海南省小型水库增设防浪墙、提高洪水标准的思考

2020-04-22李英培陈德皎陈佳张晓柳

水利技术监督 2020年2期

李英培，陈德皎，陈佳，张晓柳

(海南省水务厅建设与管理处，海南海口 571126)

1 概述

海南省建有水库1105座，总库容111.38亿m3，兴利库容71.65亿m3。其中，小型水库1019座，占全省水库总数的92.2%，总库容为12.36亿m3，占全省水库总库容的11.19%。这些水库在防洪、灌溉、供水、发电等方面发挥了巨大的经济和社会效益，为促进海南经济社会发展、提高人民生活水平、保障社会稳定、改善生态环境做出了巨大的贡献。鉴于省内所有水库均已进行过除险加固，根据工程防洪标准，大部分水库坝顶均满足现行规范运行标准，基于资金原因故均未考虑防浪墙建设。但海南的降雨特点导致经常出现超标准洪水，威胁水库大坝防汛安全。当水库遭遇超标准洪水等特殊情况时，未设置防浪墙的水库存在着运行过程的管理隐患，威胁水库防汛人员生命财产和重要设施的安全，制约着水库综合效益的发挥。然而，受地理环境、经济条件等限制，通过加高培厚水库大坝来提高防洪标准不现实，而建设标准的水库大坝防浪墙，是相应提高水库防洪能力简单而有效的方法，对提高水库防洪能力是非常重要的。特别是海南省小型水库众多且分散，很多水库附近都有村庄，未设置防浪墙的水库坝顶，行人、车辆经过很不安全。建设大坝特别是土石坝防浪(护)墙，不仅有利于保护人民生命财产安全和防汛人员的防汛安全，而且可以提高水库大坝防洪能力，起到防御超标准洪水作用。因此，水库大坝防浪(护)墙是确保水库运行管理安全和防汛抢险人员生命安全的重要安全设施。

2 超标准洪水的形成与水库大坝防洪影响

2.1 自然条件特点导致超标准洪水

海南省位于中国最南端。地势为中部高四周低，中部偏南到四周沿海由山地、丘陵、台地、平原逐级递降，组成环形层状地貌。海南省属热带季风海洋性气候，降雨量充沛，但时空分布不均，干湿季节分明。汛期为每年5月—10月，但降雨的地区分布差异大；降雨年内分配不均匀，且年际变化大；常年降雨时空分布不均，局部强降雨经常出现，导致发生超标准洪水，水库防汛安全问题突显。

2.2 台风雨影响带来超标准洪水

海南省是我国的“台风走廊”，深受台风影响。对海南造成严重影响的台风年均4.3次，正面登陆的台风年均2.7次。台风影响海南的时间相对集中，主要集中在6月中旬—10月下旬，而台风登陆的时间主要发生在5月上旬—11月下旬，其中7月中旬—9月中旬期间登陆台风次数最多[1]。台风活动带来的降水现象，称为台风雨。台风雨往往带来强降雨，形成超标准洪水，给水库造成防汛压力。2016年“电母”台风给我省带来强降雨，雨量大，西部市县降雨量大都达到300mm以上，局部达到500mm以上，最高昌江县霸王岭地区接近1000mm，超标准洪水造成省西部儋州、临高、昌江、东方等市县少量水库漫坝，还有少数水库水位接近坝顶，而且这些水库都没有设置防浪(护)墙。

2.3 水库溢洪道出口阻碍影响

由于历史原因，许多小型水库溢洪道出口下游都有耕地、林地、建筑物等，溢洪道得不到疏浚或疏浚不及时，严重阻碍了水库溢洪道泄洪，降低了水库防洪能力和标准，因此建设水库防浪(护)墙很有必要。

2.4 增高培厚水库大坝与建设防浪墙经济分析

由于绝大多数小型水库都是二十世纪六七十年代建成，基础数据缺乏，填土质量差，标准低，大坝的增高培厚及技术处理难度大，且从经济上考虑成本高。在不考虑外围环境的影响，填筑培厚增高至少1m的水库大坝与建设防浪墙相比较，经计算，建设防浪墙的成本仅占大坝填筑土方30%左右，填筑大坝成本中还有征地、购运土未考虑，且征地是个未知数，足可见靠增高培厚水库大坝来提高水库防洪标准难度大，成本高。相比之下，建设水库大坝防浪(护)墙，提高水库防洪能力，时间短见效快，且经济实用。

3 小型水库防浪墙结构安全现状

根据调查摸底统计数据可知，很多水库特别是小型水库尚未设置防浪墙，或者现有防浪墙运行年久、质量不合格及结构型式不合理。下面分别从水库设计、工程施工和运行管理等方面论述小型水库未设置防浪墙存在的主要问题。

3.1 水库设计标准普遍偏低

大多数小型水库建设水平起点低，技术落后，防洪标准低。修建时，江河实测水文系列较短或没有实测水文资料，实测大暴雨、大洪水的记录资料严重缺乏，工程设计洪水成果精度不够高，在满足防洪标准后，水库除险加固过程中均未考虑防浪墙的设置。近年来，随着水文系列的延长，历史洪水调查手段科学、设备先进、经费增加，以及极端天气现象频繁发生，积累了大量的水文资料，设计洪水计算精度有很大的提高。现行水库设计洪水标准进行过几次调整，标准有所不同。加上超标准洪水时有发生，水库设计洪水标准已满足不了防洪需要。

3.2 防浪墙工程结构不合理

小型水库的除险加固建设过程受当时建设技术及资金条件的限制，部分水库防浪墙设计存在不合理及结构型式不安全的情况。防浪墙宜按全坝段布置在坝顶上游侧，且原则上不留缺口，避免留下薄弱环节，同时也可根据大坝两端地形条件及大坝实际情况适当扩大范围。防浪墙原则上采用钢筋混凝土结构型式，根据SL189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》中6.1.5款的要求，防浪墙高度(坝顶以上部分)可采用1.0～1.2m。目前，海南省很多水库未设置防浪墙或是防浪墙采用浆砌石结构或混凝土结构，高度普遍低于0.9m，这既不利于大坝防汛安全，也不利于水库运行管理安全，同时威胁水库防风、防汛和抢险工作人员的安全。另外，一些水库防浪墙采用不合理的简化设计，墙身高度过低，结构为红砖墙或不达标混凝土上加铁防护网等，整体性较差，致使许多水库防浪墙建设质量先天不足，隐患较多，起不到水库大坝防浪作用，达不到水库防洪目的。

3.3 管理体制落实不到位、维修养护不及时

受水库管理体制僵化、机制不活、管理人员素质低、管理经费缺少等因素的制约，以及受“重建设、轻管理”思想的影响，小型水库管理投入长期不足，管理水平低。大多数水库特别是小型水库由于缺乏维修加固资金，管理单位难以完成必要的维修加固工作，水库运行中出现的一些问题，只能进行应急处理，致使水库防浪墙不能及时得到维修或维修不彻底，不少水库“积病成险”。

4 极端降水事件的水情实例分析

极端降水事件往往会产生超过蓄水水库工程设计标准的超标准洪水，造成严重洪涝，甚至造成水库受损毁。2010年以来，在全球变暖大趋势下，海南岛大气温度和大气中水汽含量的增加，使得区域降水总量总体呈上升趋势，强降水事件增多。水库上游发生超标准降雨现象频发，水库入库流量长时间大于出库流量，给水库防汛带来极大压力，也对水库本身抗御非常洪水的能力提出更高要求。

本次选取近十年在海南影响较大的4场暴雨、8个站点的三天暴雨过程进行调查分析，并选取位于站点控制区域的5座小型水库，对相应场次降雨过程的水情进行分析。

4.1 暴雨调查

2010年9月30日—10月9日，受弱冷空气、南海辐合带和热带低压云团共同影响，海南岛连续9天出现大范围暴雨过程。据统计，在本场降雨的最后阶段10月5—8日，降雨主要集中在海南岛东北部的文昌市，降雨最强烈为大暴雨到特大暴雨，强降雨造成文昌市城区受淹、小水库出险。本次降雨过程，文昌市南阳小学站最大3d雨量为1081.5mm，最大24h降雨量为543.5mm。

图1 几场强降雨的3天降雨过程

2014年10月24—27日，晚秋后汛期，海南省10个市县出现1～4d的暴雨或大暴雨天气。此次强降水过程造成万宁、琼海、定安和文昌4个市县大量农田和低洼地区受淹，局部地区交通受阻，部分水利设施受损。本次降雨过程，万宁大茂农场站最大3d雨量为564.5mm，最大24h降雨量为351.5mm。

2016年8月17—20日，受当年第8号台风“电母”(强热带风暴级)台风天气过程影响，海南岛出现1951年有完整气象记录以来8月第二强的暴雨天气过程，海南多数地区遭遇暴雨袭击。临高、澄迈的最大日降水量突破当地历史年极值，儋州突破当地历史同期极值。强降雨导致临高、儋州、昌江等地严重受灾，部分地区交通和通信中断，部分水利设施受损。本次降雨过程，临高临城站最大3d雨量为969mm，最大24h降雨量为528mm；儋州、昌江几个近海测站最大3d雨量接近850mm。

2017年11月5—7日，受东风波动和弱冷空气共同影响，汛末晚秋时节，海南省万宁、琼海、琼中和陵水4个市县出现暴雨天气过程，造成大面积受灾。本次降雨过程，万宁乐来水声站最大24h降雨量为412.6mm，最大6h降雨量为234.6mm。

从几场强降雨的3天降雨过程可知，2010年10月海南东北部暴雨低区的文昌南阳小学站降雨呈单峰型，且主峰偏后；2014年1年月底晚秋的这场雨，万宁大茂农场站雨型呈双峰型；2016年“电母”期间，海南省西北部昌江叉河站降雨呈多峰型。如图1所示。

4.2 暴雨重现期估算

海南绝大部分小型水利工程流域范围内无水文站站点，降水量站点主要为近5～10年布设，资料系列较短，因此至今为止，海南小型水利工程设计洪水计算及洪水复核计算仍采用以《广东省暴雨径流查算使用手册》及《广东省水文图集》(海南岛部分)提供的计算方法为主。因此，本次分析仍选取《广东省暴雨洪水计算手册》及《广东省水文图集》(海南岛部分)中的暴雨分区、雨量均值等值线图和雨量变差系数等值线图作为参考依据，分析3d雨程各历时暴雨重现期。相近的时段雨量在暴雨高区和暴雨低区的重现期差别显著，有几个站点24h时段雨量均在400mm左右，在暴雨高区的万宁乐来水声站，重现期为20年一遇，在琼北的暴雨低区文昌县城站，重现期为50年一遇，在琼西北的儋州红洋水管所站，重现期为100年一遇。各站点暴雨重现期见表1。

本次选取5座位于站点控制区域的小型水库进行洪水复核分析。2010年9月底—10月初的持续降雨，使得文昌李山水库最高水位达到31.20m，距离坝顶0.93m，水位稍高于水库200年一遇设计洪水位，水库校核标准为100年一遇。2014年万宁晚秋后汛这场降雨，位于大茂农场的袁水水库最高水位相当于水库10年一遇设计水位，水库校核标准为500年一遇。2016年8月台风“电母”期间，儋州八一红岭水库最高水位超过坝顶0.16m，洪水漫坝；昌江东边水库和临高美锐水库最高水位接近坝顶高程，3座水库校核洪水标准均为50年一遇，东边水库非常洪水接近水库200年一遇设计洪水标准，八一红岭水库和美锐水库非常洪水均超过水库200年一遇设计洪水标准。强降雨期间各水库洪水复核成果见表2。

表1 各站点时段暴雨量及重现期分析计算成果

表2 强降雨产生非常洪水时暴雨中心区小水库洪水复核计算成果单位：m

4.3 防浪墙的作用

海南东北部、北部、西北部多为平原、台地，属于海南暴雨低区，蓄水工程多为建筑物级别为4级、5级的小型碾压式土石坝。海南省小型水库1019座，其中主坝坝型为土坝的小型水库994座。经统计，共计792座小型水库的校核洪水标准小于等于200年一遇，占比79.8%；444座小型水库的校核洪水标准小于等于50年一遇，占比46.7%。最大坝高小于等于15m的小型水库694座，其中681座水库核洪水标准小于等于200年一遇，占比达98.1%。上述792座小型碾压土石坝中，尚有115座水库未设防浪墙且坝顶与校核水位的高差小于0.3m，坝高未达标为14.5%，存在极大的安全隐患。

按洪水标准及坝高标准统计的小型水库数量见表3和表4。

表3 按洪水标准统计海南省小型水库(土坝)

表4 按坝高及洪水标准统计海南省小型水库(土坝)

根据规范，坝顶上游设有防浪墙时，坝顶超高要求可改为对防浪墙的要求。因此，水库设计标准不改变情况下，通过修建防浪墙，可将全省校核标准小于200年一遇的小型碾压土石坝坝高达标率从85.5%提升到100%，消除115座小型水库因坝高不满足要求而防洪能力不达标的隐患。其它坝顶高程满足规范要求的小型水库，增设防浪墙后，将增大水库泄洪时的净出水高度至少0.3m，这部分库容将在极端气候条件下，在关键时期抵御超标准洪水侵袭，有效阻挡洪水溢坝往下游淹没，提升水库防洪能力。