1 前言

現(xiàn)有部分水庫(kù)建設(shè)年代已久,由于早期基礎(chǔ)條件匱乏,部分工程無(wú)配套的相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)施、設(shè)備及水文監(jiān)測(cè)設(shè)施,因此部分工程缺少相關(guān)雨量雨情等實(shí)測(cè)水文資料。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、時(shí)代進(jìn)步,加之工程年久失修,部分水庫(kù)已無(wú)法滿足現(xiàn)有運(yùn)行觀測(cè)需求且存在諸多安全隱患,已不能安全運(yùn)行,工程不僅不能發(fā)揮很好的效益,而且對(duì)其下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全威脅很大,因此需要對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固以滿足相關(guān)需求。在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中,如若缺乏相關(guān)水庫(kù)水文資料,是無(wú)法確定相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的洪水位及壩頂高程。因此本文以程家垅水庫(kù)為例,針對(duì)流域內(nèi)無(wú)水文測(cè)站、缺少入庫(kù)實(shí)測(cè)洪峰流量、暴雨資料等的情況下,如何推求設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析。

2 工程概況

2.1 流域概況

程家垅水庫(kù)位于江西省南昌市安義縣喬樂(lè)鄉(xiāng)馬溪村,距安義縣城約25 km。壩址控制流域面積0.25 km2,主河長(zhǎng)0.73 km,河床平均坡降51.167‰,水庫(kù)總庫(kù)容13.55萬(wàn)m3,灌溉面積230畝,是一座以灌溉為主的小（2）型水庫(kù)。

2.2 氣象特征

流域內(nèi)氣候溫和、雨量豐沛、四季分明,為冬冷、春寒、秋干氣候。據(jù)安義縣氣象站統(tǒng)計(jì)：歷年平均氣溫17.1℃,歷年極端最高氣溫40.3℃,極端最低氣溫-15.2℃,多年平均相對(duì)濕度80%,最小相對(duì)濕度為4%,多年平均風(fēng)速2.6 m/s,最大風(fēng)速19.7 m/s,年最大風(fēng)速多年平均值為13.2 m/s,多年平均日照小時(shí)數(shù)1853 h,多年平均無(wú)霜期257 d。

2.3 水文資料

距離壩址25 km處有安義縣氣象站,距離31 km處有潦河控制水文站萬(wàn)家埠站,前者具1959 年至今的歷年最大1日及最大24小時(shí)雨量,1998年至今的3小時(shí)及6小時(shí)時(shí)段降雨量,而后者具1955年至今的1小時(shí)、3小時(shí)、6小時(shí)及24小時(shí)完整的時(shí)段雨量。兩站歷年最大24小時(shí)時(shí)段雨量相差較小,控制在±10%以內(nèi),資料精度可靠,可用作實(shí)測(cè)雨量資料作為本次設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 設(shè)計(jì)暴雨

3.1 暴雨洪水特性

水庫(kù)汛期開(kāi)始較早,一般從3月～4月即有暴雨出現(xiàn),5月～7月大雨連綿不斷,尤其是6月份暴雨出現(xiàn)機(jī)會(huì)較多。以萬(wàn)家埠站1955年～2003年共49年資料統(tǒng)計(jì),歷年實(shí)測(cè)最大24小時(shí)暴雨出現(xiàn)在6月份有19次,占39%；7月份出現(xiàn)有7次占14%；5月份出現(xiàn)11次占22%。暴雨最早發(fā)生時(shí)間為1959年4月22日,最遲出現(xiàn)為1983年10月5日。歷年最大24小時(shí)暴雨最大值為294.3 mm（1955年6月21日）。本流域洪水由暴雨形成,發(fā)生時(shí)間與暴雨相應(yīng),年最大洪水出現(xiàn)在5月～7月,以6月份居多。程家垅水庫(kù)集雨面積較小,主河道較短,匯流迅速,洪水陡漲陡落,一次洪水歷時(shí)18 h～24 h。

3.2 設(shè)計(jì)暴雨復(fù)核

由于本流域無(wú)實(shí)測(cè)水文資料,因此,將采用暴雨途徑推求壩址設(shè)計(jì)洪水。水庫(kù)流域設(shè)計(jì)暴雨分別采用當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)暴雨系列推求和地區(qū)綜合法推求[1],經(jīng)比較分析后最終確定采用成果用于推求壩址設(shè)計(jì)洪水。

3.2.1 由實(shí)測(cè)資料推求設(shè)計(jì)暴雨

本次采用安義縣氣象站,萬(wàn)家埠水文站的雨量觀測(cè)資料用于分析當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)暴雨參數(shù)。根據(jù)各個(gè)雨量觀測(cè)站的實(shí)測(cè)暴雨量,按年最大值選樣法分別選取最大1 h、6 h、24 h時(shí)段降水量,分別組成暴雨系列進(jìn)行頻率計(jì)算,按P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線,確定各站實(shí)測(cè)暴雨均值、各設(shè)計(jì)頻率設(shè)計(jì)暴雨量和CV值,其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 流域各時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)表

3.2.2 由《江西省暴雨洪水查算手冊(cè)》推求設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)《江西省暴雨洪水查算手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱手冊(cè)）中的H1、H6、H24的平均值及相應(yīng)的CV等值線圖,取CS=3.5 CV,求得流域中心的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨見(jiàn)表1。

3.2.3 設(shè)計(jì)暴雨成果分析

本次兩種方法推求的各時(shí)段頻率設(shè)計(jì)暴雨成果見(jiàn)圖1及表1、表2。從表中可以看出：安義縣氣象站及萬(wàn)家埠站各時(shí)段暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)基本小于《手冊(cè)》查算的成果,考慮《手冊(cè)》成果綜合反映了本流域內(nèi)外的地形和暴雨特性等因素,其各時(shí)段暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)相對(duì)較合理,從水庫(kù)防洪保安角度出發(fā),本次設(shè)計(jì)取用《手冊(cè)》法[2]推求的設(shè)計(jì)暴雨法作為推求設(shè)計(jì)洪水的依據(jù)。程家垅水庫(kù)各時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨成果見(jiàn)表2。

表2 查手冊(cè)法各頻率設(shè)計(jì)暴雨成果表 單位：mm

圖1 萬(wàn)家埠水文站24小時(shí)暴雨頻率曲線圖

4 設(shè)計(jì)洪水

4.1 流域參數(shù)復(fù)核

本次采用萬(wàn)分之一地形圖對(duì)水庫(kù)壩址以上集水面積[3],主河長(zhǎng)及平均比降進(jìn)行復(fù)核。復(fù)核成果見(jiàn)表3。

表3 程家垅水庫(kù)流域特征參數(shù)復(fù)核成果表

4.2 歷史洪水

水庫(kù)流域?qū)俚蜕角鹆甑孛?總體地勢(shì)較平緩,但當(dāng)?shù)厝罕妼?duì)大洪水沒(méi)有印象,當(dāng)?shù)匚墨I(xiàn)也無(wú)歷史洪水記載,從水庫(kù)運(yùn)行以來(lái),以1975年、1998年洪水較大,但也屬常規(guī)洪水。

4.3 由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

程家垅水庫(kù)無(wú)實(shí)測(cè)流量資料[4],設(shè)計(jì)洪水根據(jù)《手冊(cè)》使用說(shuō)明,對(duì)于集雨面積小于50 km2大于30 km2的流域,推薦采用推理公式法及瞬時(shí)單位線法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水,而小于30 km2推薦采用推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水,所以本次設(shè)計(jì)只采用推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水。

由產(chǎn)流分區(qū)圖可知,該工程在第Ⅷ區(qū),流域最大蓄水量IM=110 mm,前期土壤含水量Pa=80 mm。根據(jù)《手冊(cè)》推薦的以1 h為時(shí)段的暴雨雨型進(jìn)行暴雨時(shí)程分配。程家垅水庫(kù)在推理公式分區(qū)圖中屬Ⅷ區(qū),地面徑流過(guò)程按推理公式法推求[5]：

即：Qτ=（0.278θ/mτ）

匯流參數(shù)：m=0.121θ0.434=0.345

洪水總量：W=0.1 h·F

洪水線歷時(shí)：T=9.67W/Qm

式中：h為地面凈雨,據(jù)手冊(cè)查算；τ為匯流時(shí)間,s；F為流域面積,m2；Q流量m3/s；L為主河長(zhǎng),m；J為河道平均坡降；m為匯流參數(shù)。

地下洪峰流量按QM地下=RF·F /3.6 T,地下徑流過(guò)程采用以QM地下為頂點(diǎn)的等腰三角形,底寬為二倍的地面徑流過(guò)程時(shí)間,RF為地下徑流深；T為地面徑流過(guò)程底寬,設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線為五點(diǎn)概化。推理公式法推求程家垅水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表4及圖2。

表4 程家垅水庫(kù)推理公式法計(jì)算洪水成果表

圖2 水庫(kù)洪水過(guò)程線

5 成果分析

為檢驗(yàn)本次設(shè)計(jì)洪水成果的合理性,將水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果與相近流域集雨面積在50 km2以下的已建水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行比較分析[6],可以看出本工程洪峰模數(shù)在合理范圍內(nèi),本次設(shè)計(jì)洪水成果合理可行,具體比較成果見(jiàn)表5。

表5 洪峰模數(shù)比較成果表

6 結(jié)論

在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中,缺乏相關(guān)水庫(kù)水文資料,無(wú)法確定相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的洪水位及壩頂高程。本文以程家垅水庫(kù)為例,針對(duì)流域內(nèi)無(wú)水文測(cè)站、缺少入庫(kù)實(shí)測(cè)洪峰流量、暴雨資料等的情況下推求設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水及結(jié)果進(jìn)行合理性分析。結(jié)果表明對(duì)于集雨面積小于30 km2、流域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)水文資料的水庫(kù)工程,可先采用《手冊(cè)》法查算成果,推求出設(shè)計(jì)暴雨,再以此為依據(jù),采用推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水。經(jīng)過(guò)成果分析,設(shè)計(jì)洪水成果合理,該方法可行,可進(jìn)行應(yīng)用推廣。研究結(jié)果可為類似工程建設(shè)及運(yùn)用提供參考。