高州市泗水鎮(zhèn)龍膽塘水庫(kù)防洪能力復(fù)核分析

周子宜

（廣東河海工程咨詢有限公司,廣東 茂名 525000）

1 引言

1991 年《水庫(kù)大壩安全管理?xiàng)l例》公布，要求大壩主管部門建立定期安全檢查與鑒定制度；水利部在《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》中進(jìn)一步規(guī)定，大壩應(yīng)定期進(jìn)行安全鑒定，首次鑒定在竣工驗(yàn)收后5 年內(nèi)進(jìn)行，以后每隔6 年～10 年進(jìn)行一次。

高州市泗水鎮(zhèn)龍膽塘水庫(kù)興建于1973 年4 月,距今已運(yùn)行近五十年,因此對(duì)龍膽塘水庫(kù)進(jìn)行安全鑒定顯得十分必要。其中,防洪是水庫(kù)所承擔(dān)的一項(xiàng)重要功能,在水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中由于各種因素,如淤沙沉積、風(fēng)浪沖刷等會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)防洪能力下降,因而,當(dāng)洪水來(lái)臨時(shí),水庫(kù)無(wú)法發(fā)揮防洪效能,下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全得不到充分保證[1-3]。

2 工程概況

龍膽塘水庫(kù)是一座小（1）型水庫(kù),位于廣東省高州市泗水鎮(zhèn)境內(nèi),屬于鑒江流域袂花江支流小東江泗水河的上游。水庫(kù)總庫(kù)容為110.64 萬(wàn)m3,主要任務(wù)防洪和農(nóng)業(yè)灌溉,同時(shí)兼顧供水和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。水庫(kù)樞紐由主壩、副壩、溢洪道、輸水涵管和管理房屋等建筑物組成,大壩為均質(zhì)土壩,最大壩高約10.5 m。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）規(guī)定,水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,校核洪水位為300 年一遇。

3 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

龍膽塘水庫(kù)采用綜合單位線法與推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量。首先,根據(jù)流域參數(shù)和關(guān)系曲線圖推求綜合單位線滯時(shí)和推理公式匯流參數(shù),利用兩種方法分別計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量,比較后檢查推求的綜合單位線滯時(shí)和推理公式匯流參數(shù)是否合理,并根據(jù)它們對(duì)設(shè)計(jì)洪峰流量的影響,在允許范圍內(nèi)進(jìn)行合理調(diào)整。必要時(shí),還可以重新選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)因次單位線,以確保兩種方法計(jì)算得到的設(shè)計(jì)洪峰流量相差不超過(guò)20%。兩種設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算公式分別如下：

（1）綜合單位線法

根據(jù)廣東省綜合單位線法Ⅱ號(hào)無(wú)因次單位線,得到計(jì)算單位線上漲歷時(shí)以及縱橫坐標(biāo)如下：

式中：tp為上漲歷時(shí)；m1為綜合單位線滯時(shí)；Δt 為時(shí)間間隔,h；K 為無(wú)因次單位線的一階原點(diǎn)矩；ui、xi為無(wú)因次單位線的縱橫坐標(biāo)；qi、ti為時(shí)段單位線的縱橫坐標(biāo)；W=F/3.6,相當(dāng)于1 mm 的凈雨所形成的時(shí)段單位的總洪量；F 為集水面積,km2。

（2）推理公式法

2012年后，阿4段高達(dá)75%的措施有效率引起地質(zhì)研究人員的重視。他們通過(guò)地震資料精細(xì)解釋及實(shí)鉆資料分析，首次發(fā)現(xiàn)并刻畫出阿4段河道砂巖性油氣藏，并陸續(xù)部署DK32X、DK33H、DK35H、DK37H等井，均實(shí)現(xiàn)良好建產(chǎn)。截至2018年10月初，阿4段河道砂巖性油氣藏日產(chǎn)油27.8噸，占該油田日產(chǎn)量的42%，已累計(jì)產(chǎn)油4.27萬(wàn)噸，累計(jì)產(chǎn)氣0.47億立方米。

使用下列兩公式聯(lián)合求解：

式中：Qm為斷面設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；Sp為暴雨雨力,mm/h；T 為匯流歷時(shí),h；np 為相應(yīng)于設(shè)計(jì)頻率P 的暴雨遞減指數(shù)；f 為平均損失率,mm/h；L 為干流河長(zhǎng),km；M 為流域匯流參數(shù)；J 為河道平均坡降。

3.2 產(chǎn)流和匯流參數(shù)

根據(jù)相關(guān)資料查得龍膽塘水庫(kù)流域暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 龍膽塘水庫(kù)流域暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)表

根據(jù) 1∶10000 地形圖計(jì)算有關(guān)的地理參數(shù),河道平均坡降J 采用加權(quán)平均法計(jì)算以及流域特征參數(shù)θ與流域匯流參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Z0、Z1、Z2……Zn為河口至上游分水嶺河道的特征點(diǎn)高程,m；L1、L2、L3……Ln為河口至上游河道的相應(yīng)河長(zhǎng),km；L 為總河長(zhǎng),km。

根據(jù)相關(guān)資料,龍膽塘水庫(kù)壩址以上集雨面積為2.03 km2,總河長(zhǎng)為2.66 km,平均坡降為0.026。龍膽塘水庫(kù)區(qū)域產(chǎn)、匯流參數(shù)見表2。

表2 龍膽塘水庫(kù)流域產(chǎn)、匯流參數(shù)表

3.3 洪水成果

依據(jù)上述確定的水庫(kù)暴雨參數(shù)、產(chǎn)匯流參數(shù),分別推求龍膽塘水庫(kù)各頻率設(shè)計(jì)洪水,計(jì)算成果見表3。由表可知,綜合單位線法和推理公式法計(jì)算的洪峰流量差異均不超過(guò)20%。據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表使用說(shuō)明》：在參數(shù)合理調(diào)整的前提下,兩種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量相差不超過(guò)20%時(shí),應(yīng)選擇綜合單位線法計(jì)算得到的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果。

表3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

4 水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算

4.1 起調(diào)水位

龍膽塘水庫(kù)溢洪道為開敞式溢洪道,泄洪方式為自由敞泄,溢流面寬度10 m,以溢洪道堰頂高程62.48 m 作為起調(diào)水位。

4.2 調(diào)洪計(jì)算方法

根據(jù)求得的設(shè)計(jì)洪水,在實(shí)測(cè)龍膽塘水庫(kù)水位～庫(kù)容關(guān)系、水位～下泄流量關(guān)系的基礎(chǔ)上,根據(jù)水量平衡原理進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下：

式中：V1、V2為時(shí)段初、時(shí)段末水庫(kù)蓄水量,m3；Q1、Q2為時(shí)段初、時(shí)段末入庫(kù)流量,m3/s；q1、q2為時(shí)段初、時(shí)段末出庫(kù)流量,m3/s；Δt 為水庫(kù)調(diào)洪時(shí)段,h。

4.3 水庫(kù)水位～庫(kù)容與水位～下泄流量關(guān)系

通過(guò)庫(kù)區(qū)地形圖重新計(jì)算水庫(kù)水位～庫(kù)容曲線,見表4。

表4 龍膽塘水庫(kù)水位～庫(kù)容關(guān)系表

溢洪道寬度為7 m,為寬頂堰,堰頂高程為62.48 m,可按照堰流公式推求水位～下泄流量關(guān)系：

式中：Q 為流量,m3/s；ε 為側(cè)收縮系數(shù)；m 為流量系數(shù),取 0.36；b 為溢流堰過(guò)水凈寬,m；g 為重力加速度,m/s2；H0為堰上水頭,m。

計(jì)算得到龍膽塘水庫(kù)溢洪道水位～泄量關(guān)系見表5。

表5 龍膽塘水庫(kù)溢洪道水位～泄量關(guān)系表

4.4 水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果

根據(jù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果、水庫(kù)水位～庫(kù)容、下泄流量關(guān)系曲線,采用水量平衡原理對(duì)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算,水庫(kù)調(diào)洪成果見表6。

表6 龍膽塘水庫(kù)調(diào)洪演算成果表

龍膽塘水庫(kù)本次復(fù)核的特征水位和庫(kù)容指標(biāo)分別為：設(shè)計(jì)洪水位（P=3.33%）64.03 m,相應(yīng)庫(kù)容94.37 萬(wàn)m3；校核洪水位（P=0.333%）64.76 m,相應(yīng)庫(kù)容110.64 萬(wàn)m3。

5 大壩抗洪能力復(fù)核

5.1 壩頂超高計(jì)算

龍膽塘水庫(kù)大壩工程等級(jí)為4 級(jí),根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013）,壩頂在水庫(kù)靜水位以上的超高按下式確定：

式中：Y 為壩頂超高,m；R 為波浪最大爬高,m；A為安全加高,m,對(duì)于4、5 級(jí)壩,設(shè)計(jì)工況取0.5 m,校核工況取0.3 m。

5.2 計(jì)算參數(shù)的選取

（1）風(fēng)速。《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013）,正常運(yùn)用條件下,應(yīng)采用多年平均最大風(fēng)速的1.5 倍進(jìn)行設(shè)計(jì),而非常運(yùn)用條件下則采用多年平均最大風(fēng)速。由于庫(kù)區(qū)沒有實(shí)測(cè)氣象資料,所以采用了高州市多年平均年最大風(fēng)速為15 m/s 作為基準(zhǔn)值。在正常運(yùn)用條件下,設(shè)計(jì)應(yīng)采用22.5 m/s 的風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算；而在非常運(yùn)用條件下,則應(yīng)采用15 m/s 的風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算。

（2）吹程為400 m。

（3）水域平均深度。設(shè)計(jì)水位條件下,水庫(kù)靜水位64.03 m,水域平均深度 6.06 m；校核水位條件下,水庫(kù)靜水位64.76 m,水域平均深度 6.79 m；正常水位條件下,水庫(kù)靜水位 62.48 m,水域平均深度 4.51 m。

（4）波浪爬高。根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013）,對(duì)于4、5 級(jí)壩,應(yīng)先計(jì)算平均波浪爬高值Rm,再根據(jù)平均波高h(yuǎn)m與壩前迎水面水深H 的比值（hm/H）,查得Rp/Rm比值,從而求得累計(jì)頻率爬高值Rp。龍膽塘水庫(kù)按正向來(lái)波單坡考慮,迎水坡坡度m 為2.15,平均波浪爬高Rm按下式計(jì)算：

式中：KΔ為斜坡糙率滲透性系數(shù),對(duì)于干砌塊石護(hù)面取0.75；Kw為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Lm為平均波長(zhǎng),m。平均波高h(yuǎn)m、平均波長(zhǎng)Lm采用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算。

5.3 壩頂高程復(fù)核結(jié)論

壩頂高程應(yīng)考慮不同運(yùn)行工況的影響,根據(jù)不同運(yùn)行工況計(jì)算壩頂高程,并選取計(jì)算結(jié)果中的最大值,計(jì)算結(jié)果見表7。高州市所在地區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度,地震安全加高值取0.5 m。

表7 大壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果

由表7 可知,對(duì)水庫(kù)主壩三種工況進(jìn)行壩頂高程復(fù)核,水庫(kù)設(shè)計(jì)工況時(shí),壩頂高程為65.43 m,校核工況時(shí),壩頂高程為65.57 m,地震工況時(shí),壩頂高程為63.51 m。取現(xiàn)狀壩頂最低的副壩進(jìn)行比較,副壩壩頂高程為65.38 m,防浪墻頂高程為 65.58 m。經(jīng)比較可知,防浪墻頂高程均高于計(jì)算壩頂高程,各工況靜水位均低于現(xiàn)狀壩頂高程,故壩頂高程滿足規(guī)范要求。

5.4 泄洪安全性復(fù)核

5.4.1 泄洪能力復(fù)核

龍膽塘水庫(kù)溢洪道凈寬7.0 m,堰頂高程62.48 m,控制段及泄槽段兩側(cè)邊墻均為混凝土擋墻,擋墻凈高約2.2 m。岸墻墻頂高程為65.49 m。經(jīng)調(diào)洪演算,水庫(kù)最大下泄流量為38.6 m3/s,溢洪道堰上水頭2.28 m,相應(yīng)庫(kù)水位為64.76 m,岸墻墻頂高程滿足校核洪水位+0.3 m 安全加高的要求,因此溢洪道泄洪能力滿足規(guī)范要求。

5.4.2 泄槽過(guò)流能力復(fù)核

泄槽總長(zhǎng)約90 m,其中緩坡段長(zhǎng)約47 m,縱坡為0.01；陡坡段長(zhǎng)約43 m,縱坡為0.2。槽身為等寬矩形斷面,寬度7.0 m。槽身糙率n=0.02。根據(jù)校核洪峰流量,通過(guò)水面線計(jì)算確定溢洪道邊墻高程,為采用計(jì)算的水面線加上0.5 m 的安全超高。在陡坡段上游設(shè)置寬頂堰,計(jì)算水面線時(shí),起始斷面應(yīng)定在陡坡段的起始位置,水深應(yīng)采用陡坡段起始斷面的臨界水深。經(jīng)計(jì)算,溢洪道泄水槽在最大泄量38.6 m3/s 時(shí),水面線計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 溢洪道水面線計(jì)算成果表

由表8 可知：計(jì)算所需墻高為1.50 m～1.93 m,現(xiàn)狀墻高為2.20 m,泄槽滿足規(guī)范要求。因此溢洪道可以安全通過(guò)最大泄量。

6 結(jié)論

高州市泗水鎮(zhèn)龍膽塘水庫(kù)經(jīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核,其防洪標(biāo)準(zhǔn)與復(fù)核前保持一致,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,為67.8 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 年一遇,為101 m3/s；龍膽塘水庫(kù)洪水防洪調(diào)度為自由敞泄,符合小型水庫(kù)的特點(diǎn),且滿足大壩安全運(yùn)行的要求；龍膽塘水庫(kù)大壩現(xiàn)有壩頂高程滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求；龍膽塘水庫(kù)溢洪道泄槽側(cè)墻高程滿足泄洪要求,泄洪能力滿足規(guī)范要求。綜上所述,根據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 258-2017）,大壩防洪安全性為B 級(jí)。