淤地壩除險加固中溢洪道調(diào)洪計算有關(guān)問題探討

王志堅，曹文洪

(1.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 太原030013； 2.水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京100048)

淤地壩除險加固中溢洪道調(diào)洪計算有關(guān)問題探討

王志堅1，曹文洪2

(1.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 太原030013； 2.水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京100048)

水土保持；淤地壩；除險加固；調(diào)洪計算；山西

淤地壩除險加固是確保工程安全和人民生命財產(chǎn)安全的重要措施，增設(shè)溢洪道是淤地壩除險加固的主要建設(shè)內(nèi)容。根據(jù)大中型淤地壩在壩系中的位置，科學(xué)合理地確定各壩的防洪標準，做好洪水組合和調(diào)洪計算，是溢洪道設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題。結(jié)合山西省在淤地壩除險加固設(shè)計中的實際處理方案，按單壩和壩系2種情況討論防洪標準，按單壩、設(shè)計壩上游串聯(lián)一座淤地壩和并聯(lián)幾座淤地壩3種情況分析洪水組合，根據(jù)不同的淤積高程進行了調(diào)洪計算，還提出了建立壩系水動力學(xué)洪水演進模型，通過模型試驗完善壩系洪水組合和溢洪道設(shè)計理論的技術(shù)思路。

根據(jù)水利部《關(guān)于開展中型以上病險淤地壩認定和除險加固初步設(shè)計工作的通知》要求，經(jīng)核查山西省中型以上病險淤地壩分布涉及9市48縣，共有1 020座，其中骨干壩729座、中型壩291座。在這些病險淤地壩中，樞紐組成為大壩和放水建筑物“兩大件”、無泄洪設(shè)施、需要增設(shè)溢洪道的有941座，占總數(shù)的92.3%，因此增設(shè)溢洪道是此次除險加固工程的主要建設(shè)內(nèi)容。同時，這些淤地壩中既有單獨支溝內(nèi)的淤地壩工程，又有小流域壩系工程，既有攔泥量尚未達到設(shè)計淤積高程的淤地壩工程，又有攔泥量已超過設(shè)計淤積高程、加壩條件不具備或不經(jīng)濟的淤地壩工程。本研究結(jié)合山西省淤地壩除險加固工作遇到的實際問題，就如何科學(xué)合理地確定各壩的防洪標準，實現(xiàn)壩系洪水組合和調(diào)洪計算進行了探討。

1 除險加固設(shè)計標準

淤地壩設(shè)計標準是根據(jù)建筑物級別來確定的。以前建設(shè)的淤地壩基本都按單壩考慮，設(shè)計標準依據(jù)庫容而定：庫容在100萬m3以上的骨干壩，主要建筑物級別按1級設(shè)計，防洪標準按30年一遇洪水設(shè)計、300年一遇洪水校核；庫容在50萬～100萬m3的骨干壩，主要建筑物級別按2級設(shè)計，防洪標準按20年一遇洪水設(shè)計、200年一遇洪水校核；庫容在10萬～50萬m3的中型淤地壩，主要建筑物級別按3級設(shè)計，防洪標準按20年一遇洪水設(shè)計、50年一遇洪水校核。

1.1 單獨支溝的淤地壩

除險加固設(shè)計中，對在單獨支溝中建設(shè)的骨干壩，仍按上述設(shè)計標準進行除險加固，符合有關(guān)規(guī)范和政策要求的，可以保持原有設(shè)計標準，但對下游有重要設(shè)施的淤地壩，根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51018—2014)中 “失事后損失巨大或影響十分嚴重的淤地壩工程2級、3級主要永久性水工建筑物，經(jīng)過論證，可提高一級”的要求，其設(shè)計標準應(yīng)提高到1級、2級。對在單獨支溝中建設(shè)的中型淤地壩，根據(jù)水利部《關(guān)于進一步加強淤地壩等水土保持攔擋工程建設(shè)管理和安全運行的若干意見》(水?！?010〕455號)的要求，“在骨干壩控制區(qū)域外，一般不得建設(shè)中型淤地壩，確需建設(shè)的，必須按骨干壩標準進行設(shè)計，以提高工程建設(shè)標準”，主要建筑物級別應(yīng)按2級設(shè)計，防洪標準相應(yīng)提高到20年一遇洪水設(shè)計、200年一遇洪水校核。

1.2 壩系中的淤地壩

對壩系工程中需要進行除險加固的中型以上病險淤地壩，設(shè)計標準不僅應(yīng)符合上述原則，而且應(yīng)根據(jù)大中型淤地壩在壩系中的位置，考慮與其相關(guān)的淤地壩設(shè)計標準。從安全角度考慮，在壩系中，如果有部分骨干壩主要建筑物級別按1級設(shè)計，防洪標準按30年一遇洪水設(shè)計、300年一遇洪水校核，那么在其影響范圍內(nèi)的大中型淤地壩均應(yīng)按此標準進行設(shè)計。否則，一旦發(fā)生校核洪水，這些串聯(lián)在按1級標準設(shè)計的骨干壩之間的中型淤地壩及按2級標準設(shè)計的骨干壩，將會有潰壩的可能。從洪水組合和調(diào)洪計算來看，不同設(shè)計標準的洪水，在調(diào)洪計算時很難進行洪水組合，也不符合假設(shè)全流域降水一致的前提條件。因此，在壩系中，如有部分骨干壩主要建筑物級別按1級標準設(shè)計，那么與其相關(guān)的按3級標準設(shè)計的中型淤地壩和按2級標準設(shè)計的骨干壩防洪標準均應(yīng)提高到30年一遇洪水設(shè)計、300年一遇洪水校核。對與按2級標準設(shè)計的骨干壩有關(guān)的按3級標準設(shè)計的中型淤地壩，其防洪標準應(yīng)按20年一遇洪水設(shè)計、200年一遇洪水校核。但對位于支溝最上游、其下游有骨干壩的中型淤地壩，因在其下游骨干壩設(shè)計中已考慮上游流域的整個面積，在該中型淤地壩除險加固時，仍可按3級標準設(shè)計，其防洪標準按20年一遇洪水設(shè)計、50年一遇洪水校核。這就是說，除險加固時，根據(jù)大中型淤地壩在壩系中的位置，按1級標準設(shè)計的骨干壩，其設(shè)計標準不變；按2級標準設(shè)計的骨干壩，有可能按2級標準設(shè)計，也可能要提高到1級標準設(shè)計；按3級標準設(shè)計的中型壩，有可能要提高到2級標準設(shè)計，也可能要提高到1級標準設(shè)計。

2 壩系洪水組合

壩系洪水組合是壩系調(diào)洪計算的關(guān)鍵，也是確定工程規(guī)模、控制工程投資的重要依據(jù)。由于過去大中型淤地壩的建設(shè)思路是以足夠庫容攔蓄暴雨洪水，即設(shè)計標準內(nèi)的洪水全攔全蓄，樞紐組成多為“兩大件”，個別骨干壩就算按“三大件”布設(shè)，其溢洪道設(shè)計也沒有按壩系全面考慮洪水組合，因此目前在有關(guān)淤地壩的國標、行標和省標中，還沒有按壩系工程系統(tǒng)考慮處于不同位置的大中型淤地壩的洪水組合。

壩系中，當上游淤地壩泄洪后，下游相鄰的大中型淤地壩的洪水組合就是區(qū)間洪量和上游壩下泄洪量的和，因此除險加固時對壩系中的每座大中型淤地壩應(yīng)采取自上而下的辦法，逐壩進行洪水組合和調(diào)洪計算。根據(jù)大中型淤地壩在溝道壩系中的位置，除險加固時洪水計算可按下面三種情況考慮。

2.1 單壩計算

對位于支溝上游，擬除險加固的骨干壩上游僅有中型壩的，若中型壩按3級建筑物設(shè)計，則該骨干壩除險加固設(shè)計時可不考慮上游中型壩的洪水組合，按其上游總面積進行單壩計算；若中型壩下游有重要設(shè)施，設(shè)計標準已提高到骨干壩的設(shè)計標準，則其下游骨干壩按串聯(lián)壩進行洪水組合計算。對單獨支溝中按3級建筑物設(shè)計的中型壩，除險加固按2級建筑物設(shè)計標準進行單壩設(shè)計。

根據(jù)《淤地壩工程技術(shù)規(guī)范》(晉Q 834—85)，洪峰流量、洪水總量計算公式分別為

QP=C1H24PF2/3

(1)

式中：QP為洪峰流量，m3/s；C1為洪峰地理參數(shù)；F為產(chǎn)流面積，km2；H24P為24 h暴雨量，mm。

WP=KRPF

(2)

式中：WP為洪水總量，萬m3；K為小面積洪水折減系數(shù)；RP為設(shè)計暴雨的一次洪水模數(shù)，萬m3/km2；其他符號意義同上。

2.2 設(shè)計壩上游串聯(lián)一座淤地壩泄洪時

設(shè)計壩上游串聯(lián)一座淤地壩泄洪時，組合洪峰流量計算公式為

(3)

組合洪水總量計算公式為

(4)

式中：WP調(diào)為經(jīng)上游壩調(diào)節(jié)后的洪水總量，萬m3；WP未為未經(jīng)上游壩調(diào)節(jié)的洪水總量，萬m3；F為設(shè)計壩的總產(chǎn)流面積，km2；f區(qū)為區(qū)間產(chǎn)流面積，km2；W1為上游壩達到最大下泄流量時的泄洪總量，萬m3。

2.3 設(shè)計壩上游并聯(lián)幾座淤地壩泄洪時

設(shè)計壩上游并聯(lián)m座淤地壩泄洪時，組合洪峰流量的計算公式為

(5)

組合洪水總量計算公式為

(6)

式中：F為設(shè)計壩的總產(chǎn)流面積，km2；W1為上游1號壩達到最大下泄流量時的泄洪總量，萬m3；W2為上游2號壩達到最大下泄流量時的泄洪總量，萬m3；Wm為上游m號壩達到最大下泄流量時的泄洪總量，萬m3；其他符號意義同上。

3 壩系調(diào)洪計算

除險加固時，現(xiàn)有壩高、庫容已定，滯洪壩高就是溢流堰堰上的最大過水深度。在洪水組合確定的情況下，由此反推溢洪道起調(diào)水位(即溢流堰的底坎高程)、底寬、最大過水深度和下泄流量是調(diào)洪計算要解決的問題。這一過程往往需要進行幾次試算，而且要完全吻合，計算量也比較大，因此在進行除險加固設(shè)計時，允許除險加固后庫容與原有庫容有少許誤差，通常這一誤差不超過0.5萬m3，這對安全超高的影響很小，一般不會超過10 cm。調(diào)洪計算按兩種情況考慮。

3.1 溢流堰底坎高程高于或等于現(xiàn)有淤積高程時

需要除險加固的大多數(shù)淤地壩，在現(xiàn)有淤積高程或淤積高程以上進行調(diào)洪計算時剩余庫容能夠滿足滯洪要求，即使不能滿足滯洪要求，也具備壩體加高條件，此時可采用以下公式進行調(diào)洪計算。

3.1.1 粗調(diào)計算

先假定不同的溢流堰底坎高程作為起調(diào)水位，進行粗調(diào)。經(jīng)過粗調(diào)計算，擬定溢流堰底坎高程和底寬。粗調(diào)采用的計算公式為

qP=QP組(1-Vt/WP組)

(7)

qP=MBh3/2

(8)

式中：qP為溢洪道下泄流量，m3/s；QP組為組合洪峰流量，m3/s；Vt為調(diào)節(jié)庫容，萬m3；WP組為組合洪水總量，萬m3；M為溢洪道流量系數(shù)；B為溢洪道底寬，m；h為淤地壩滯洪水深，m。

3.1.2 詳調(diào)計算

在擬定的溢流堰底坎高程和底寬情況下，根據(jù)洪水過程線和溢洪道下泄流量曲線，通過計算某一時段內(nèi)入庫洪水量與出庫洪水量之差，求得該時段內(nèi)庫水量增減變化。計算公式為

=SΔt

(9)

式中：ΔV為Δt時段內(nèi)庫水量增減量(增為正)，m3；Δt為時段長，s；Q1、Q2分別為時段始、末入庫組合洪水流量，m3/s；q1、q2分別為時段始、末溢洪道下泄流量，m3/s；S1、S2分別為時段始、末蓄水率，m3/s；S為平均蓄水率，m3/s。

當入庫組合洪水流量等于出庫下泄流量時，對應(yīng)的調(diào)節(jié)庫容即為滯洪庫容，此時的下泄流量即為溢洪道設(shè)計流量。

3.2 溢流堰底坎高程低于現(xiàn)有淤積高程時

對于現(xiàn)有淤積高程已超過設(shè)計淤積高程的淤地壩，在調(diào)洪計算時，剩余庫容不能滿足滯洪要求，而且地形、交通道路、壩體兩側(cè)已有建筑物等諸多限制因素，致使該壩已不具備加高壩體或是在現(xiàn)有排洪渠位置上布設(shè)溢洪道的條件，此時溢流堰底坎高程低于現(xiàn)有淤積高程，見圖1。

圖1 溢流堰底坎高程與淤積高程的關(guān)系

在這種情況下，溢洪道下泄流量具有以下特點：來水初期，組合洪水流量由排洪渠經(jīng)溢洪道全部排走，當時間達到t1時，排洪渠達到最大排洪流量，此時多余洪水溢出排洪渠到現(xiàn)有淤積面，淤地壩開始滯洪，壩前庫水位開始上升，溢洪道下泄流量等于排洪渠最大排洪流量，溢流堰堰上水深為h1；當時間到t2時，溢洪道下泄流量達到最大，壩前水位達到最高水位，此時溢流堰堰上水深為h1+h；之后水位不再上升，反而逐漸降低，下泄流量逐漸減小，直到結(jié)束。對這類問題如何進行調(diào)洪計算，規(guī)范中并沒有明確，設(shè)計時可按以下方法進行簡化計算。

粗調(diào)計算，仍用公式(7)、(8)，擬定溢流堰底坎高程和底寬。但對不能進行壩體加高的淤地壩工程，滯洪庫容就是剩余庫容。

詳調(diào)計算，入庫水量增減變化仍用公式(9)，但下泄流量可分2種情況考慮。

3.2.1 溢流堰水位在現(xiàn)有淤積高程以下時

溢洪道下泄流量就是排洪渠排洪流量，淤地壩不滯洪。排洪渠最大水深為溢流堰底坎高程到現(xiàn)有淤積高程的高度，溢洪道最大下泄流量為水深h1時排洪渠的流量。下泄流量計算公式為

(10)

其中

R=ω/X

式中：Q排為排洪渠排洪流量，m3/s；ω為過水斷面面積，m2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；X為濕周；n為糙率；i為渠底比降；其他符號意義同上。

3.2.2 溢流堰水位超過現(xiàn)有淤積高程時

淤地壩開始滯洪，溢流堰過水流量由排洪渠最大排洪流量Q排和淤地壩滯洪水深帶來的溢流堰下泄流量兩部分組成，下泄流量按下式簡化計算，即

qP=Q排大+MBh3/2

(11)

式中：qP為溢洪道下泄流量，m3/s；Q排大為水深為h1時的排洪渠最大流量，m3/s；M為溢洪道流量系數(shù)；B為溢洪道底寬，m；h為淤地壩滯洪水深，m。

采取上述簡化計算，會導(dǎo)致溢洪道的設(shè)計下泄流量與實際情況存在一定偏差，影響壩體或溢洪道的安全：若計算下泄流量大于實際下泄流量，則溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計將偏于安全，而此時壩體安全超高又明顯不足；若計算下泄流量小于實際下泄流量，則溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計將不安全，而此時壩體安全超高又有富余。

4 結(jié) 語

黃土高原中型以上病險淤地壩除險加固在全國尚屬首次，溢洪道設(shè)計是除險加固的重中之重。本研究雖就不同位置壩的防洪標準、壩系洪水組合和調(diào)洪計算進行了一些探討，但還存在一些問題值得研究：在防洪標準中，一些大中型壩的防洪標準已超出現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的防洪標準，特別是有的中型壩將要按1級標準設(shè)計；在壩系洪水組合計算中，僅考慮了壩系洪水空間上的組合，沒有考慮流域形狀、溝道情況對洪水在匯流時間上的影響；在調(diào)洪計算中，溢流堰底坎高程低于現(xiàn)有淤積高程時，溢洪道下泄流量僅考慮了排洪渠和滯洪水深兩部分下泄流量的簡單組合，而沒有考慮排洪渠與溢洪道銜接處的水力坡降、溢流堰水流邊界條件發(fā)生變化對下泄流量的綜合影響。今后，需要建立壩系水動力學(xué)洪水演進模型，通過模型試驗，豐富和完善洪水組合和溢洪道的設(shè)計理論，以便更好地指導(dǎo)病險淤地壩除險加固，為淤地壩安全運用提供有力的技術(shù)支撐。

王志堅(1963—)，男，山西臨猗縣人，教授級高級工程師，碩士，長期從事水土保持工作。

2017-08-01

(責任編輯 李楊楊)

S157.31

A

1000-0941(2017)11-0025-04

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0405200)