淤地壩除險(xiǎn)加固中溢洪道調(diào)洪計(jì)算有關(guān)問題探討

王志堅(jiān)，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(xiǎn)加固中溢洪道調(diào)洪計(jì)算有關(guān)問題探討

王志堅(jiān)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(xiǎn)加固；調(diào)洪計(jì)算；山西

淤地壩除險(xiǎn)加固是確保工程安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要措施，增設(shè)溢洪道是淤地壩除險(xiǎn)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(biāo)準(zhǔn)，做好洪水組合和調(diào)洪計(jì)算，是溢洪道設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。結(jié)合山西省在淤地壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中的實(shí)際處理方案，按單壩和壩系2種情況討論防洪標(biāo)準(zhǔn)，按單壩、設(shè)計(jì)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(jìn)行了調(diào)洪計(jì)算，還提出了建立壩系水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模型，通過模型試驗(yàn)完善壩系洪水組合和溢洪道設(shè)計(jì)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(xiǎn)淤地壩認(rèn)定和除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)工作的通知》要求，經(jīng)核查山西省中型以上病險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)加固工程的主要建設(shè)內(nèi)容。同時(shí)，這些淤地壩中既有單獨(dú)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(dá)到設(shè)計(jì)淤積高程的淤地壩工程，又有攔泥量已超過設(shè)計(jì)淤積高程、加壩條件不具備或不經(jīng)濟(jì)的淤地壩工程。本研究結(jié)合山西省淤地壩除險(xiǎn)加固工作遇到的實(shí)際問題，就如何科學(xué)合理地確定各壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)壩系洪水組合和調(diào)洪計(jì)算進(jìn)行了探討。

1 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)建筑物級(jí)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jí)別按1級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)、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(jí)別按2級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)、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(jí)別按3級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)、50年一遇洪水校核。

1.1 單獨(dú)支溝的淤地壩

除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，對(duì)在單獨(dú)支溝中建設(shè)的骨干壩，仍按上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行除險(xiǎn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)下游有重要設(shè)施的淤地壩，根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51018—2014)中 “失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的淤地壩工程2級(jí)、3級(jí)主要永久性水工建筑物，經(jīng)過論證，可提高一級(jí)”的要求，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高到1級(jí)、2級(jí)。對(duì)在單獨(dú)支溝中建設(shè)的中型淤地壩，根據(jù)水利部《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)淤地壩等水土保持?jǐn)r擋工程建設(shè)管理和安全運(yùn)行的若干意見》(水?！?010〕455號(hào))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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”，主要建筑物級(jí)別應(yīng)按2級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高到20年一遇洪水設(shè)計(jì)、200年一遇洪水校核。

1.2 壩系中的淤地壩

對(duì)壩系工程中需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固的中型以上病險(xiǎn)淤地壩，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。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(jí)別按1級(jí)設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)、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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。否則，一旦發(fā)生校核洪水，這些串聯(lián)在按1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的骨干壩之間的中型淤地壩及按2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的骨干壩，將會(huì)有潰壩的可能。從洪水組合和調(diào)洪計(jì)算來看，不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水，在調(diào)洪計(jì)算時(shí)很難進(jìn)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(jí)別按1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，那么與其相關(guān)的按3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的中型淤地壩和按2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的骨干壩防洪標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)提高到30年一遇洪水設(shè)計(jì)、300年一遇洪水校核。對(duì)與按2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的骨干壩有關(guān)的按3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的中型淤地壩，其防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)、200年一遇洪水校核。但對(duì)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(jì)中已考慮上游流域的整個(gè)面積，在該中型淤地壩除險(xiǎn)加固時(shí)，仍可按3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)、50年一遇洪水校核。這就是說，除險(xiǎn)加固時(shí)，根據(jù)大中型淤地壩在壩系中的位置，按1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的骨干壩，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不變；按2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的骨干壩，有可能按2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也可能要提高到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；按3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的中型壩，有可能要提高到2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也可能要提高到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2 壩系洪水組合

壩系洪水組合是壩系調(diào)洪計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水全攔全蓄，樞紐組成多為“兩大件”，個(gè)別骨干壩就算按“三大件”布設(shè)，其溢洪道設(shè)計(jì)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(guó)標(biāo)、行標(biāo)和省標(biāo)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(dāng)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(xiǎn)加固時(shí)對(duì)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(jìn)行洪水組合和調(diào)洪計(jì)算。根據(jù)大中型淤地壩在溝道壩系中的位置，除險(xiǎn)加固時(shí)洪水計(jì)算可按下面三種情況考慮。

2.1 單壩計(jì)算

對(duì)位于支溝上游，擬除險(xiǎn)加固的骨干壩上游僅有中型壩的，若中型壩按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，則該骨干壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮上游中型壩的洪水組合，按其上游總面積進(jìn)行單壩計(jì)算；若中型壩下游有重要設(shè)施，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已提高到骨干壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則其下游骨干壩按串聯(lián)壩進(jìn)行洪水組合計(jì)算。對(duì)單獨(dú)支溝中按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)的中型壩，除險(xiǎn)加固按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單壩設(shè)計(jì)。

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(jì)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(jì)暴雨的一次洪水模數(shù)，萬m3/km2；其他符號(hào)意義同上。

2.2 設(shè)計(jì)壩上游串聯(lián)一座淤地壩泄洪時(shí)

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

(3)

組合洪水總量計(jì)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(jì)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(dá)到最大下泄流量時(shí)的泄洪總量，萬m3。

2.3 設(shè)計(jì)壩上游并聯(lián)幾座淤地壩泄洪時(shí)

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

(5)

組合洪水總量計(jì)算公式為

(6)

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

3 壩系調(diào)洪計(jì)算

除險(xiǎn)加固時(shí)，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(jì)算要解決的問題。這一過程往往需要進(jìn)行幾次試算，而且要完全吻合，計(jì)算量也比較大，因此在進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，允許除險(xiǎn)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(duì)安全超高的影響很小，一般不會(huì)超過10 cm。調(diào)洪計(jì)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(shí)

需要除險(xiǎn)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(jìn)行調(diào)洪計(jì)算時(shí)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(shí)可采用以下公式進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。

3.1.1 粗調(diào)計(jì)算

先假定不同的溢流堰底坎高程作為起調(diào)水位，進(jìn)行粗調(diào)。經(jīng)過粗調(diào)計(jì)算，擬定溢流堰底坎高程和底寬。粗調(diào)采用的計(jì)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(jì)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(jì)算某一時(shí)段內(nèi)入庫洪水量與出庫洪水量之差，求得該時(shí)段內(nèi)庫水量增減變化。計(jì)算公式為

=SΔt

(9)

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

當(dāng)入庫組合洪水流量等于出庫下泄流量時(shí)，對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)庫容即為滯洪庫容，此時(shí)的下泄流量即為溢洪道設(shè)計(jì)流量。

3.2 溢流堰底坎高程低于現(xiàn)有淤積高程時(shí)

對(duì)于現(xiàn)有淤積高程已超過設(shè)計(jì)淤積高程的淤地壩，在調(diào)洪計(jì)算時(shí)，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(shí)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(diǎn)：來水初期，組合洪水流量由排洪渠經(jīng)溢洪道全部排走，當(dāng)時(shí)間達(dá)到t1時(shí)，排洪渠達(dá)到最大排洪流量，此時(shí)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(dāng)時(shí)間到t2時(shí)，溢洪道下泄流量達(dá)到最大，壩前水位達(dá)到最高水位，此時(shí)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(duì)這類問題如何進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，規(guī)范中并沒有明確，設(shè)計(jì)時(shí)可按以下方法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

粗調(diào)計(jì)算，仍用公式(7)、(8)，擬定溢流堰底坎高程和底寬。但對(duì)不能進(jìn)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(jì)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(shí)

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(shí)排洪渠的流量。下泄流量計(jì)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?dāng)嗝婷娣e，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(hào)意義同上。

3.2.2 溢流堰水位超過現(xiàn)有淤積高程時(shí)

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?jī)刹糠纸M成，下泄流量按下式簡(jiǎn)化計(jì)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(shí)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(jiǎn)化計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致溢洪道的設(shè)計(jì)下泄流量與實(shí)際情況存在一定偏差，影響壩體或溢洪道的安全：若計(jì)算下泄流量大于實(shí)際下泄流量，則溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將偏于安全，而此時(shí)壩體安全超高又明顯不足；若計(jì)算下泄流量小于實(shí)際下泄流量，則溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將不安全，而此時(shí)壩體安全超高又有富余。

4 結(jié) 語

黃土高原中型以上病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固在全國(guó)尚屬首次，溢洪道設(shè)計(jì)是除險(xiǎn)加固的重中之重。本研究雖就不同位置壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)、壩系洪水組合和調(diào)洪計(jì)算進(jìn)行了一些探討，但還存在一些問題值得研究：在防洪標(biāo)準(zhǔn)中，一些大中型壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)已超出現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，特別是有的中型壩將要按1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；在壩系洪水組合計(jì)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(duì)洪水在匯流時(shí)間上的影響；在調(diào)洪計(jì)算中，溢流堰底坎高程低于現(xiàn)有淤積高程時(shí)，溢洪道下泄流量?jī)H考慮了排洪渠和滯洪水深兩部分下泄流量的簡(jiǎn)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(duì)下泄流量的綜合影響。今后，需要建立壩系水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模型，通過模型試驗(yàn)，豐富和完善洪水組合和溢洪道的設(shè)計(jì)理論，以便更好地指導(dǎo)病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固，為淤地壩安全運(yùn)用提供有力的技術(shù)支撐。

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

2017-08-01

(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157.31

A

1000-0941(2017)11-0025-04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0405200)