塔山水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核計(jì)算

劉　宇

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧 撫順 113007)

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塔山水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核計(jì)算

劉宇

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧 撫順 113007)

塔山水庫運(yùn)行多年，出現(xiàn)部分工程老化等諸多病險(xiǎn)隱患，水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核。水庫所在河流無水文資料，為此采用無資料地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法，對(duì)不同頻率設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行復(fù)核計(jì)算與分析，復(fù)核后塔山水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇設(shè)計(jì)，20 a一遇校核。通過復(fù)核為水庫下一步做好除險(xiǎn)加固和工程運(yùn)行管理提供依據(jù)。

無資料地區(qū)；設(shè)計(jì)暴雨；設(shè)計(jì)洪水；防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核；塔山水庫

1　概況

塔山水庫位于開原市威遠(yuǎn)鎮(zhèn)塔山村塔山小流域上, 建于1958年，是一座以防洪為主兼有灌溉、養(yǎng)殖等效益的小(Ⅱ)型水庫，總庫容22.26萬m3。水庫原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇，原校核洪水標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇。由于1994年、1995年連續(xù)兩年特大暴雨引發(fā)山洪,并帶有大量泥沙及漂浮物涌入塔山水庫，超標(biāo)準(zhǔn)洪水使塔山水庫溢洪道全部被沖毀，輸水洞塌陷，水庫停止使用。2003年復(fù)建，2004年完工，盡管主體工程進(jìn)行了全面改造，但由于施工質(zhì)量差，雖然進(jìn)行了小規(guī)模的檢修，但沒能解決根本問題。2007年經(jīng)安全鑒定確認(rèn)為三類壩，為病險(xiǎn)水庫。根據(jù)“當(dāng)山區(qū)、丘陵區(qū)的水庫樞紐工程擋水建筑物的擋水高度低于15 m，上、下游水頭差小于10 m時(shí)，其防洪標(biāo)準(zhǔn)可按平原區(qū)、濱海區(qū)的規(guī)定確定”規(guī)定，本次復(fù)核確定塔山水庫的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按10 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇。

2　不同頻率設(shè)計(jì)暴雨復(fù)核

2.1設(shè)計(jì)暴雨均值P均的計(jì)算

塔山水庫地區(qū)無水文資料，根據(jù)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》[1]，查得塔山水庫位于遼寧省水文分區(qū)Ⅲ6區(qū)，水庫暴雨匯流歷時(shí)計(jì)算見式(1)：

(1)

式中：τ為匯流歷時(shí)，h；L為河長，L=2.35 km；J為河道比降，J=31.08‰；F為集雨面積，F(xiàn)=2.71 km2；x、y為系數(shù)，x=0.96，y=0.73。

經(jīng)計(jì)算，匯流歷時(shí)τ為0.51 h。

結(jié)合水庫所在區(qū)域，根據(jù)遼寧省“年最大10 min(1 h、6 h、24 h、三日)暴雨均值等值線圖”查得P均值。根據(jù)遼寧省“年最大10 min(1 h、6 h、24 h、三日)暴雨變差系數(shù)Cv等值線圖”查得Cv值。Cs一律采用3.5 Cv。再根據(jù)“皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)Kp值表(Cs=3.5 Cv)”查得P=10%、P=5%的Kp值。設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)詳見表1。

表1 塔山水庫設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)表

2.2設(shè)計(jì)暴雨面雨量PP面的計(jì)算

(2)

式中:KF為點(diǎn)面雨量折算系數(shù)，因塔山水庫流域面積很小，點(diǎn)雨量即代表面雨量，故KF取1。并依據(jù)表1中各時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨KP與暴雨均值P均，計(jì)算得到設(shè)計(jì)面雨量PP面見表2。

表2　塔山水庫設(shè)計(jì)面雨量PP面計(jì)算表

2.3設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度ip計(jì)算

(3)

式中：τ為匯流時(shí)間，h；ip為定頻率下匯流時(shí)間歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/h；Ptp面為定頻率下匯流時(shí)間歷時(shí)設(shè)計(jì)面暴雨，mm。

不同頻率設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度ip計(jì)算見表3。

表3　塔山水庫設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度ip計(jì)算表

表3中的n0p、n1p、n2p分別為10～60 min、1～6 h和6～24 h的暴雨遞減指數(shù)，根據(jù)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》中“暴雨指數(shù)n0p、n1p、n2p查用表”查得相應(yīng)值。

3　不同頻率設(shè)計(jì)洪水復(fù)核

本流域洪水主要由暴雨產(chǎn)生，由于流域?qū)偕絽^(qū)性河流，河道坡降陡，暴雨形成陡漲陡落的洪水，由于一次天氣過程造成的暴雨歷時(shí)較短，主要集中在1 d之內(nèi)，只是較大的洪水呈單峰型。一次洪水歷時(shí)一般在2～3 d，漲落歷時(shí)短，一次洪水總量在24 h內(nèi)。

3.1不同頻率設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算

設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算公式[2]：

QP=0.278ψpipF

(4)

式中：QP為定頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；ψp為設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)；ip為定頻率下匯流時(shí)間歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,mm/h；F為流域面積,km2。

設(shè)計(jì)洪量計(jì)算公式：

(5)

(6)

(7)

式中：W三p、W(三-24)p、W24P分別是一定頻率下三日洪量，三日減24 h洪量，24 h洪量,萬m3；a三p、a(三-24)p分別是一定頻率下三日洪量徑流系數(shù)，三日減24 h洪量徑流系數(shù)。F為流域面積,km2。

塔山水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表4。

表4　塔山水庫設(shè)計(jì)洪峰流量及洪量計(jì)算成果表

3.2設(shè)計(jì)頻率洪水調(diào)洪計(jì)算

推求洪水過程線形狀系數(shù)，見式(8)[3]：

rp=0.36×52W24P/QP

(8)

式中：rp為設(shè)計(jì)洪水過程線系數(shù)；W24p為定頻率下24 h洪量,萬m3；QP為定頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s。

不同頻率參與調(diào)洪的設(shè)計(jì)洪量計(jì)算，見式(9)[3]：

(9)

式中：W調(diào)p為不同頻率參與調(diào)洪的洪量,萬m3；W24p為定頻率下24 h洪量,萬m3；QP為定頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；τ為匯流時(shí)間,h。

經(jīng)計(jì)算，洪水過程線形狀系數(shù)rp在設(shè)計(jì)頻率10%和5%情況下分別為0.03、0.04；參與調(diào)洪的洪量W調(diào)p在設(shè)計(jì)頻率10%和5%情況下分別為19.3萬m3、27.1萬m3。

塔山水庫為開敞式溢洪道，起調(diào)水位按溢洪道堰頂高程150.7 m開始起調(diào)。因所求設(shè)計(jì)洪水過程線形狀系數(shù)rp<0.05，用簡(jiǎn)化三角形過程線進(jìn)行調(diào)洪。計(jì)算過程中不點(diǎn)繪H～qm關(guān)系線與H～q關(guān)系線，通過在交叉點(diǎn)附近加密堰上水頭H0進(jìn)行計(jì)算，最后獲得水庫的最高洪水位和最大泄量。其中溢洪道凈寬B=8 m，寬頂堰流量系數(shù)m=0.33；側(cè)向收縮系數(shù)ε=1。

(1)10%設(shè)計(jì)頻率的洪水調(diào)洪計(jì)算

塔山水庫10%設(shè)計(jì)頻率洪水調(diào)洪計(jì)算見表5。

表5　塔山水庫10%設(shè)計(jì)頻率洪水調(diào)洪計(jì)算

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算10 a一遇的設(shè)計(jì)洪水水位152.11 m，相應(yīng)庫容18.97萬m3，最大泄量19.58 m3/s 。

(2)5%設(shè)計(jì)頻率的洪水調(diào)洪計(jì)算

塔山水庫5%設(shè)計(jì)頻率洪水調(diào)洪計(jì)算見表6。

表6　塔山水庫5%設(shè)計(jì)頻率洪水調(diào)洪計(jì)算

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算20 a一遇的設(shè)計(jì)洪水水位152.47 m，相應(yīng)庫容22.58萬m3，最大泄量27.54 m3/s。

3.3設(shè)計(jì)洪水特征值復(fù)核

塔山水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，設(shè)計(jì)水位152.48 m，校核標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，水位152.11 m。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)規(guī)定，現(xiàn)狀水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，設(shè)計(jì)水位152.47 m，校核標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，水位152.11 m。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)值與本次復(fù)核值基本相符，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)值可用。復(fù)核設(shè)計(jì)洪水特征值與原特征值比較見表7。

表7　復(fù)核設(shè)計(jì)洪水特征值與原特征值比較

4　結(jié)　論

通過對(duì)塔山水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算與分析，采用無資料地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法計(jì)算水庫的設(shè)計(jì)頻率5%和10%的洪水過程，計(jì)算得到了入庫洪峰流量、相應(yīng)庫容、相應(yīng)最高水位及溢洪道相應(yīng)的最大泄流量與原設(shè)計(jì)值基本一致，表明本次計(jì)算的結(jié)果是合理的。通過設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算與分析為工程建設(shè)提供翔實(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)為類似工程建設(shè)提供參考和借鑒，更為水庫除險(xiǎn)加固后發(fā)揮其防洪、改善生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

[1]耿華. 《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》(98版)應(yīng)用分析[J]. 城市道橋與防洪, 2015(9):119-120.

[2]李化.孟家店水庫除險(xiǎn)加固工程壩頂高程復(fù)核[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2016(3):100-101,104.

[3]湯秀娥,鄭學(xué)華.海龍川水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水計(jì)算及分析[J].陜西水利, 2016(1):73-74.

劉宇(1983-)，男，工程師，主要從事水利工程管理工作。

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