淺談小型水庫除險加固工程設(shè)計中水文水利計算問題

孫聰影

河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院

1 引言

在水資源日益枯竭的背景下，很多地方會通過修建水庫的方式來集中管理水體資源。為了延長小型水庫的使用壽命，需要在方案設(shè)計的過程中做好除險加固內(nèi)容的設(shè)計。在加固方案設(shè)計之前，還需要做好水文水利計算工作，根據(jù)水文水利計算結(jié)果來明確加固方案中需要重點關(guān)注的內(nèi)容，從而提高方案設(shè)計的合理性，延長小型水庫的除險能力。

2 小型水庫除險加固工程設(shè)計中水文水利計算的主要內(nèi)容

2.1 設(shè)計暴雨

在水文水利計算的過程中，設(shè)計暴雨屬于非常重要的環(huán)節(jié)之一。為了提高設(shè)計內(nèi)容的適應(yīng)性，一般做法是根據(jù)壩址以上流域中心位置查閱當(dāng)?shù)鼐幹频摹侗┯旰樗樗闶謨浴罚?，某地方《暴雨洪水查算手冊》中顯示出當(dāng)?shù)乇┯赀B續(xù)時間為24h、6h和1h 的最大暴雨均值與變差系數(shù)。目前很多地方也會設(shè)置雨量站，站內(nèi)有相應(yīng)的雨量資料，結(jié)合兩種途徑資料來選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎銛?shù)值，假定所選擇的暴雨均值為24h的數(shù)據(jù)信息，那么該均值可以表示為P24,而模比數(shù)值記為Kp，同時還需要確定點面系數(shù)a，根據(jù)三組數(shù)值可以得出地區(qū)每個時間段的面雨量H24。根據(jù)分布圖和具體數(shù)值來得出不同頻率下的暴雨分配量，從而提升數(shù)據(jù)信息的可信度。

2.2 設(shè)計洪水

2.2.1 產(chǎn)流設(shè)計

在水文水利計算過程中，設(shè)計洪水也屬于重要的應(yīng)用內(nèi)容之一。與設(shè)計暴雨相類似，在設(shè)計洪水的過程中，也需要對當(dāng)?shù)氐摹侗┯旰樗樗闶謨浴愤M(jìn)行查閱，所查閱的內(nèi)容包括整體區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)流分區(qū)、產(chǎn)流分區(qū)的最大蓄水量、區(qū)域內(nèi)土壤的含水量、暴雨的平均強度等。根據(jù)《暴雨洪水查算手冊》內(nèi)容來完成后續(xù)數(shù)據(jù)計算的相關(guān)工作。例如，假定產(chǎn)流分區(qū)可以組成集合A,A={A1,A2,A3,...,An}，其中n=1,2,3,...,n。不同分區(qū)最大蓄水量為Im（m=1,2,3,...,m）,分流區(qū)域內(nèi)土壤的含水量為Pm（m=1,2,3,...,m）。根據(jù)已經(jīng)得到的數(shù)據(jù)信息展開計算，從而獲取到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

2.2.2 匯流設(shè)計

在匯流計算的過程中，需要應(yīng)用到相應(yīng)的計算公式，在正式展開計算之前，需要根據(jù)《暴雨洪水查算手冊》中的相應(yīng)內(nèi)容，對具體的應(yīng)用分區(qū)進(jìn)行展開計算，具體的計算公式如下：公式（1）Qt=kh/t×F；公式（2）T=kL/mJ1/3Qt0.25；在對其進(jìn)行計算時，可以假定未知數(shù)C，C=L/J1/3，從而可以得出公式；（3）Qt=（kC/mT）4，在公式（1）、（2）、（3）當(dāng)中，h表示在不同的時間段所產(chǎn)生的凈雨水量，其計量單位為毫米（mm）；T 和t 代表不同的時間，計量單位為小時（h）；F表示區(qū)域內(nèi)的流域面積，計量單位為平方公里（km2）；Q表示區(qū)域內(nèi)的流量，計量單位為立方米/秒（m3/s）；k表示計算常數(shù)，具體數(shù)值需要翻看當(dāng)?shù)亍妒謨浴愤M(jìn)行確定；L表示主河道的具體長度，計量單位為千米（km）；J則表示結(jié)構(gòu)的坡降情況（平均值）；m表示單位時間內(nèi)的匯流參數(shù)。將對應(yīng)數(shù)值代入到公式當(dāng)中，從而得出準(zhǔn)確的計算數(shù)值。

2.3 調(diào)洪計算

在水利水文的計算過程中，調(diào)洪計算也屬于重要的應(yīng)用內(nèi)容，在具體實踐的過程中，需要注意三個基本要素的應(yīng)用，即洪水過程曲線、泄流曲線與庫容曲線等。洪水過程曲線是在進(jìn)行洪水設(shè)計時得出的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，泄流曲線是單位時間內(nèi)水庫水位與流量之間的關(guān)系反饋，在具體計算的過程中，可以通過相應(yīng)的計算公式和采集數(shù)據(jù)來完成曲線計算，從而提升曲線本身的可操作性。而庫容曲線是水庫在某一段時間內(nèi)，其水庫內(nèi)總?cè)萘康淖兓闆r。結(jié)合三組曲線和對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，可以將其代入到水量平衡計算公式當(dāng)中，結(jié)合試算法來完成洪水調(diào)節(jié)的計算，從而提升設(shè)計方案本身的可操作性。

2.4 壩頂高程復(fù)核

除了上述應(yīng)用內(nèi)容以外，壩頂高程復(fù)核也屬于重要的計算內(nèi)容之一。在對其展開計算時，會通過洪水調(diào)節(jié)的方式來計算出同等頻率下所形成的最高洪水位，客觀判斷洪水位與壩頂高程之間的相互關(guān)系，以驗證壩體修建的合規(guī)性。在實際計算的過程中，需要對當(dāng)?shù)亍秹误w設(shè)計規(guī)范要求》進(jìn)行了解，根據(jù)規(guī)范中的相關(guān)性內(nèi)容來確定壩頂高程。結(jié)合以往的應(yīng)用經(jīng)驗，壩頂超高=水面上最大波浪能夠在壩體上的爬升高度+最大風(fēng)壅水面高度+最初設(shè)計時的安全加高。根據(jù)不同的壩體類型，在計算壩頂高程時，其計算結(jié)果也存在著較大的差異性。對此，需要客觀考慮各項內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 水文水利計算時的注意事項

3.1 做好資料收集工作

通過做好資料收集工作，能夠為后續(xù)計算過程的順利推進(jìn)奠定堅實的基礎(chǔ)。在實際應(yīng)用過程中，需要注意以下幾部分內(nèi)容：（1）水庫初步設(shè)計資料、水庫安全鑒定書、水庫登記注冊資料及水庫歷年除險加固等資料。（2）水庫萬分之一地形圖和庫區(qū)地形圖，地勘測量圖。通過萬分之一地形圖確定水庫的位置、集雨面積、主河道長、主河道比降，確保高程系統(tǒng)的一致性。（3）原設(shè)計的水位～面積～容積關(guān)系曲線。由于長期運行中，水庫會存在一定程度的淤積，此時的水位～面積關(guān)系會發(fā)生一定的變化，運用DEM 與遙感技術(shù)相結(jié)合對水庫的水位～面積關(guān)系進(jìn)行測定計算，可彌補因水庫在豐水期等原因無法對其進(jìn)行實測的缺陷。

3.2 做好現(xiàn)場勘查工作

通過做好現(xiàn)場勘查工作，有利于提升水文水利計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高加固設(shè)計方案的可操作性。在具體實踐操作中，需要注意以下幾部分內(nèi)容：（1）水庫在本地區(qū)的流域條件、洪水成因情況等?，F(xiàn)場檢查時詳細(xì)了解洪水的來水情況，是否存在梯級水庫調(diào)度問題，是否為庫中庫，是否存在引水情況等。（2）水庫歷年運行管理情況及對歷史洪水進(jìn)行調(diào)查。如歷年險情，大壩是否曾進(jìn)行加高加固，歷年最高水位等。（3）溢洪道歷年過水深度，溢洪道控制段高程是否曾提高或降低及其原因、溢洪道類型、溢流凈寬、襯砌形式等[1]。

3.3 確定洪水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

通過確定洪水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，可以規(guī)范整個計算過程，提升計算過程的有序性。在實際應(yīng)用過程中，需要對當(dāng)?shù)氐囊?guī)范內(nèi)容展開研究，結(jié)合規(guī)范中的相應(yīng)內(nèi)容來確定具體的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。例如，某地方標(biāo)準(zhǔn)中指出，洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，在校核時洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。這樣校核會降低結(jié)果的科學(xué)性，因此在實際操作中，應(yīng)客觀考慮水庫下游交通設(shè)施的重要程度、水庫庫容變化情況等，從而提高標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的指導(dǎo)性[2]。

3.4 做好合理性分析

通過做好合理性分析，可以提高水文水利計算結(jié)果的客觀性，為后續(xù)加固計劃的調(diào)整提供參考。結(jié)合以往的應(yīng)用經(jīng)驗，可以利用比較法來展開細(xì)致分析，將該水庫設(shè)計成果和其他水庫的設(shè)計成果進(jìn)行對比，若參數(shù)差異性較大，需要重新校核數(shù)據(jù)，反之則表明本次設(shè)計結(jié)果滿足實際的應(yīng)用要求，可以作為操作方案進(jìn)行使用[3]。

3.5 明確蓄水位與死水位

通過明確蓄水位與死水位的基本情況，對于水庫正常水位的確定有著積極的幫助作用。在實際應(yīng)用中，可以結(jié)合蓄水位與死水位的具體情況，與相關(guān)人員商討水庫正常水位的準(zhǔn)確性。若水庫在以往的應(yīng)用過程中出現(xiàn)過水位降低的情況，那么應(yīng)該充分考慮水位變化情況的影響性，并與相關(guān)部門進(jìn)行協(xié)商，重新確定水庫的正常水位。

3.6 做好當(dāng)?shù)夭块T的協(xié)調(diào)工作

通過做好當(dāng)?shù)夭块T的協(xié)調(diào)工作，能夠提高水文計算工作開展的有序性，提高計算結(jié)果的科學(xué)性。在具體的操作過程中，需要和當(dāng)?shù)厮芾聿块T做好溝通工作，掌握更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)工程的最優(yōu)化設(shè)計，提高加固方案的可操作性。

4 結(jié)束語

綜上所述，做好資料收集工作，能夠為后續(xù)計算過程的順利推進(jìn)奠定堅實的基礎(chǔ)，做好現(xiàn)場勘查工作，有利于提升水文水利計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定洪水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，可以規(guī)范整個計算過程，做好合理性分析，可以提高水文水利計算結(jié)果的客觀性，明確蓄水位與死水位的基本情況，對于水庫正常水位的確定有著積極的幫助作用，做好當(dāng)?shù)夭块T的協(xié)調(diào)工作，能夠提高水文計算工作開展的有序性。通過做好水文水利計算工作，對于提高除險加固方案設(shè)計的科學(xué)性，延長水庫工程使用壽命有著積極地作用。