劉家溝水庫除險加固洪水分析

劉伍寧

劉家溝水庫建成于上世紀60年代，屬小(2)型水庫。受2008年汶川8.0級地震影響，水庫壩體、溢洪道受損嚴重，險情十分嚴重。水庫運行多年，運營管理沒跟上，管理記載資料很少，加之上世紀60年代建設時資料圖紙粗化簡單，參考價值小，要使本次除險加固工程方案經(jīng)濟合理成功，只有洪水分析精準，對壩體的加固，溢洪道設計、水庫的調(diào)蓄及后期管理奠定結(jié)實依據(jù)，因此，洪水分析是該水庫除險加固設計至關重要的第一步。

1 流域概況

劉家溝水庫地處玉帶河上游左岸高寨子鎮(zhèn)古城村的劉家溝，劉家溝屬山溪性溝道，流域呈狹長型，總流域面積2.5 km2，水庫壩址以上流域面積0.73 km2，河長1.413 km。流域地處玉帶河淺山區(qū)，植被較好，以混合林為主，水土流失輕微。流域具有秦巴山區(qū)氣候特征，屬溫暖帶濕潤山地季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，夏無酷暑，冬無嚴寒，多春旱，常有初夏干旱和伏旱發(fā)生，秋涼濕潤多雨。項目區(qū)內(nèi)無實測氣象資料，以鄰近寧強縣氣象站實測資料為參考，多年平均氣溫12.9℃，最高氣溫36.2℃(1974年6月17日)，最低氣溫-10.3℃(1975年12月15日)，無霜期247天。降水量充沛，徑流量豐富，由《漢中地區(qū)實用水文手冊》查得多年平均降水量1100 mm，多年平均徑流深約700 mm，多年平均徑流量51.5萬m3。降水量年內(nèi)分配很不均勻，多集中在7～9月，約占全年降水量的55%。流域洪水由暴雨形成，歷時短，來勢迅猛，陡漲陡落，容易引發(fā)山洪災害。

玉帶河曾于1960年3月設鐵鎖關水文站，控制流域面積433 km2，觀測水文資料至今。水庫位于鐵鎖關水文站與寧強縣城之間，流域內(nèi)既無水文站，也無雨量觀測點，屬無實測水文資料區(qū)域。

2 洪水標準

（1）洪水標準

劉家溝水庫為均質(zhì)壩，設計壩高11.9m，總庫容18.1萬m3，依據(jù)《防洪標準》（GB50201—94）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252—2000），屬小（2）型水庫Ⅴ等工程，永久建筑物屬5級，故按20年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核。

（2）洪水分析資料依據(jù)

劉家溝水庫是在20世紀60年代末由當?shù)厝罕娂Y投勞修建，由群眾管理，沒有技術(shù)檔案，是否進行過洪水分析計算無從考證。本次水庫流域面積、河長、比降、庫容曲線等基礎資料，系調(diào)查測量、現(xiàn)場踏勘確定。

3 設計洪水計算

劉家溝水庫流域?qū)贌o水文資料區(qū)域，流域面積僅0.73 km2，無條件采用水文比擬法，故本次將以《漢中地區(qū)實用水文手冊》(以下簡稱《水文手冊》)中暴雨推求法和經(jīng)驗公式法進行設計洪水計算。

3.1 暴雨推求設計洪水

由暴雨推求設計洪水，首先假定設計暴雨與設計洪水同頻率。當設計面暴雨雨量及時程分配確定過，其分析計算的主要內(nèi)容包括產(chǎn)流和匯流兩部分。本工程采用《水文手冊》所提供的暴雨成果和產(chǎn)匯流計算方法計算。

3.1.1 設計暴雨量計算

（1）設計面雨量計算

水庫流域面積小于20 km2，根據(jù)《水文手冊》要求，不進行點面折減，即以點雨量代替面雨量。按《水文手冊》中表5-1取設計暴雨歷時t=3小時，設計暴雨計算時段△t=1/3小時，從《水文手冊》圖5-4至圖5-9分別查得水庫流域幾何中心處年最大各歷時點雨量統(tǒng)計參數(shù)Ht、Cv，再以Cs=3.5Cv，由附錄表Ⅲ查Kp值用下式計算不同頻率20分鐘、1小時、3小時設計面暴雨量。計算成果如表1。

式中：Ht·p為歷時為t，頻率為P暴雨量，mm；Ht為t歷時的平均暴雨量，mm；Kp為頻率為P的模比系數(shù)。

表1 設計暴雨計算成果表

（2）設計面雨量時程分配

劉家溝水庫流域面積F=0.73 km2，按《水文手冊》表5－7取最大3小時雨型，按△t時段對稱分配，計算結(jié)果見表2。

表2 設計暴雨時程分配成果表

3.1.2 產(chǎn)流計算

項目區(qū)屬于濕潤地區(qū)，因此產(chǎn)流方式以“蓄滿產(chǎn)流”為主，按“蓄滿產(chǎn)流”的概念，即：

式中：Im為流域最大蓄水量，水庫位于漢江南，取Im=55 mm；Pa為設計條件下流域前期土壤含水量，取Pa=（2/3）Im=36.7 mm；則初損I0=18.3 mm。

由于《水文手冊》在計算產(chǎn)流量R時，僅扣除深層地下水，故計算出產(chǎn)流量后，還要扣掉潛流量，才能獲得用于推求洪峰流量的凈雨過程，即：

設計凈雨過程（ht）=產(chǎn)流過程（Rt）－潛流量

據(jù)分析，潛流量為產(chǎn)流量的20%并按產(chǎn)流時段平均扣除產(chǎn)流過程，計算結(jié)果見表3，其中Im=55，I0=18.3。設計凈雨過程計算結(jié)果見表4。

表3 產(chǎn)流量過程Rt計算成果表

表4 設計凈雨ht計算成果表

3.1.3 匯流計算

采用《水文手冊》圖解試算法推求，依據(jù)的公式為：式中，Qm為洪峰流量，m3/s；F 為水庫流域面積，km2；F=0.73；L為水庫以上河長，km；L=1.413；J為水庫以上河流比降；J=0.081；T 為暴雨歷時，h；Τ 為匯流歷時，h；∑ht/t為凈雨歷時為t的由大到小累積凈雨強度，mm/n；m為匯流參數(shù)，m=0.18（L2/J1/3/F）0.6；0.278 為單位換算系數(shù)。

（1）計算匯流參數(shù)m：

（2）假設 Qm，并將 J、L、m 帶入 τ=0.278L/m J1/3Qm1/4計算 Qm～τ關系曲線見表5。

表5 Qm～τ曲線表

（3）將表3-4中的時段凈雨ht由從大到小的順序依次除以相應的t依次累計（∑ht）代入 Qm=0.278(∑ht/t)·F式中計算Qm～t曲線，見表 6。

表 6 Qm～t曲線表

（4）將 Qm～τ與 Qm`～t曲線點匯于同坐標系中（見圖 1）兩曲線交點的縱坐標為設計洪峰流量，橫坐標為匯流歷時，推求的設計洪峰流量見表7。

表7 不同頻率洪峰流量表

3.1.4 洪水總量計算

由暴雨推求設計洪量，采用《水文手冊》中公式計算：

式中：R3p為頻率為p的3小時產(chǎn)流量，mm；F為集水面積，km2；F=0.73 km2；Wp為頻率為 P 的洪量，萬 m3。

不同頻率設計洪水總量見表8。

表8 不同頻率洪水總量計算表

圖1 劉家溝水庫洪峰流量求解圖

3.2 經(jīng)驗公式法推求設計洪水

（1）《水文手冊》經(jīng)驗公式：

式中：QP為頻率為P的洪峰流量，m3/s；CP、n為頻率為p的經(jīng)驗參數(shù)、指數(shù)(查水文手冊表6-8得出)；F為水庫集水面積，km2。

劉家溝水庫位于漢江以南，屬漢江南Ⅱ區(qū)，參數(shù)及計算結(jié)果見表9。

表9 經(jīng)驗公式計算洪峰流量成果表

（2）《漢中水利》雜志經(jīng)驗公式：

式中：H24P為頻率為P的24小時雨量，mm；α為經(jīng)驗系數(shù)，漢江南岸α=0.026，漢江北岸α=0.300；其他符號意義同上。

該公式使用范圍F=0.5～7.0 km2。計算結(jié)果見表10。

表10 經(jīng)驗公式計算洪峰流量成果表

（3）洪量計算

采用《水文手冊》公式：

式中：WP為頻率為P的洪水總量，萬m3；其他符合意義同前。Wp計算結(jié)果見表11。

表11 經(jīng)驗公式計算洪量成果表

4 成果分析及合理可靠性分析

通過分別采用暴雨推求法和經(jīng)驗公式推求法所得結(jié)果見表12

表12 水庫設計洪峰流量成果對比表

由表12可以看出，暴雨法、經(jīng)驗公式法兩種方法計算成果較接近。經(jīng)驗公式雖具有形式簡單，計算方便等優(yōu)點，但對洪水形成的復雜成因，只考慮了較為主要的因素，加之在地區(qū)綜合過程中的代表性問題和適用流域面積問題，使計算成果容易出現(xiàn)偶然性誤差。由暴雨推求的設計洪水，計算環(huán)節(jié)較多，但《水文手冊》中的暴雨成果所依據(jù)暴雨資料是1956～1983年，期間豐、平、枯所占比例相當，代表性較好，各種成果又經(jīng)綜合平衡及合理性檢查，基礎可靠，加之《水文手冊》自投入使用以來，由暴雨推求設計成果，一般比較合理，故推薦選用暴雨推求法計算成果。

由于缺乏劉家溝水庫歷史洪水分析計算資料，因此無法將本次計算采用的設計洪水與水庫歷次洪水成果進行對比。為論證其合理性和可靠程度，除了從計算方法進行論述比較后擇優(yōu)選用外，還采用了與水庫同一水系，有可比性的寧—棋段高速公路《防洪評價》(漢中市水電設計院2007年6月)設計洪水成果進行比較（見表13），以分析本工程設計洪水合理性，可靠性。

表13 玉帶河水系設計洪水成果對比表

從上表中可以看出，同頻率洪峰流量模數(shù)的變化，基本符合流域面積大模數(shù)小，流域面積小模數(shù)大，并與暴雨分布，流域特征有關的一般規(guī)律，無明顯的反常現(xiàn)象，說明本工程采用設計洪水分析成果基本合理可靠的。

5 結(jié)論

通過采用暴雨推求法和經(jīng)驗公式推求法計算成果的對比，分析公式應用的優(yōu)缺點，同時與同水系同頻率有對比性的《防洪評價》設計供水成果進行分析其合理性、可靠性，最終綜合分析確定選用暴雨推求法設計洪水計算成果作為劉家溝除險加固工程的設計依據(jù)。劉家溝水庫除險加固工程于2009年建設完成，通過近幾年實踐運行來看，當初選用的洪水分析成果是合理的，可靠的。