基于大坝安全评价的红邦水库防洪能力复核计算

邓宾宾

(福建韩江工程咨询有限公司,福建 龙岩 364000)

1 工程背景

福建省龙岩市红邦水库位于雁石溪流域，地处龙岩市苏坂镇红邦村境内，流域属丘陵山区，植被覆盖良好，距苏坂镇约10 km，距离雁石镇政府约7 km，其主坝坝址位于莆永高速公路桥下游约200 m处，交通较方便。龙岩市红邦水电站位于新罗区苏坂镇红邦村上游约3.3 km，坝址以上集雨面积1278 km2，主河道长79 km，河道平均坡降4.1‰。拦河坝坝型为C10细石混凝土砌石重力坝堰顶挂闸，由重力挡水坝、溢流堰堰顶挂闸段、冲砂闸段和进水口段组成，坝顶高程218.4 m，最大坝高20.4 m，坝顶宽3.5 m，最大坝底厚度18.9 m，坝顶全长147.2 m。水库正常蓄水位215.00 m，总库容745.0万m3，是一座以发电为主的水利工程，属小(1)型水库。

2 水库洪水调节计算

2.1 水库防洪能力复核洪水标准

根据《防洪标准》(GB 50201—94)和《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)的规定，本工程为Ⅳ等工程，其主要建筑物大坝按4级建筑物设计，次要建筑物按5级建筑物设计，其洪水标准为30 a一遇至50 a一遇洪水设计、200 a一遇至500 a一遇洪水校核、20 a一遇洪水消能防冲[1]。初步设计阶段及2014年安全鉴定阶段洪水标准采用Ⅳ等工程洪水标准低限，即30 a一遇洪水设计、200 a一遇洪水校核，符合规范要求。本次复核计算洪水标准仍沿用2014年安全鉴定阶段选定的洪水标准，即30 a一遇洪水设计、200 a一遇洪水校核。

2.2 水位～库容曲线计算

福建省龙岩市红邦水库库区周边的植被覆盖率较高，库区底部淤积现象并不严重，没有对原始设计库容造成较大的影响。同时，因水库现已蓄水，复核库容曲线难度较大，故本次采用初设阶段库容曲线[2]，具体结果如表1所示，水位～库容曲线如图1所示。

表1 水库水位～库容关系表

图1 红邦水库水位库容曲线

2.3 泄水建筑物水位～泄量关系曲线

红邦水电站水库泄水建筑物为拦河坝中段的溢洪道和坝身左右岸冲沙孔。溢洪道的溢流堰堰型为WES实用堰，堰顶高程208.0 m，堰顶挂6孔9 m×7 m(宽×高)闸门，溢流净宽54 m，其泄流能力按式(1)、式(2)计算[3]：

(1)

σc=1-kNH0/b

(2)

式中：Q为下泄流量，m3/s；σs为淹没系数，取1.0；σc为侧收缩系数;m0为流量系数，取0.49；B为溢流净宽，为54 m；g为重力加速度，取9.81 m/s2；H0为堰顶作用总水头，m；k为墩型收缩系数，取0.01；N为侧收缩边数，为12；b为每孔净宽，为9 m。

左岸冲砂孔底板高程202.5 m，右岸冲沙孔底板高程204.0 m，冲沙孔出口尺寸均为5 m×4 m(宽×高)，在自有出流和淹没出流条件下的泄流能力计算公式分别为式(3)和式(4)：

(3)

μ=0.93-0.3D/H1

(4)

(5)

式中：μ为流量系数；A为出口断面面积，为20 m2；D为孔口高度，为4 m；H1为孔口中心以上坝前作用水头，m；H2为孔口中心以上坝后作用水头，m。

从工程安全角度考虑，本次计算不计行进流速水头。根据相关规范，结合本工程实际情况，合理取用参数[4]。经分析计算，红邦水电站水库泄洪设施水位泄量关系成果见表2。

为了验证计算结果的合理性，复核计算中选择2010年6月15日洪水。根据水文部门分析，该场洪水相当于15 a一遇至20 a一遇，实测洪峰流量为2264 m3/s，相应水位为215.41 m(未打开冲砂孔泄洪)。根据溢洪道泄流公式及溢洪道参数，计算求得水位215.41 m时下泄流量为2264 m3/s。由此说明，溢洪道泄流能力计算成果合理。

2.4 洪水调节计算

本次调洪演算采用双辅助线法(半图解法)，就是根据水量平衡来计算的[5]。水库所容纳的蓄水量也就是来水和泄水的差值，出、入库流量之差。用水库蓄泄方程来表示动力方程，泄洪设施的规模和水库的蓄水位决定着水库泄量的大小：

(6)

式中：V1为t时段始水库库容，万m3；V2为t时段末水库库容，万m3；Q1为t时段始入库流量，m3/s；Q2为t时段末入库流量，m3/s；q1为t时段始出库流量，m3/s；q2为t时段末出库流量，m3/s。

表2 水库泄洪设施水位-泄量关系计算结果

根据电站坝址设计洪水过程、水库库容曲线及泄洪设施泄流能力曲线等，对水库各频率洪水进行调洪计算，采用程序电算[6]，当堰顶闸门和冲沙孔全开时，计算成果见表3。各频率设计洪水调洪过程线如图2所示。

表3 水库洪水调节计算成果表

图2 坝址设计洪水过程线

3 坝顶高程复核

3.1 坝顶高程复核

由于水库坝址缺乏实测风速资料，本次坝顶高程复核计算风速采用龙岩气象站实测风速资料，即正常运用情况风速取21 m/s，非常运用情况取14 m/s，吹程为1000 m[7]。根据《砌石坝设计规范》(SL 25—2006)要求，非溢流坝的坝顶高程应考虑波浪爬高、风壅增高和安全超高，坝顶至水库静水位的高度按式(7)计算：

△h=hb+hz+hc

(7)

式中：hb为波高，m；hz为波浪中心线超出水库静水位的风壅高度，m；hc为安全超高，m。

波浪要素按官厅水库公式计算，具体如式(8)、式(9)：

(8)

(9)

式中：Lm为平均波长，m；D为吹程，m；v0为计算最大风速，m/s。

波浪中心线至水库静水位的高度hz按式(10)计算：

(10)

按上式，分别计算以下两种工况，并取其最大值作为坝顶高程。

(1) 正常蓄水位加正常运用情况。

(2) 校核洪水位加非常运用情况。

坝顶高程复核计算成果如表4所示。由复核计算结果可知，拦河坝挡水段所需的坝顶高程为219.38 m，现有坝顶防浪墙高程为219.60 m，满足防洪要求。拦河坝溢流段所需的坝顶高程为218.06 m，现有坝顶高程为218.40 m，满足防洪要求。

表4 坝顶高程复核计算成果表

3.2 闸门顶超高复核

闸门顶超高复核计算成果见表5。由表5可知，大坝溢流堰工作闸闸顶高程为215.30 m，大坝正常水位为215.00 m，根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)要求，闸门顶高程应符合下列工况。目前闸门顶高程为215.30 m，挡水时所需闸门顶高程为215.30 m，满足规范要求；泄水时，所需闸门顶高程为218.46 m，闸门全开时闸门顶高程为222.6 m，满足规范要求。

表5 闸门顶高程复核计算成果表

3.3 消能防冲复核

本工程泄洪消能属底流消能，选用宽尾墩消力池联合消能工。设计上采用P=3.33%设计洪水、P=0.5%校核核洪水和P=5%消能防冲三种情况进行消能计算。经计算，三种情况均不会产生远驱水跃，故在溢流反弧段不设置消力墩。采用水利部松辽水利委员会科学研究院刘新纪、范宝山编写的《宽尾墩消力池联合消能工的应用》计算方法设计异型宽尾墩，异型宽尾墩设置在反弧段最深处，宽尾墩墩尾高度a=2.0 m，单宽墩收缩比л=0.80。

大坝溢流堰采用底流消能，堰后布置24 m长的护坦以加强下游面的防冲能力，根据水文复核计算成果设计单宽流量为40.28 m3/s·m，校核单宽流量为59.96 m3/s·m，消能防冲单宽流量为36.41 m3/s·m。

根据武汉大学水利水电学院李炜主编的《水力计算手册(第二版)》，进行水力计算判断水流衔接状态，公式如式(11)、式(12)：

(11)

式中：E0为以下游河床面为基准面的泄水建筑物上游总水头，m；q为收缩断面处的单宽流量，m3/s·m；g为重力加速度，m/s2；φ为流速系数。

(12)

表6 消能防冲复核计算结果 m

4 结 论

(1)本次复核的30 a一遇设计洪水位为215.52 m，200 a一遇校核洪水位为218.06 m。

(2)经复核计算，拦河坝挡水段所需的坝顶高程为219.38 m，现有坝顶防浪墙高程为219.60 m，溢流段所需的坝顶高程为218.06 m，现有坝顶高程为218.40 m，满足防洪要求。

(3)经复核计算，在设计、校核及消能防冲洪水情况下，为淹没水跃，不会危及大坝安全，下游的消能防冲是安全的。

(4)综上所述，根据《水库大坝安全评价导则》的规定，大坝防洪能力为B级。