淤地坝除险加固中溢洪道调洪计算有关问题探讨

王志坚，曹文洪

(1.山西省水土保持科学研究所，山西 太原030013； 2.水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京100048)

淤地坝除险加固中溢洪道调洪计算有关问题探讨

王志坚1，曹文洪2

(1.山西省水土保持科学研究所，山西 太原030013； 2.水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京100048)

水土保持；淤地坝；除险加固；调洪计算；山西

淤地坝除险加固是确保工程安全和人民生命财产安全的重要措施，增设溢洪道是淤地坝除险加固的主要建设内容。根据大中型淤地坝在坝系中的位置，科学合理地确定各坝的防洪标准，做好洪水组合和调洪计算，是溢洪道设计中的关键技术问题。结合山西省在淤地坝除险加固设计中的实际处理方案，按单坝和坝系2种情况讨论防洪标准，按单坝、设计坝上游串联一座淤地坝和并联几座淤地坝3种情况分析洪水组合，根据不同的淤积高程进行了调洪计算，还提出了建立坝系水动力学洪水演进模型，通过模型试验完善坝系洪水组合和溢洪道设计理论的技术思路。

根据水利部《关于开展中型以上病险淤地坝认定和除险加固初步设计工作的通知》要求，经核查山西省中型以上病险淤地坝分布涉及9市48县，共有1 020座，其中骨干坝729座、中型坝291座。在这些病险淤地坝中，枢纽组成为大坝和放水建筑物“两大件”、无泄洪设施、需要增设溢洪道的有941座，占总数的92.3%，因此增设溢洪道是此次除险加固工程的主要建设内容。同时，这些淤地坝中既有单独支沟内的淤地坝工程，又有小流域坝系工程，既有拦泥量尚未达到设计淤积高程的淤地坝工程，又有拦泥量已超过设计淤积高程、加坝条件不具备或不经济的淤地坝工程。本研究结合山西省淤地坝除险加固工作遇到的实际问题，就如何科学合理地确定各坝的防洪标准，实现坝系洪水组合和调洪计算进行了探讨。

1 除险加固设计标准

淤地坝设计标准是根据建筑物级别来确定的。以前建设的淤地坝基本都按单坝考虑，设计标准依据库容而定：库容在100万m3以上的骨干坝，主要建筑物级别按1级设计，防洪标准按30年一遇洪水设计、300年一遇洪水校核；库容在50万～100万m3的骨干坝，主要建筑物级别按2级设计，防洪标准按20年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核；库容在10万～50万m3的中型淤地坝，主要建筑物级别按3级设计，防洪标准按20年一遇洪水设计、50年一遇洪水校核。

1.1 单独支沟的淤地坝

除险加固设计中，对在单独支沟中建设的骨干坝，仍按上述设计标准进行除险加固，符合有关规范和政策要求的，可以保持原有设计标准，但对下游有重要设施的淤地坝，根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)中 “失事后损失巨大或影响十分严重的淤地坝工程2级、3级主要永久性水工建筑物，经过论证，可提高一级”的要求，其设计标准应提高到1级、2级。对在单独支沟中建设的中型淤地坝，根据水利部《关于进一步加强淤地坝等水土保持拦挡工程建设管理和安全运行的若干意见》(水保〔2010〕455号)的要求，“在骨干坝控制区域外，一般不得建设中型淤地坝，确需建设的，必须按骨干坝标准进行设计，以提高工程建设标准”，主要建筑物级别应按2级设计，防洪标准相应提高到20年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核。

1.2 坝系中的淤地坝

对坝系工程中需要进行除险加固的中型以上病险淤地坝，设计标准不仅应符合上述原则，而且应根据大中型淤地坝在坝系中的位置，考虑与其相关的淤地坝设计标准。从安全角度考虑，在坝系中，如果有部分骨干坝主要建筑物级别按1级设计，防洪标准按30年一遇洪水设计、300年一遇洪水校核，那么在其影响范围内的大中型淤地坝均应按此标准进行设计。否则，一旦发生校核洪水，这些串联在按1级标准设计的骨干坝之间的中型淤地坝及按2级标准设计的骨干坝，将会有溃坝的可能。从洪水组合和调洪计算来看，不同设计标准的洪水，在调洪计算时很难进行洪水组合，也不符合假设全流域降水一致的前提条件。因此，在坝系中，如有部分骨干坝主要建筑物级别按1级标准设计，那么与其相关的按3级标准设计的中型淤地坝和按2级标准设计的骨干坝防洪标准均应提高到30年一遇洪水设计、300年一遇洪水校核。对与按2级标准设计的骨干坝有关的按3级标准设计的中型淤地坝，其防洪标准应按20年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核。但对位于支沟最上游、其下游有骨干坝的中型淤地坝，因在其下游骨干坝设计中已考虑上游流域的整个面积，在该中型淤地坝除险加固时，仍可按3级标准设计，其防洪标准按20年一遇洪水设计、50年一遇洪水校核。这就是说，除险加固时，根据大中型淤地坝在坝系中的位置，按1级标准设计的骨干坝，其设计标准不变；按2级标准设计的骨干坝，有可能按2级标准设计，也可能要提高到1级标准设计；按3级标准设计的中型坝，有可能要提高到2级标准设计，也可能要提高到1级标准设计。

2 坝系洪水组合

坝系洪水组合是坝系调洪计算的关键，也是确定工程规模、控制工程投资的重要依据。由于过去大中型淤地坝的建设思路是以足够库容拦蓄暴雨洪水，即设计标准内的洪水全拦全蓄，枢纽组成多为“两大件”，个别骨干坝就算按“三大件”布设，其溢洪道设计也没有按坝系全面考虑洪水组合，因此目前在有关淤地坝的国标、行标和省标中，还没有按坝系工程系统考虑处于不同位置的大中型淤地坝的洪水组合。

坝系中，当上游淤地坝泄洪后，下游相邻的大中型淤地坝的洪水组合就是区间洪量和上游坝下泄洪量的和，因此除险加固时对坝系中的每座大中型淤地坝应采取自上而下的办法，逐坝进行洪水组合和调洪计算。根据大中型淤地坝在沟道坝系中的位置，除险加固时洪水计算可按下面三种情况考虑。

2.1 单坝计算

对位于支沟上游，拟除险加固的骨干坝上游仅有中型坝的，若中型坝按3级建筑物设计，则该骨干坝除险加固设计时可不考虑上游中型坝的洪水组合，按其上游总面积进行单坝计算；若中型坝下游有重要设施，设计标准已提高到骨干坝的设计标准，则其下游骨干坝按串联坝进行洪水组合计算。对单独支沟中按3级建筑物设计的中型坝，除险加固按2级建筑物设计标准进行单坝设计。

根据《淤地坝工程技术规范》(晋Q 834—85)，洪峰流量、洪水总量计算公式分别为

QP=C1H24PF2/3

(1)

式中：QP为洪峰流量，m3/s；C1为洪峰地理参数；F为产流面积，km2；H24P为24 h暴雨量，mm。

WP=KRPF

(2)

式中：WP为洪水总量，万m3；K为小面积洪水折减系数；RP为设计暴雨的一次洪水模数，万m3/km2；其他符号意义同上。

2.2 设计坝上游串联一座淤地坝泄洪时

设计坝上游串联一座淤地坝泄洪时，组合洪峰流量计算公式为

(3)

组合洪水总量计算公式为

(4)

式中：WP调为经上游坝调节后的洪水总量，万m3；WP未为未经上游坝调节的洪水总量，万m3；F为设计坝的总产流面积，km2；f区为区间产流面积，km2；W1为上游坝达到最大下泄流量时的泄洪总量，万m3。

2.3 设计坝上游并联几座淤地坝泄洪时

设计坝上游并联m座淤地坝泄洪时，组合洪峰流量的计算公式为

(5)

组合洪水总量计算公式为

(6)

式中：F为设计坝的总产流面积，km2；W1为上游1号坝达到最大下泄流量时的泄洪总量，万m3；W2为上游2号坝达到最大下泄流量时的泄洪总量，万m3；Wm为上游m号坝达到最大下泄流量时的泄洪总量，万m3；其他符号意义同上。

3 坝系调洪计算

除险加固时，现有坝高、库容已定，滞洪坝高就是溢流堰堰上的最大过水深度。在洪水组合确定的情况下，由此反推溢洪道起调水位(即溢流堰的底坎高程)、底宽、最大过水深度和下泄流量是调洪计算要解决的问题。这一过程往往需要进行几次试算，而且要完全吻合，计算量也比较大，因此在进行除险加固设计时，允许除险加固后库容与原有库容有少许误差，通常这一误差不超过0.5万m3，这对安全超高的影响很小，一般不会超过10 cm。调洪计算按两种情况考虑。

3.1 溢流堰底坎高程高于或等于现有淤积高程时

需要除险加固的大多数淤地坝，在现有淤积高程或淤积高程以上进行调洪计算时剩余库容能够满足滞洪要求，即使不能满足滞洪要求，也具备坝体加高条件，此时可采用以下公式进行调洪计算。

3.1.1 粗调计算

先假定不同的溢流堰底坎高程作为起调水位，进行粗调。经过粗调计算，拟定溢流堰底坎高程和底宽。粗调采用的计算公式为

qP=QP组(1-Vt/WP组)

(7)

qP=MBh3/2

(8)

式中：qP为溢洪道下泄流量，m3/s；QP组为组合洪峰流量，m3/s；Vt为调节库容，万m3；WP组为组合洪水总量，万m3；M为溢洪道流量系数；B为溢洪道底宽，m；h为淤地坝滞洪水深，m。

3.1.2 详调计算

在拟定的溢流堰底坎高程和底宽情况下，根据洪水过程线和溢洪道下泄流量曲线，通过计算某一时段内入库洪水量与出库洪水量之差，求得该时段内库水量增减变化。计算公式为

=SΔt

(9)

式中：ΔV为Δt时段内库水量增减量(增为正)，m3；Δt为时段长，s；Q1、Q2分别为时段始、末入库组合洪水流量，m3/s；q1、q2分别为时段始、末溢洪道下泄流量，m3/s；S1、S2分别为时段始、末蓄水率，m3/s；S为平均蓄水率，m3/s。

当入库组合洪水流量等于出库下泄流量时，对应的调节库容即为滞洪库容，此时的下泄流量即为溢洪道设计流量。

3.2 溢流堰底坎高程低于现有淤积高程时

对于现有淤积高程已超过设计淤积高程的淤地坝，在调洪计算时，剩余库容不能满足滞洪要求，而且地形、交通道路、坝体两侧已有建筑物等诸多限制因素，致使该坝已不具备加高坝体或是在现有排洪渠位置上布设溢洪道的条件，此时溢流堰底坎高程低于现有淤积高程，见图1。

图1 溢流堰底坎高程与淤积高程的关系

在这种情况下，溢洪道下泄流量具有以下特点：来水初期，组合洪水流量由排洪渠经溢洪道全部排走，当时间达到t1时，排洪渠达到最大排洪流量，此时多余洪水溢出排洪渠到现有淤积面，淤地坝开始滞洪，坝前库水位开始上升，溢洪道下泄流量等于排洪渠最大排洪流量，溢流堰堰上水深为h1；当时间到t2时，溢洪道下泄流量达到最大，坝前水位达到最高水位，此时溢流堰堰上水深为h1+h；之后水位不再上升，反而逐渐降低，下泄流量逐渐减小，直到结束。对这类问题如何进行调洪计算，规范中并没有明确，设计时可按以下方法进行简化计算。

粗调计算，仍用公式(7)、(8)，拟定溢流堰底坎高程和底宽。但对不能进行坝体加高的淤地坝工程，滞洪库容就是剩余库容。

详调计算，入库水量增减变化仍用公式(9)，但下泄流量可分2种情况考虑。

3.2.1 溢流堰水位在现有淤积高程以下时

溢洪道下泄流量就是排洪渠排洪流量，淤地坝不滞洪。排洪渠最大水深为溢流堰底坎高程到现有淤积高程的高度，溢洪道最大下泄流量为水深h1时排洪渠的流量。下泄流量计算公式为

(10)

其中

R=ω/X

式中：Q排为排洪渠排洪流量，m3/s；ω为过水断面面积，m2；C为谢才系数；R为水力半径；X为湿周；n为糙率；i为渠底比降；其他符号意义同上。

3.2.2 溢流堰水位超过现有淤积高程时

淤地坝开始滞洪，溢流堰过水流量由排洪渠最大排洪流量Q排和淤地坝滞洪水深带来的溢流堰下泄流量两部分组成，下泄流量按下式简化计算，即

qP=Q排大+MBh3/2

(11)

式中：qP为溢洪道下泄流量，m3/s；Q排大为水深为h1时的排洪渠最大流量，m3/s；M为溢洪道流量系数；B为溢洪道底宽，m；h为淤地坝滞洪水深，m。

采取上述简化计算，会导致溢洪道的设计下泄流量与实际情况存在一定偏差，影响坝体或溢洪道的安全：若计算下泄流量大于实际下泄流量，则溢洪道结构设计将偏于安全，而此时坝体安全超高又明显不足；若计算下泄流量小于实际下泄流量，则溢洪道结构设计将不安全，而此时坝体安全超高又有富余。

4 结 语

黄土高原中型以上病险淤地坝除险加固在全国尚属首次，溢洪道设计是除险加固的重中之重。本研究虽就不同位置坝的防洪标准、坝系洪水组合和调洪计算进行了一些探讨，但还存在一些问题值得研究：在防洪标准中，一些大中型坝的防洪标准已超出现行规范规定的防洪标准，特别是有的中型坝将要按1级标准设计；在坝系洪水组合计算中，仅考虑了坝系洪水空间上的组合，没有考虑流域形状、沟道情况对洪水在汇流时间上的影响；在调洪计算中，溢流堰底坎高程低于现有淤积高程时，溢洪道下泄流量仅考虑了排洪渠和滞洪水深两部分下泄流量的简单组合，而没有考虑排洪渠与溢洪道衔接处的水力坡降、溢流堰水流边界条件发生变化对下泄流量的综合影响。今后，需要建立坝系水动力学洪水演进模型，通过模型试验，丰富和完善洪水组合和溢洪道的设计理论，以便更好地指导病险淤地坝除险加固，为淤地坝安全运用提供有力的技术支撑。

王志坚(1963—)，男，山西临猗县人，教授级高级工程师，硕士，长期从事水土保持工作。

2017-08-01

(责任编辑 李杨杨)

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