陳莊水庫洪水計算

(山西水利水電勘測設計研究院，山西太原 030024)

1 項目概況

大同縣陳莊水庫位于山西省大同市大同縣瓜園鄉(xiāng)陳莊村西2 km，地理坐標東經(jīng) 113°36'58″，北緯 39°58'38″，工程所在河流屬海河流域永定河水系的桑干河二級支流坊城河，坊城河發(fā)源于大同縣北山(陰山南支)采涼山南麓的水溝寺一帶，由北向南流經(jīng)西羊房、五十里鋪、上榆澗、下榆澗、小坊城、大坊城、李王澗、陳莊、藤家溝，在南坡村南匯入桑干河。干流全長30 km，平均縱坡8‰，流域面積410 km2，其中陳莊水庫壩址以上干流長28．05 km，控制流域面積392 km2，多年平均徑流509．6萬 m3，現(xiàn)狀興利庫容88．3萬m3，總庫容272萬m3，是一座綜合防洪、灌溉的小(1)型水庫。

水庫于1972年始建，1974年基本完工蓄水受益，屬鄉(xiāng)村自辦工程。水庫初建時壩址位于現(xiàn)壩軸線上游約140 m處，壩頂已被現(xiàn)庫水淹沒。水庫建設時原設計為小(1)型水庫，大壩設計底寬較大，但由于施工期資金投入不足，竣工時大壩沒有達到設計高度。2005年，在現(xiàn)壩址處從河谷兩側(cè)山體取土筑壩，筑壩時并未經(jīng)過勘察設計，更未經(jīng)碾壓及檢測，壩基坐落于初期壩已處理的基礎上。大壩壩型為土壩，壩長約200 m，壩頂高程984 m，最大壩高11．1 m，壩頂寬7．0 m ～8．5 m，2009 年將壩頂填高至985 m ～986 m，大壩壩體上下游邊坡較陡?，F(xiàn)狀條件下，壩體局部存在小范圍坍塌;上游壩坡僅1∶1．1 ～1∶1．6，加之雨水入滲，致使壩體形成部分滑坡，滑坡體厚度1 m～2 m，壩基砂層存在滲漏，右壩肩存在繞壩滲漏等一系列工程地質(zhì)問題，水庫安全存在較大隱患。

水庫庫區(qū)內(nèi)有兩座小型高灌站，受益村為陳莊，灌溉面積3 200畝。

2 洪水計算

大同縣陳莊水庫位于大同縣瓜園鄉(xiāng)陳莊村西，所在流域為海河桑干河坊城河，所在區(qū)域為無資料地區(qū)，上游尼河上有郭家窯頭水庫，西坪河上有茹莊水庫。故陳莊水庫入庫洪水由三部分組成，即郭家窯頭水庫下泄量、茹莊水庫下泄量及區(qū)間洪水組成。其洪水計算步驟為:

1)對郭家窯頭水庫進行洪水調(diào)節(jié)，計算出郭家窯頭水庫不同頻率洪水的下泄洪水過程;2)對茹莊水庫進行洪水調(diào)節(jié)，計算出茹莊水庫不同頻率洪水的下泄洪水過程;3)計算郭家窯頭茹莊—陳莊水庫區(qū)間洪水;4)將郭家窯頭水庫的下泄洪水、茹莊水庫的下泄洪水與郭家窯頭茹莊—陳莊水庫區(qū)間洪水過程疊加，作為陳莊水庫的入庫洪水。

2．1 郭家窯頭水庫洪水下泄過程

根據(jù)2008年4月由運城院編制的《山西省大同縣郭家窯頭水庫除險加固工程初步設計報告》中郭家窯頭水庫不同頻率洪水分析成果，計算本次1%，5%的洪水過程線。采用報告中的水庫庫容曲線及泄量曲線，對郭家窯頭水庫進行洪水調(diào)節(jié)計算，郭家窯頭水庫計算結(jié)果見表1。

2．2 茹莊水庫洪水下泄過程

根據(jù)2008年2月由運城院編制的《山西省大同縣茹莊水庫除險加固工程初步設計報告》中茹莊水庫不同頻率洪水分析成果，計算本次1%，5%的洪水過程線。采用報告中的水庫庫容曲線及泄量曲線，對茹莊水庫進行洪水調(diào)節(jié)計算，茹莊水庫計算結(jié)果見表2。

表1 郭家窯頭水庫計算結(jié)果

表2 茹莊水庫計算結(jié)果

2．3 郭家窯頭茹莊—陳莊水庫區(qū)間洪水

1)流域特征參數(shù)。郭家窯頭茹莊—陳莊水庫區(qū)間設計洪水按無資料地區(qū)考慮，采用《山西省暴雨洪水計算實用手冊》(以下簡稱《手冊》)進行計算。

流域特征參數(shù)包括流域面積、流域主河道長、流域平均坡度和流域特征值等。流域的流域參數(shù)見表3。

表3 郭家窯頭茹莊—陳莊水庫流域特征參數(shù)表

2)設計暴雨。在山西省暴雨分區(qū)中，該計算流域?qū)儆诒眳^(qū)，查《手冊》附圖一至附圖十，可得該流域中心的點暴雨均值及Cv值，《手冊》附表Ⅰ可得相應頻率之Kp值，然后計算流域中心設計點暴雨并通過點面折減系數(shù)求得面暴雨。

3)產(chǎn)匯流計算。由《手冊》附表十二查得該流域位于產(chǎn)流分析氣候、地理分區(qū)的半干旱北區(qū)，產(chǎn)流地類按砂頁巖土石山北區(qū)(128 km2)和盆地區(qū)(181 km2)進行計算。匯流按推理公式法進行計算。匯流地類按疏林山區(qū)考慮。經(jīng)計算，郭家窯頭茹莊—陳莊水庫區(qū)間P=5%時洪峰流量為560 m3/s，洪量為721萬m3;P=1%時洪峰流量為1 155 m3/s，洪量為1 485萬m3。

2．4 陳莊水庫入庫洪水

郭家窯頭水庫至陳莊水庫區(qū)間河道長度為6．3 km，洪水傳播時間很短;茹莊水庫至陳莊水庫區(qū)間河道長度為5．7 km，洪水傳播時間很短;郭家窯頭、茹莊以上及區(qū)間同時發(fā)生洪水的機會較大。所以為安全計，郭家窯頭、茹莊水庫下泄洪水過程不考慮河道調(diào)蓄，與區(qū)間相同頻率的洪水過程進行疊加即為陳莊水庫洪水過程，不同頻率的入庫洪水峰量見表4。

表4 洪水成果表

3 洪水合理性分析

1)流域特征參數(shù)。陳莊水庫設計洪水按無資料地區(qū)考慮，采用《山西省暴雨洪水計算實用手冊》(以下簡稱《手冊》)進行計算。

流域特征參數(shù)包括流域面積、流域主河道長、流域平均坡度和流域特征值等。

陳莊水庫流域特征參數(shù)見表5。

表5 陳莊水庫流域特征參數(shù)表

2)設計暴雨。在山西省暴雨分區(qū)中，該計算流域?qū)儆诒眳^(qū)，查《手冊》附圖一至附圖十，可得該流域中心的點暴雨均值及Cv值，《手冊》附表Ⅰ可得相應頻率之Kp值，然后計算流域中心設計點暴雨并通過點面折減系數(shù)求得面暴雨。

3)產(chǎn)匯流計算。由《手冊》附表十二查得該流域位于產(chǎn)流分析氣候、地理分區(qū)的半干旱北區(qū)，產(chǎn)流地類按砂頁巖土石山北區(qū)(128 km2)，黃土階臺地(83 km2)和盆地區(qū)(181 km2)進行計算。匯流按疏林山區(qū)考慮。計算結(jié)果見表6。

表6 陳莊水庫洪水計算成果

4)合理性分析。以上兩種方法計算成果匯總見表7，點繪面積洪量關系圖見圖1。

表7 陳莊水庫洪水成果

圖1 面積洪量關系圖

由圖1關系線看出，陳莊、茹莊、郭家窯頭及區(qū)間洪量成線性關系，故本次設計陳莊水庫入庫洪水過程采用郭家窯頭、茹莊水庫下泄洪水過程與區(qū)間相同頻率的洪水過程進行疊加是合理的。

4 結(jié)語

陳莊水庫除險加固后，更好地保護下游村莊及重要設施的安全。水庫庫區(qū)內(nèi)有兩座小型高灌站，灌溉面積3 200畝，除險加固后，可滿足3 200畝地的灌溉用水，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)起到促進作用。因此，對陳莊水庫除險加固是非常重要的。