謝悉水庫除險(xiǎn)加固工程分析及計(jì)算方法

李 棟

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 概況

1.1 工程情況

謝悉水庫位于清水河支流長安溝下游，水庫壩址在縣城東北約7km處吉昌鎮(zhèn)謝悉村西。水庫大壩為均質(zhì)土壩，由大壩、泄洪輸水洞、溢洪道組成。最大壩高30.27m，總庫容430萬m3。水庫工程原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，無校核標(biāo)準(zhǔn)。

該水庫上游控制流域面積24km2，流域長11km，流域平均寬度2.18km，流域平均比降14‰，屬土石山區(qū)，覆蓋較好。水庫所在區(qū)域?yàn)榇箨懶詺夂?，多年平均降雨?41.1mm，多集中在7—9月，冰凍期100～140d，無霜期130～180d，汛期120d，最高氣溫38.1℃，最低氣溫零下20.4℃，年平均降雨量541.1mm。

1.2 供水情況

水庫除險(xiǎn)加固后主要以防洪為主、興利為輔，同時(shí)兼顧工農(nóng)業(yè)、灌溉、城市生活用水和23家小型企業(yè)的工業(yè)用水，預(yù)計(jì)發(fā)展水澆地80hm2。根據(jù)臨汾市2003—2005年平均農(nóng)業(yè)用水統(tǒng)計(jì)，每公頃平均毛灌溉用水量3450m3。謝悉水庫農(nóng)業(yè)灌溉年取水量27.6萬m3，農(nóng)業(yè)灌溉用水保證率為50%；工業(yè)和生活用水年取水量20.24萬m3，保證率為95%。水庫下游需水量合計(jì)47.84萬m3。

2 調(diào)節(jié)計(jì)算

2.1 興利調(diào)節(jié)計(jì)算

此次興利計(jì)算采用頻率95%和50%典型年徑流量進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。

2.1.1 來水量根據(jù)各典型年的逐月徑流量計(jì)算水庫來水量。計(jì)算得，95%和50%典型年來水量分別為46.46萬m3，97.33萬m3。

2.1.2 需水量

據(jù)上所述，95%來水量調(diào)節(jié)時(shí)供水可滿足工業(yè)用水的需求，50%來水量調(diào)節(jié)時(shí)供水可滿足工農(nóng)業(yè)用水需求。

將工業(yè)和生活用水按月平均分配，每月用水量為1.69萬m3。農(nóng)業(yè)用水根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉要求，按每年3次水計(jì)算，為4月、6月和8月各一次，每公頃每次毛灌溉用水量分別為1200m3，1050m3，1200m3，發(fā)展灌溉面積80hm2，各月用水量分別為9.6萬m3，8.4萬m3，9.6萬m3。

2.1.3 興利調(diào)節(jié)計(jì)算過程

水位—面積—庫容曲線：不同高程對應(yīng)的面積在1/1000地形圖上取量，并進(jìn)行計(jì)算。水位—面積—庫容曲線見表1。

表1 水位—面積—庫容曲線表

附加蒸發(fā)損失量：水庫附加蒸發(fā)損失等于水面蒸發(fā)量減去陸面蒸發(fā)量。

水面蒸發(fā)量采用吉縣氣象站1957—2000年歷年蒸發(fā)量資料，通過折算系數(shù)換算成為水面蒸發(fā)量，折算系數(shù)取0.5。經(jīng)計(jì)算，水庫多年平均水面蒸發(fā)量為854.6mm。

陸面蒸發(fā)量采用多年平均降水量減去多年平均徑流深計(jì)算。平均降水量和多年平均徑流深均采用臨汾市第二次水資源評價(jià)吉縣成果計(jì)算，分別為541.8mm和40mm，多年平均陸面蒸發(fā)量為501.8mm。

附加蒸發(fā)損失量等于水面蒸發(fā)量減去陸面蒸發(fā)量，即多年附加蒸發(fā)損失，計(jì)算結(jié)果為352.8mm。其月分配值按照吉縣多年平均水面蒸發(fā)量的逐月分配比例計(jì)，見表2。

表2 水庫多年平均附加蒸發(fā)量 單位：mm

水庫滲漏損失：滲漏損失按經(jīng)驗(yàn)估算法，滲漏量按月蓄水量的1%計(jì)算。

淤積庫容：水庫淤積年限按10年計(jì)算，淤積庫容為96萬m3，對應(yīng)水位為115.8m。

2.1.4 興利調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果

調(diào)節(jié)原則：首先按95%來水典型年對工業(yè)供水進(jìn)行逐月徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，保證工業(yè)不缺水，且棄水較少。求滿足工農(nóng)業(yè)用水量及保證率的最小庫容即為興利庫容。通過計(jì)算得，95%來水典型年，水庫興利庫容為186萬m3，水量調(diào)節(jié)系數(shù)為44%；50%來水典型年，水庫興利庫容為203萬m3，水量調(diào)節(jié)系數(shù)為55%。

2.2 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

2.2.1 水位—泄量關(guān)系曲線

溢洪道位于大壩左岸170m處，為開敞式。其基礎(chǔ)為黏土，原設(shè)計(jì)采用寬頂堰泄流，有1孔凈寬15m，溢洪道堰頂高程129.3m。溢洪道的泄量曲線計(jì)算成果見表3。

表3 溢洪道水位—泄量關(guān)系曲線表

輸水洞為水泥砂漿砌石結(jié)構(gòu)，長70.25m，寬1.5m，高1.6m，最大泄量5m3/s。

2.2.2 起調(diào)水位鑒于溢洪道尚不具備泄洪功能，本次計(jì)算起調(diào)水位采用溢洪道原設(shè)計(jì)堰頂高程129.30m。

2.2.3 調(diào)洪演算

防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。調(diào)洪計(jì)算采用靜庫容法、水庫水量平衡方程計(jì)算。水庫水量平衡方程采用試算法求解，計(jì)算公式為：

式中：I1，I2——Δt時(shí)段始、末入庫流量，m3/s；

O1，O2——Δt時(shí)段始、末出庫流量，m3/s；

v2，v1——Δt時(shí)段始、末水庫蓄水量，萬m3；

Δt——計(jì)算時(shí)段，s。

水庫泄洪設(shè)施主要由溢洪道承擔(dān)，輸水洞不考慮泄洪。利用計(jì)算的水庫水位—庫容曲線、水位—泄量曲線、設(shè)計(jì)入庫洪水過程線進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。在壩頂高程133.0m的情況下，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，計(jì)算得最高洪水位132.31m、調(diào)洪庫容84.24萬m3、溢洪道泄量138.73m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，計(jì)算得最高洪水位133.62m、調(diào)洪庫容125.67萬m3、溢洪道泄量238.71m3/s。

2.3 水庫特征值

經(jīng)過興利調(diào)節(jié)和洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，確定謝悉水庫各種特征值為：總庫容430萬m3，興利庫容203萬m3，防洪庫容171萬m3，死庫容56萬m3；正常蓄水位128.73m，設(shè)計(jì)洪水位132.31m，校核洪水位133.62m，死水位112.22m。

3 結(jié)論

根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果，設(shè)計(jì)洪水位為132.31m，校核洪水位為133.62m，正常應(yīng)用時(shí)壩頂超高1.542m，非常應(yīng)用時(shí)的壩頂超高0.952m，現(xiàn)狀壩頂高程為133m，不符合要求，應(yīng)加設(shè)1.572m高的防浪墻。其中壩頂超高包括最大波浪在壩頂上的爬高、最大風(fēng)壅水面高度和安全高度。