不設(shè)溢洪道混聯(lián)骨干壩除險加固順序分析

盧生亮，郭翠英(．鄂爾多斯市東勝區(qū)水務(wù)和水土保持局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 07000；．鄂爾多斯市東勝區(qū)大興中學(xué)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 07000)

面對全球氣候變化的影響，我國北方地區(qū)呈現(xiàn)出局地和點(diǎn)暴雨頻發(fā)、因災(zāi)損失加大的趨勢，骨干壩的建設(shè)與安全運(yùn)行管理面臨更加嚴(yán)峻的形勢[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，在支毛溝興建的控制性骨干壩需要進(jìn)一步提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對已建成但沒有設(shè)置溢洪道的“兩大件”骨干壩進(jìn)行改建加固，按照壩體、放水工程、溢洪道“三大件”標(biāo)準(zhǔn)增設(shè)泄洪設(shè)施，續(xù)建溢洪道，提高防洪能力。鄂爾多斯市東勝區(qū)茶店梁小流域壩系工程于2007年全部建成并投入運(yùn)行[2-7]，以文獻(xiàn)[8-10]中茶店梁溝右岸支溝內(nèi)僅由壩體和放水工程組成的5座混聯(lián)骨干壩除險加固項目為例，分析混聯(lián)骨干壩除險加固設(shè)計增設(shè)溢洪道的優(yōu)先順序。

1 基本情況

茶店梁小流域壩系工程為黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩建設(shè)項目，流域內(nèi)茶店梁溝下游無其他已建和規(guī)劃的淤地壩；上游左岸支溝內(nèi)已建5座控制性骨干壩，茶店梁6號骨干壩位于溝口，上游有4座控制性骨干壩[8-10]，茶店梁7號骨干壩上游有10號骨干壩；茶店梁8號骨干壩上游有9號骨干壩。各骨干壩工程規(guī)模及特性見表1。

10號骨干壩下游有7號骨干壩， 且下游820 m處有109國道，9號骨干壩下游有8號骨干壩。根據(jù)《黃土高原地區(qū)中型以上病險淤地壩認(rèn)定暫行辦法》，病險淤地壩主要類別及表現(xiàn)形式之一為“下游影響范圍有村莊、學(xué)校、工礦、道路等基礎(chǔ)設(shè)施的骨干壩和中型壩，無配套的泄洪建筑物，潰壩后可能影響下游人民生命財產(chǎn)安全，或骨干壩下游有骨干壩等重要水利水土保持工程等”，由此認(rèn)定10號、9號骨干壩為病險壩，需要增設(shè)溢洪道?；炻?lián)骨干壩中上游任意一座開設(shè)溢洪道，所在溝道下游骨干壩就可能發(fā)生潰壩的連鎖反應(yīng)，造成新的更大的安全隱患。

表1 茶店梁溝上游左岸支溝現(xiàn)狀各骨干壩工程規(guī)模及特性

2 調(diào)洪計算及成果分析

為了避免因上游骨干壩增設(shè)溢洪道后重新改造下游骨干壩溢洪道，造成工程重復(fù)投資，按每座壩均開設(shè)溢洪道，從上游至下游依次逐壩進(jìn)行調(diào)洪演算，并按從下游到上游的順序開設(shè)溢洪道[8-10]。由于各壩均未達(dá)到設(shè)計淤積年限，設(shè)計淤積高程和淤積庫容仍采用原設(shè)計中的數(shù)值，根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]中擬定的溢洪道起調(diào)水位Z及底寬B，采用列表試算法對茶店梁溝5座混聯(lián)骨干壩增設(shè)溢洪道進(jìn)行調(diào)洪計算，各骨干壩調(diào)洪演算的成果見表2。

表2 各骨干壩調(diào)洪演算成果

原設(shè)計依據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289—2003)[11](以下簡稱《技術(shù)規(guī)范》)中壩地防洪保收要求，每座骨干壩的放水工程按5天放完10年一遇洪水總量設(shè)計。對于只有壩體和放水工程“兩大件”的骨干壩，由于放水工程的泄洪水量較小[12-13]，故本次調(diào)洪演算不予考慮。分析表2可知，5座骨干壩增設(shè)溢洪道后，300年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)情況下，泄洪總歷時在6.8～7.8天；各壩增設(shè)溢洪道后調(diào)洪庫容均小于表1中對應(yīng)的滯洪庫容，安全超高值均滿足《技術(shù)規(guī)范》要求。

3 除險加固順序分析

混聯(lián)骨干壩除險加固增設(shè)溢洪道的先后順序有多種組合方式，對每一種方式要經(jīng)過充分論證，以確保在開設(shè)溢洪道過程中壩系的整體安全運(yùn)行。在未達(dá)到設(shè)計淤積高程進(jìn)行除險加固增設(shè)溢洪道時，若考慮各壩內(nèi)現(xiàn)狀淤積庫容及蓄水量，則復(fù)核開設(shè)溢洪道期間混聯(lián)骨干壩不同除險加固順序組合方式的壩高計算極為復(fù)雜。為了簡化計算且便于理解，并與增設(shè)溢洪道前混聯(lián)骨干壩的整體安全進(jìn)行對比分析，選擇“由下游至上游”和“由上游至下游”順序依次開設(shè)溢洪道的兩種情況，按擬定的溢洪道起調(diào)水位Z及底寬B，對開設(shè)溢洪道過程中各壩的安全運(yùn)行進(jìn)行復(fù)核。

(1)“由下游至上游”順序依次開設(shè)溢洪道。5座骨干壩現(xiàn)狀條件下均滿足300年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，最下游的6號骨干壩開設(shè)溢洪道后，上游7—10號骨干壩不泄洪，6號骨干壩開設(shè)溢洪道后安全超高計算的成果見表3。依次向上游對7、8號骨干壩開設(shè)溢洪道后，上游9、10號骨干壩不泄洪，6—8號骨干壩開設(shè)溢洪道后安全超高計算的成果見表4；對9、10號骨干壩開設(shè)溢洪道后，各骨干壩開設(shè)溢洪道后安全超高計算的成果見表5。

表3 6號骨干壩開設(shè)溢洪道后安全超高計算成果

表4 6—8號骨干壩開設(shè)溢洪道后安全超高計算成果

表5 各骨干壩開設(shè)溢洪道后安全超高計算成果

在達(dá)到設(shè)計淤積高程前，由表3—5可知，“由下游至上游”順序依次開設(shè)溢洪道，各壩開設(shè)溢洪道后的安全超高值均大于1.0 m，壩高滿足《技術(shù)規(guī)范》的要求。

(2)“由上游至下游”順序依次開設(shè)溢洪道。從最上游9、10號骨干壩開設(shè)溢洪道，6—8號骨干壩均不泄洪，9、10號骨干壩開設(shè)溢洪道后調(diào)洪演算成果見表2，安全超高計算成果見表5。

根據(jù)《技術(shù)規(guī)范》要求，臥管放水流量考慮水位變化而導(dǎo)致的放水流量調(diào)節(jié)，設(shè)計放水流量加大20%～30%，文獻(xiàn)[2-7]中5座壩均按30%計算放水加大流量，8、7號骨干壩臥管放水加大流量均為0.49 m3/s。為了確保7、8號骨干壩放水工程的安全運(yùn)行，必須在9、10號骨干壩溢洪道下泄流量小于0.49 m3/s時開始放水，此時洪水調(diào)節(jié)基本完成，故忽略放水工程泄量的影響。

9、10號骨干壩開設(shè)溢洪道后調(diào)洪庫容的調(diào)節(jié)水量全部泄入下游壩，8號壩的總庫容應(yīng)為攔泥庫容、設(shè)計淤積面以上一次校核洪水總量[14-15]與9號骨干壩溢洪道下泄的調(diào)節(jié)水量之和，即120.78萬m3；同理求得7號骨干壩的總庫容為119.93萬m3。8、7號骨干壩的設(shè)計壩高分別為11、12 m，從水位庫容關(guān)系曲線查得最大壩高對應(yīng)的庫容分別為110.51萬、107.40萬m3，均小于10、9號骨干壩開設(shè)溢洪道后求得8、7號骨干壩的總庫容。因此，從上游至下游開設(shè)溢洪道，在10、9號骨干壩已開設(shè)溢洪道，而下游8、9號骨干壩還未開設(shè)溢洪道的情況下，當(dāng)遇300年一遇校核洪水，8、9號骨干壩可能出現(xiàn)洪水漫頂潰壩，從而導(dǎo)致下游6號骨干壩產(chǎn)生潰壩的連鎖反應(yīng)，存在較大的安全隱患。

(3)除險加固順序分析。以上針對兩種開設(shè)溢洪道的方式，在起調(diào)水位相同的條件下，若按照“由下游至上游”順序依次開設(shè)溢洪道，那么在對5座壩開設(shè)溢洪道期間，各壩的壩高均能滿足規(guī)范要求；若按照“由上游至下游”順序依次開設(shè)溢洪道，那么最上游的骨干壩開設(shè)溢洪道后，對下游還未開設(shè)溢洪道的骨干壩可能造成潰壩險情，出現(xiàn)新的安全隱患。因此，混聯(lián)骨干除險加固先后順序的安排直接關(guān)系到壩系的整體防洪安全，對混聯(lián)骨干壩增設(shè)溢洪道的優(yōu)先順序應(yīng)該為“從下游到上游逐壩開設(shè)溢洪道”。

4 結(jié) 語

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，水土保持治溝骨干壩的建設(shè)、管理及安全等方面也有了新要求和新任務(wù)。為了適應(yīng)新形勢下淤地壩安全運(yùn)用要求，對已建成運(yùn)行但未設(shè)溢洪道的“兩大件”骨干壩進(jìn)行除險加固，增設(shè)泄洪設(shè)施，是進(jìn)一步提高混聯(lián)骨干壩防洪能力，保障安全運(yùn)行的有效措施。根據(jù)《黃土高原地區(qū)中型以上病險淤地壩認(rèn)定暫行辦法》，“影響下游安全且無溢洪道”的淤地壩屬于病險壩，其表現(xiàn)形式有“骨干壩下游有骨干壩等重要水利水土保持工程”，以此認(rèn)定上游骨干壩為病險壩并增設(shè)溢洪道，若不進(jìn)行充分論證，可能出現(xiàn)下游壩洪水漫頂，并發(fā)生連鎖潰壩反應(yīng)。因此，對于混聯(lián)骨干壩而言，上游任意一座或幾座壩經(jīng)病險認(rèn)定須采取增設(shè)溢洪道方式除險加固時，為了提高已建混聯(lián)骨干壩的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，保證壩系防洪安全，要整體考慮，統(tǒng)籌兼顧，合理安排，優(yōu)先按“由下游至上游”的順序依次逐壩增設(shè)溢洪道。

[1] 王英順，王楠，樊冰．黃土高原水土保持骨干壩設(shè)計中存在的問題與建議[J].中國水土保持，2012(9)：38-40．

[2] 鄂爾多斯市水土保持勘測規(guī)劃隊，鄂爾多斯市水利勘測設(shè)計院．黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩建設(shè)內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝區(qū)茶店梁小流域壩系工程可行性研究[R]．鄂爾多斯：鄂爾多斯市水土保持勘測規(guī)劃隊，2004:1-56．

[3] 鄂爾多斯市水利勘測設(shè)計院，鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司．黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)項目區(qū)茶店梁小流域壩系工程6號骨干工程擴(kuò)大初步設(shè)計[R]．鄂爾多斯：鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，2005:1-28．

[4] 鄂爾多斯市水利勘測設(shè)計院，鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司．黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)項目區(qū)茶店梁小流域壩系工程7號骨干工程擴(kuò)大初步設(shè)計[R]．鄂爾多斯：鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，2005:1-21．

[5] 鄂爾多斯市水利勘測設(shè)計院，鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司．黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)項目區(qū)茶店梁小流域壩系工程8號骨干工程擴(kuò)大初步設(shè)計[R]．鄂爾多斯：鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，2005:1-21．

[6] 鄂爾多斯市水利勘測設(shè)計院，鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司．黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)項目區(qū)茶店梁小流域壩系工程9號骨干工程擴(kuò)大初步設(shè)計[R]．鄂爾多斯：鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，2005:1-20．

[7] 鄂爾多斯市水利勘測設(shè)計院，鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司．黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)項目區(qū)茶店梁小流域壩系工程10號骨干工程擴(kuò)大初步設(shè)計[R]．鄂爾多斯：鄂爾多斯市大為勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，2005:1-28．

[8] 鄂爾多斯市茂源水土保持工程有限責(zé)任公司，鄂爾多斯市水土保持工作站．東勝區(qū)茶店梁小流域6號骨干壩除險加固工程擴(kuò)大初步設(shè)計[R]．鄂爾多斯：鄂爾多斯市東勝區(qū)水務(wù)和水土保持局，2015:1-29．

[9] 盧生亮．混聯(lián)骨干壩系統(tǒng)續(xù)建溢洪道調(diào)洪演算[J].人民黃河，2015，37(9)：45-48．

[10] 盧生亮.埃特金迭代法在骨干壩調(diào)洪演算中的應(yīng)用[J].人民黃河，2017，39(4):38-42.

[11] 周月魯，鄭新民，薛順康，等．水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范：SL 289—2003[S]．北京：中國水利水電出版社，2003:16．

[12] 周月魯，李靖，梁其春，等．淤地壩設(shè)計[M]．北京：中國計劃出版社，2004:42．

[13] 范瑞瑜，蔣鋼，馮九梁，等．黃土高原壩系生態(tài)工程[M]．鄭州：黃河水利出版社，2004:117．

[14] 周月魯，薛順康，梁其春，等．水土保持治溝骨干壩工程設(shè)計技術(shù)[M]．鄭州：黃河水利出版社，2002:28．

[15] 王英順，宋慧斌，蔣鋼，等．淤地壩防洪保收技術(shù)[M]．鄭州：黃河水利出版社，1997:62．