淺析水利水電工程施工分期設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算

石　浩，董　磊，鄧智予

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

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淺析水利水電工程施工分期設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算

石浩，董磊，鄧智予

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

水利水電工程的施工洪水標(biāo)準(zhǔn)(重現(xiàn)期)為3～50 a，一般采用5～20 a。當(dāng)設(shè)計(jì)依據(jù)站實(shí)測(cè)資料系列較長(zhǎng)，且施工標(biāo)準(zhǔn)較低時(shí)，施工分期設(shè)計(jì)洪水可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻率確定。但直接比擬依據(jù)站的分期洪水成果不能體現(xiàn)設(shè)計(jì)壩址與依據(jù)站的集水面積等差異問題。故要對(duì)施工分期洪水作頻率分析計(jì)算。在頻率分析計(jì)算中，施工分期P=5%～20%洪水標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)盡量要通過曲線，如果適線效果不好，可考慮調(diào)整分期洪水的均值及變差系數(shù)Cv，盡可能地使頻率曲線通過實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)，保證施工分期洪水設(shè)計(jì)成果的可靠性及安全性。在施工分期暴雨頻率分析計(jì)算中也同樣存在此類問題，因此也適用于施工分期暴雨頻率分析計(jì)算。

水利水電工程；施工分期設(shè)計(jì)洪水；施工洪水標(biāo)準(zhǔn)；頻率分析計(jì)算；分期暴雨

水利水電工程設(shè)計(jì)洪水成果的可靠性是建筑物設(shè)計(jì)的依據(jù)，及工程建成后運(yùn)行安全的保障。在水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)時(shí)，須推求施工期間的分期設(shè)計(jì)洪水[1-2]，作為施工導(dǎo)流、圍堰等臨時(shí)工程，以及制定各種工程施工進(jìn)度計(jì)劃的依據(jù)。因此，施工分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果，直接關(guān)系到工程的造價(jià)、施工安全和施工期的長(zhǎng)短。

1　施工分期確定及導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)設(shè)計(jì)流域的洪水特性及設(shè)計(jì)依據(jù)站的實(shí)測(cè)洪水資料系列，并結(jié)合工程的施工導(dǎo)流程序、施工進(jìn)度計(jì)劃，確定工程的施工分期。根據(jù)《水利水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 623-2013)，結(jié)合導(dǎo)流建筑物的保護(hù)對(duì)象、實(shí)施后果、實(shí)用年限和工程規(guī)模確定導(dǎo)流建筑物級(jí)別和導(dǎo)流建筑物的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，水利水電工程的施工洪水標(biāo)準(zhǔn)(重現(xiàn)期)為3～50 a，一般采用為5～20 a。

2　施工分期洪水系列選樣

由于洪水出現(xiàn)的偶然性，各年分期洪水的最大值不一定正好在所定的分期內(nèi)，可能往前或往后錯(cuò)開幾天，因此，在用分期年最大值選樣時(shí)，有跨期和不跨期選樣兩種方法?？缙谶x樣時(shí)，為了反映每個(gè)分期的洪水特征，日期不宜超過5～10 d?？缙谶x樣計(jì)算的施工分期設(shè)計(jì)洪水，由于系列中已反映了洪水出現(xiàn)時(shí)間上一定的偶然性，因此使用時(shí)不應(yīng)再跨期。定期選樣計(jì)算的施工分期設(shè)計(jì)洪水，在使用時(shí)應(yīng)考慮跨期，跨期日期一般取5～10 d，均向內(nèi)跨。

3　施工分期設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算

以貴州省荔波水文站為例，根據(jù)確定的施工分期及洪水資料系列，采用定期選樣；統(tǒng)計(jì)荔波水文站1961-2013年10-4月施工期內(nèi)的實(shí)測(cè)最大洪峰流量，并以P—Ⅲ型理論曲線進(jìn)行適線，頻率曲線圖如圖1所示。

通常情況下，頻率曲線適線一般均值與Cs/Cv倍比不調(diào)整(貴州省施工分期洪水的Cs/Cv倍比一般取3.5)；從上面的頻率曲線圖來看，因所有系列值參與頻率分析計(jì)算，在均值與Cs/Cv倍比不調(diào)整的情況下(適線1)，無論怎么調(diào)整變差系數(shù)Cv，施工最關(guān)心的重現(xiàn)期5～20 a(P=20%～5%)洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水成果與經(jīng)驗(yàn)頻率的設(shè)計(jì)成果相差較大，照顧較低頻率的，就顧不上較高頻率的(有些分期是照顧了中間，就顧不上兩邊；或照顧兩邊就顧不上中間)。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL 44-2006)有關(guān)規(guī)定：當(dāng)設(shè)計(jì)依據(jù)站實(shí)測(cè)資料系列較長(zhǎng)，且施工標(biāo)準(zhǔn)較低時(shí)，施工分期設(shè)計(jì)洪水可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻率確定，因荔波水文站的實(shí)測(cè)資料系列較長(zhǎng)，代表性較好，荔波水文依據(jù)站的施工分期設(shè)計(jì)洪水可采用經(jīng)驗(yàn)頻率設(shè)計(jì)值；僅從依據(jù)站的施工分期設(shè)計(jì)洪水成果來看，采用經(jīng)驗(yàn)頻率確定的成果是可行且可靠的。但因設(shè)計(jì)流域與設(shè)計(jì)依據(jù)站集水面積上的差異，根據(jù)依據(jù)站的設(shè)計(jì)值按集水面積比擬到設(shè)計(jì)流域壩址處不能反映集水面積差異引起的設(shè)計(jì)洪水上變差系數(shù)Cv差異問題，故此，須根據(jù)施工分期設(shè)計(jì)洪水關(guān)心的洪水標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整頻率曲線，調(diào)整的原則是Cs/Cv倍比不變，調(diào)整均值及變差系數(shù)Cv(適線2)，根據(jù)調(diào)整后的依據(jù)站施工分期洪水成果，然后按集水面積比擬到設(shè)計(jì)壩址處，考慮地區(qū)規(guī)律，暴雨特性等差異，合理確定設(shè)計(jì)壩址的變差系數(shù)Cv，推求設(shè)計(jì)壩址不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的施工分期洪水[3-4]。

圖1　荔波水文站10-4月施工分期洪峰流量頻率曲線圖

頻率分析分期最大洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)不同頻率P設(shè)計(jì)值/(m3·s-1)均值/(m3·s-1)CvCs/Cv5%10%20%經(jīng)驗(yàn)頻率568514454適線12460.703.5592462337適線23800.273.5572517458

從上表可以看出，荔波水文站10-4月施工分期設(shè)計(jì)洪水中，所有系列值參與頻率分析計(jì)算適線1 P=5%設(shè)計(jì)洪水成果較經(jīng)驗(yàn)頻率插值的成果大4.2%，P=10%設(shè)計(jì)洪水成果較經(jīng)驗(yàn)頻率插值的成果小10.1%，P=20%設(shè)計(jì)洪水成果較經(jīng)驗(yàn)頻率插值的成果小25.8%，差異較大；而主要考慮施工分期P=5%～20%洪水標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整適線2的成果與經(jīng)驗(yàn)頻率插值計(jì)算的成果相差在1%以內(nèi)，考慮施工分期P=5%～20%洪水標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整適線2的成果更為合理。因此，在施工分期設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算中如所有系列值參與頻率適線，施工分期設(shè)計(jì)洪水P=5%～20%洪水標(biāo)準(zhǔn)下的適線效果不好，局部偏離實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)較大時(shí)，應(yīng)考慮調(diào)整分期洪水的均值及變差系數(shù)Cv，盡可能地使頻率曲線通過實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)。

因設(shè)計(jì)流域與設(shè)計(jì)依據(jù)站集水面積上的差異，根據(jù)依據(jù)站的設(shè)計(jì)值按集水面積比擬到設(shè)計(jì)流域壩址處不能反映集水面積差異引起的設(shè)計(jì)洪水上變差系數(shù)Cv差異問題[5]。以貴州省荔波縣拉寨水庫(kù)工程為例，以荔波水文站為依據(jù)站，推求拉寨壩址施工分期洪水。荔波水文站控制集水面積1213 km3；拉寨水庫(kù)壩址集水面積588 km2和3000 km2，通過分析，面積比指數(shù)為0.67。

方法①：采用荔波水文站的經(jīng)驗(yàn)頻率設(shè)計(jì)值，按面積比擬推求壩址設(shè)計(jì)值。

方法②：采用荔波水文站調(diào)整后的適線2統(tǒng)計(jì)參數(shù)，按面積比擬推求壩址分期洪峰流量均值，Cv考慮比依據(jù)站大0.05，然后推求壩址設(shè)計(jì)值。拉寨水庫(kù)壩址10-4月施工分期設(shè)計(jì)洪水成果比較見表2。

表2　拉寨水庫(kù)壩址10-4月施工分期設(shè)計(jì)洪水成果比較表

從上表可以看出，拉寨水庫(kù)壩址10-4月施工分期設(shè)計(jì)洪水方法②較方法①成果大3.8%～7.5%，且方法②考慮洪水因集水面積差異而引起的洪水變差系數(shù)不同的問題，方法②成果更合理，推薦方法②計(jì)算的施工分期設(shè)計(jì)洪水成果。設(shè)計(jì)壩址與集水面積的差異愈大，兩種方法計(jì)算的成果差異會(huì)更大；當(dāng)依據(jù)站與設(shè)計(jì)壩址集水面積差異在5%以內(nèi)，可采用方法①成果；當(dāng)依據(jù)站與設(shè)計(jì)壩址集水面積差異大于5%，建議采用方法②成果。

4　結(jié)論

施工分期設(shè)計(jì)洪水成果是施工組織設(shè)計(jì)的依據(jù)及施工安全的保障，在施工分期設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算中當(dāng)施工分期設(shè)計(jì)洪水P=5%～20%洪水標(biāo)準(zhǔn)下的適線效果不好，局部偏離實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)較大時(shí)，可考慮調(diào)整分期洪水的均值及變差系數(shù)Cv，盡可能地使頻率曲線通過實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)，保證施工分期洪水設(shè)計(jì)成果的可靠性及安全性。當(dāng)依據(jù)站與設(shè)計(jì)壩址集水面積差異在5%以內(nèi)，可采用面積直接比擬依據(jù)站的經(jīng)驗(yàn)頻率確定的設(shè)計(jì)成果；當(dāng)依據(jù)站與設(shè)計(jì)壩址集水面積差異大于5%，建議采用面積比擬依據(jù)站調(diào)整均值及變差系數(shù)Cv的適線成果，并同時(shí)考慮依據(jù)站與設(shè)計(jì)壩址的變差系數(shù)變化差異。此外，暴雨洪水計(jì)算方法是小流域普遍采用的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，在施工分期暴雨頻率分析計(jì)算中也同樣存在上面提到的問題，因此也適用于施工分期暴雨頻率分析計(jì)算。

[1]黃錦林, 趙吉國(guó). 中小型水庫(kù)施工期洪水計(jì)算方法探討[J]. 廣東水利水電, 2008(9):13-15.

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石浩(1978-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水文及水資源工程方面的工作。

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