东坑水库除险加固设计洪水成果及调洪演算分析

郑 毅

(福建省浦城县东坑水库管理处，福建 浦城 353400)

1 工程概况

东坑水库位于福建浦城县管厝乡岩步溪上游约3 km处，所在河流为南浦溪支流岩步溪，距浦城县城约35 km。水库坝址以上集雨面积为38.1 km2，主河道长16.32 km，河道平均坡降25.1‰，是一座以灌溉为主兼有发电、防洪、养殖等综合利用的中型水库[1]。工程由水库枢纽和灌区两大部分组成，水库现状总库容1 552.2×104m3，其中兴利库容1 206×104m3，为年调节中型水库。水库现状设计洪水标准为50年一遇设计，1 000年一遇校核，校核洪水位为363.24 m，水库正常蓄水位为360.00 m。水库设计灌溉面积0.068×104hm2，灌溉保证率90%；保护下游人口0.96万人，耕地0.113 3×104hm2。水库于1980年6月建成开始蓄水运行，至今已运行30余年，发挥了巨大的工程效益。2015年6月8日以来，东坑水库内连降大雨和暴雨，6月11日因大量洪水冲刷，导致水库溢洪道底部靠厂房侧山体产生大面积滑坡，严重影响大坝和电站的安全。为确保水库的安全运行，充分发挥水库的灌溉、防洪、发电等综合效益，对东坑水库进行应急除险加固。本文主要对除险加固中设计洪水成果计算和调洪计算分析，将得到的结果用于本次除险加固设计。

2 设计洪水分析

2.1 水文测站及暴雨资料

2.1.1 测站分布基本情况

离东坑水库坝址15 km处有党溪雨量站，考虑到党溪雨量站缺乏1 h的暴雨成果，增加城关雨量站的成果进行分析比较。同时采用2002年修正后的福建省暴雨等值线图，查得各短历时暴雨资料进行比较。东坑水库区域水系见图1。

图1 浦城水系图

2.1.2 基本资料

1)水库邻近的党溪雨量站暴雨资料。距离东坑水库坝址15 km处有党溪雨量站，党溪雨量站有1964-2012年共49年实测的6 h、24 h的暴雨成果。考虑到党溪雨量站，缺乏1 h的暴雨成果，增加城关雨量站的成果进行分析比较。城关雨量站距水库坝址33.6 km，雨量站有1950-2013 年共64年实测的1 h、6 h和24 h的暴雨成果。根据2002年修正后的福建省暴雨等值线图，查得各短历时暴雨资料，见表1和图2。

表1 水库邻近的雨量站及福建省暴雨等值线图查得各短历时暴雨资料

图2 党溪、浦城城关雨量站降雨适线图(各仅列1个)

2)本工程防洪标准采用50年一遇设计，1 000年一遇校核洪水标准。根据各资料中的暴雨参数，计算不同频率的面暴雨量进行比较分析，得出适合于本流域的暴雨参数。见表2。

表2 各频率面暴雨量成果表

根据表2的比较可知，暴雨等值线图的暴雨参数均大于各雨量站的成果。因此，本次复核从偏安全的角度考虑，采用暴雨等值线的成果进行洪水复核。

2.2 设计洪水分析

2.2.1 设计洪水计算方法选择

由于东坑水库所在流域内无水文站，考虑到水库的集雨面积为38.1 km2，本次计算洪水采用推理公式法，并用地区综合法进行分析比较[2-3]。

1)推理公式法。由小溪流域特征参数F、L、J；暴雨参数Sp、n；产流参数μ；汇流参数m等，用推理公式法求得设计洪峰流量，计算公式如下：

(1)

(2)

当tc≥τ时，即全面汇流情况下：

(3)

当tc<τ时，即部份汇流情况下：

(4)

式中：Qm为地表洪峰流量，m3/s；F为流域面积，km2；τ为流域汇流历时，hr；tc为地表产流历时，hr；Rτ为汇流历时内的最大地表净雨量，mm；Rtc为产流历时内的地表净雨量，mm；m为汇流参数，内陆区取m=0.039θ0.712(θ≥1.5 时)，m=0.045θ0.335(θ<1.5时)。

2)瞬时单位线法。采用纳希瞬时单位线，假设流域是由n个相同的线性水库串联而成，降落在流域上瞬时的单位净雨，经过n个相同的线性水库的调节，调蓄后在流域出口断面处所形成的出流过程线就相应于该净雨的瞬时单位线。计算公式如下：

(5)

式中：Γ(n)为伽马函数，其值为n-1的阶乘；n为线型水库的调节次数，n=3.87F0.066J-0.151；t为汇流时间；e为自然对数的底；k为蓄泄系数，相当于流域汇流时间的参数，k=m1/n，其中：

m1=m1i=1010βi-β

β=0.28F-0.065J0.118

m1i=10=3.2F0.117J-0.203

3)地区综合法。为满足无实测流量资料推求设计洪水及成果合理性检查的需要，本次设计拟采用临近小安下、赤桥、柳溪、渡里水文站的洪水分析成果，见表3。

表3 各水文站的洪水特征值表

根据地区综合法求得的地区综合线见图3，计算得到东坑水库坝址处的Q=97.6 m3/s、Cv=0.81、Cs=3.5Cv，求得坝址处的各频率洪水成果。

图3 流域及邻近各站年最大流量均值Cv-F关系线

2.2.2 设计洪水推求成果

各频率设计洪水成果见表4。

表4 设计洪水成果表 /m3·s-1

从表4中可以看出，推理公式法和瞬时单位线法的计算结果十分接近，地区综合法的计算成果偏大。其中，推理公式法和瞬时单位线法适用于集雨面积大于30 km2，小于500 km2的流域；而地区综合法更适用于集雨面积大于500 km2的流域。本次计算的东坑水库坝址以上集雨面积为38.1 km2，推理公式法和瞬时单位线法均适用，但从对工程偏安全的角度考虑，选择计算成果更大的瞬时单位线法更加合理可靠。即本次计算的东坑水库50年一遇设计洪峰流量为267 m3/s，1 000年一遇校核洪峰流量为424 m3/s。

2.3 合理性分析

将水库的历次洪水成果进行列表，比较分析本次计算成果的合理性，见表5。

表5 历次洪水成果比较表

表5为东坑水库历次洪水计算的成果，几次洪水设计成果中都采用了推理公式法，但本次应急抢险的推理公式法中的暴雨参数采用最新版的“福建省暴雨等值线图”，故计算结果偏大于2004和2006年的成果。其中，2004年安全评价最后采用水文比拟法的计算成果，选取的参证站为小安下水文站，由于小安下水文站系列仅有29年(1971-1999年)的流量资料，存在较大的抽样误差，且两者的面积相差较大，达不到规范要求的0.5以上的要求，故成果存在一定的误差。2006年除险加固最后采用的是地区综合法的计算成果，地区综合法分析的是一个区域内的洪水特征情况，综合法的成果受所采用的水文站的影响很大，不能很好地体现本次计算的洪水特征，通常只作为洪水合理性分析的验证手段。

本次洪水成果计算采用的推理公式法和瞬时单位线法，能够反映流域的水文气象、地形地貌等多因素的差别，计算公式中的暴雨参数和产汇流系数均使用最新版本的查算图表和计算公式，成果合理可靠，可以很好地体现水库流域洪水特性。

2.4 洪水总量计算和洪水过程线

水库缺乏历年历次暴雨洪量的实测资料，本次复核依据《福建省产汇流计算方法》，以24 h设计暴雨不扣损失计算洪水总量。

(6)

经计算，各频率设计洪水成果见表6。

表6 设计洪水总量计算成果表(24 h)

设计洪水过程线的计算根据福建省暴雨洪水概化过程线系数概化，计算公式如下：

(7)

式中：Wp为地表洪水总量，m3；Qm为设计洪峰流量，m3/s；T=50 h该洪水过程线为50 h过程线，选取其中最大24 h洪水过程线，根据W24/(F×H24)比值进行过程线放大，成果见表7。

表7 设计洪水过程线 /m3·s-1

3 调洪演算分析

3.1 水位-库容关系曲线

本次复核采用东坑水库原水位-库容曲线成果，见表8及图4。

图4 水位-库容关系曲线

表8 东坑水库水位-库容关系表

3.2 水位-泄量关系曲线

东坑水库溢洪道位于大坝左侧，为开敞式侧堰溢洪道，堰型为曲线型实用堰，无闸门控制，堰顶高程360.0 m，堰顶净宽32 m(4孔×8 m)。根据《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)中的泄流公式：

(8)

式中：m为流量系数，取值0.42；ε为侧收缩系数，ε=1-0.2×(1+0.45×3)×H0/32；B为堰顶净宽，B=32.0 m；H0为堰顶水头，m。

溢洪道水位-泄量关系见表9。

表9 东坑水库水位-泄量关系成果表

3.3 调洪成果

根据《水库大坝安全评价导则》(SL 258-2000)关于起调水位的确定办法，本次安全评价确定的起调水位为360.0 m，即正常蓄水位起调。调洪计算的基本原理：当库水位超过起调水位时，溢洪道开始泄洪，涨水段，随着入库洪峰流量的增大，库水位逐渐增高，当下泄洪峰流量达到最大值时，库水位也达到最大值。调洪计算按水量平衡方程式逐时段进行试算，公式如下：

(9)

式中：Q1、Q2分别为时段始末的入库流量，m3/s；q1、q2分别为时段始末的出库流量，m3/s；V1、V2分别为时段始末的蓄水量，m3；Δt为计算时段，s。

由于篇幅所限，仅列50年一遇的洪水过程表，见表10，调洪成果见表11。

表10 P=2%洪水调洪过程表

表11 各频率调洪成果表

从表11可知，东坑水库50年一遇设计洪水洪峰流量为267.0 m3/s，对应的最大下泄流量为202.8 m3/s，设计洪水位362.3 m，相应库容为1 461.26×104m3；1 000年一遇校核洪水洪峰流量为424.0 m3/s，对应的最大下泄流量为331.6 m3/s，设计洪水位363.24 m，相应库容为1 552.19×104m3。

4 结论及建议

设计洪水在新建、改建及除险加固等水利工程设计中十分重要，但影响设计洪水的因素较多且十分复杂，比如观测资料不足、观测年限较短、计算方法不完善及设计人员选择的计算方法不同结果不同等，可能导致同一工程设计洪水成果不同。因此，为了使洪水设计成果具有充分的可靠性，把设计洪水分析透彻些，从多方面进行认真的合理性检查、评价是十分必要的。设计中不宜简单地以偏保守角度考虑取高值，而应进行合理性分析，兼顾安全与经济、理论与实际来选用合理的成果。