卧龙河水库大坝安全评价的防洪能力复核

2020-06-03王西瑶

黑龙江水利科技 2020年4期

王西瑶

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 前言

水库大坝包括永久性挡水建筑物以及与其配合运用的泄水、输水、过船等建筑物。水库大坝一旦存在质量问题，将会严重影响工程效益的发挥和水库的安全运行，制约下游工农业生产的发展，若造成溃坝其后果更是难以想象。因此，为保护人民生命财产的安全，巩固和发展水库的工程效益，根据水电站大坝安全运行管理有关规定，水库大坝需进行定期安全评价。

1 防洪标准复核

1.1 水文

1.1.1 流域概况

卧龙河发源于老爷岭山脉，从牡丹江右岸一级支流蛤蟆河左岸由南向北汇入蛤蟆河，为牡丹江二级支流。卧龙河流域北部为牡丹江与蛤蟆河形成的三角平原区，南部为老爷岭山脉，西邻牡丹江一级支流马莲河，东至蛤蟆河支流八道河。流域地理位置在E129°22'-129°28'，N43°56'-44°10'之间。卧龙河水库位于宁安市石岩镇南17km，地理位置位于E129°23'27.17″，N44°03'41.23″，卧龙河水库坝址以上集水面积120km2。

蛤蟆河流域地处寒温带季风气候区。由于受太平洋季风及西伯利亚高压影响，夏秋季湿热多雨，冬春季寒冷干燥，夏季最高气温达36.2℃，冬季最低气温-40.1℃，多年平均气温为3.5℃。卧龙河水库多年平均降水量为562.6mm，降雨主要集中在6月份-9月份。多年平均蒸发量为658.1mm(桦树川水库E601蒸发器)。

1.1.2 水文基本资料

卧龙河流域内只有一处水文站即水库专用水文站，具有建库后1977年-2018年实测坝上水位、泄量、降水量等资料，水库所在流域上游有一处水库专用雨量站。具有1977年-2018年降雨资料。

新农站位于蛤蟆河中下游，为国家基本水文站，具有1957年-1970年逐日观测资料。金坑站位于牡丹江一级支流马莲河上游，为国家基本水文站，具有1970年-1989年的逐日观测资料。

1.2 洪水

1.2.1 洪水特征

卧龙河流域受气候影响，洪水分为春夏两个汛期：春汛洪水一般发生在4、5月份，由融雪径流形成，峰量小、历时短；夏汛洪水一般发生在7、8月份，由暴雨形成，由于该水库属山区河流，河道比降陡，水库上游暴雨量大，其洪水陡涨陡落，峰高量小，历时较短，一般不足两天，过程线尖瘦。

1.2.2 设计洪水

1.2.2.1 洪水系列

1)实测洪水

①洪峰流量还原

洪峰还原计算按以下水量平衡公式：

Qm=(V2-V1)/△t+q

(1)

式中：V1、V2为时段始末库容，据水库实测坝上逐时水位查库容曲线确定，m3；Δt为时段长；q为时段平均泄流量，m3/s。

该水库仅有1987年、1991年两个大水年的洪水逐时观测资料，按现有资料还原了这两个大水年的洪峰流量及其过程线。

②洪量

本站洪量系列可根据水库还原的逐日平均流量进行统计，计算公式为：

W坝=[±△V+Q+(E+D-P)×10-1×f]
×(1+f/F)

(2)

式中：W坝为坝址天然来水量，104m3；△V为计算时段库容差，104m3；Q为日出库流量，包括溢洪道和输水洞流量，104m3；E为水库蒸发损失，mm；D为水库渗漏损失，mm；P为实测降水量，mm；f为计算时段平均库面面积，km2；F为坝址以上集水面积，km2。

2)洪水系列插补延长

水库附近各水文站均无与本站同步的1987年-2018年洪量系列，不能进行相关分析，只能利用上述水文站新农站、金坑站按面积比指数并进行暴雨量修正的方法衔接延长洪水系列。具体方案为由新农站、金坑站分别插补1957年—1970年、1971年—1985年的洪峰洪量；大水年用相应年份的最大1d暴雨量修正洪峰与1d洪量，用最大3d与最大1d降水的差值修正3d洪量，用最大3d暴雨量修正7d洪量。上述资料与水库站还原的1986-2018年洪量组成卧龙河水库站洪量系列。根据延长的1986年以前的和还原的1987年、1991年峰量系列绘制峰量关系图，按洪峰与1d洪量关系插补1986年—2018年的洪峰。计算公式如下：

(3)

式中：F为水库坝址集水面积，km2；F参为新农站、金坑站集水面积，km2；i为洪量时段，i取1、3、7；n为面积比指数，按图集分析成果，1、3、7d洪量分别为0.83、0.85、0.87；Km为洪峰雨量修正系数；Ki为洪量雨量修正系数。

3)历史洪水

调查的历史洪水年份为1928年和1960年，坝址处洪峰流量分别为273m3/s和345.2m3/s。历史洪水洪量可按水库站洪峰与1d洪量关系插补而得。

综上，水库坝址洪水系列由还原、面积比指数转换、相关和调查历史洪水组成62年不连续系列。

1.2.2.2 频率分析

根据上述洪水样本系列和处理方案，采用1957年-2018年洪峰、洪量系列和1928年、1960年历史特大洪水组成不连续系列进行频率分析，历史洪水作为特大值进行处理。采用P-Ⅲ型频率曲线Cs=2.25Cv，尽量照顾点群趋势，以大、中洪水经验点据与理论曲线拟合较优为原则进行适线，确定洪水特征值统计参数。洪水成果见表1。

m3/s、104m3

本次洪水复核与原设计洪水成果比较，成果见表2。

从表中可以看出，延长洪水系列至2018年后本次设计洪水成果比原设计洪水洪峰及洪量基本均偏小；从安全角度出发，本次仍采原设计推求的设计洪水值。

1.2.3 设计洪水过程线

设计洪水过程线采用典型洪水过程线按同频率控制放大。典型年采用1987年水库实测洪水的还原过程线，洪水历时3d，时段为2h。以此为典型缩放的设计洪水过程线见图1。

1.3 调洪计算

1.3.1 工程任务及规模

根据《防洪标准》(GB50201-2014)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)，该水库为中型水库，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级，山区永久性水工建筑物洪水标准为50a一遇洪水设计，1000a一遇洪水校核。

1.3.2 洪水调度原则

卧龙河水库下游约3km处有一处村落，其防洪安全问题可由水库解决。将防洪控制断面选在此村落下游，20a一遇情况下，区间洪峰为34.1m3/s，因此水库控制流量采用70m3/s。根据水库下游防洪要求，调洪按一级控制调度。20a一遇洪水时，水库控制泄洪，下泄流量不超过70m3/s；50a一遇洪水先按20a一遇洪水操作，当水库水位超过20a一遇水位时，敞开闸门按泄流能力自由泄流，但水库的泄流量不能超过入库的洪峰值，1000a一遇校核洪水调度原则与设计洪水时相同。

表2 卧龙河水库设计洪水成果对比表

图1卧龙河水库设计洪水过程线

1.3.4 泄流曲线

水库溢洪道泄流能力复核按下式计算：

Q=MBH3/2

式中：M为流量系数(M=1.45)；B为溢洪道净宽(B=12m)；H为堰顶水头，m。

1.3.5 起调水位

起调水位采用水库的汛期限制水位409.65m。

1.3.6 调洪计算

根据上述洪水调度原则和泄洪建筑物泄流能力，进行洪水调节计算，调洪计算实用公式如下：

本次水库洪水调洪成果见表3。

表3 卧龙河水库调洪成果表

2 设计洪水评价与调洪结论

与原设计相比，本次的资料系列已延长到2018年，设计洪水计算时，为了保证水库的安全，洪水参数频率计算和适线时重点考虑历史洪水和较大实测洪水年份，通过本次延长系列后计算的设计洪水成果来看，洪峰流量各频率的设计值比消险加固成果小7.6%；1d洪量各频率的设计值比消险加固成果小0.6%-2.2%；3d洪量各频率的设计值比消险加固成果小4.1%-4.7%；7d洪量各频率的设计值比消险加固成果小7.4%。《中华人民共和国水库大坝安全评价导则(SL258-2017)条文说明》中规定：“如延长洪水系列后计算结果比原来的更小时，为安全起见，仍采用原设计洪水系列”，故本次设计洪水仍采用原设计成果。由此看来，水库设计采用的设计洪水是安全的。通过调洪成果对比表可知，本次设计成果与原设计成果基本相同，采用原设计成果。水库洪水调度运用方式符合卧龙河水库的特点、满足大坝安全运行的要求。