防洪排導(dǎo)工程設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法分析

李天宇，葉 雷

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000)

當(dāng)前水土保持行業(yè)技術(shù)規(guī)范主要有GB 50433—2008《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》(全文簡(jiǎn)稱《08技術(shù)規(guī)范》)、GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(全文簡(jiǎn)稱《14設(shè)計(jì)規(guī)范》)、SL 575—2012《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》以及其他地方性行業(yè)性規(guī)范等[1]。各版本技術(shù)規(guī)范中關(guān)于防洪排導(dǎo)設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法存在一定差異，相應(yīng)計(jì)算成果及其應(yīng)用適用性方面存在不同[2]。為確保設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果與工程實(shí)際具有較高匹配性，優(yōu)選工程實(shí)踐應(yīng)用較多的《08技術(shù)規(guī)范》和《14設(shè)計(jì)規(guī)范》兩個(gè)規(guī)范中關(guān)于截排水設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法為基礎(chǔ)，以桐梓縣巖門子水庫棄渣場(chǎng)截排水設(shè)計(jì)流量為例，分別計(jì)算重現(xiàn)期3年一遇、5年一遇、10年一遇和15年一遇的截排水設(shè)計(jì)流量，并對(duì)比分析計(jì)算成果的差異性及變化趨勢(shì)。通過探索不同計(jì)算方法的特點(diǎn)和適用范圍，為水土保持工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)[3- 4]。

1 工程概況

桐梓縣巖門子水庫位于貴州省桐梓縣夜郎鎮(zhèn)，水庫作為“三位一體”及“貴州省水利建設(shè)三大會(huì)戰(zhàn)”水利規(guī)劃項(xiàng)目之一，工程任務(wù)為桐梓煤電鋁加工一體化產(chǎn)業(yè)園、周邊集鎮(zhèn)規(guī)劃及下游灌溉主要供水水源。水庫正常蓄水位692m，總庫容1073萬m3，中型水庫，為Ⅲ等工程。工程區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫14.8℃，全年≥10℃有效積溫5315℃，多年平均降水量1065.1mm。棄渣場(chǎng)位于大壩下游2.2km處夜郎河右岸有一深切槽谷，堆渣高程585.00～603.00m，渣體外坡1∶2.0，渣場(chǎng)容量約45萬m3，占地約5.08hm2。棄渣場(chǎng)上游以坡耕地及灌木林地為主，植被覆蓋率65%以上，集雨面積約2.28km2。

2 設(shè)計(jì)流量計(jì)算

2.1 《08技術(shù)規(guī)范》

規(guī)范中防洪排導(dǎo)工程部分的洪峰流量計(jì)算函數(shù)表達(dá)為[5]：

Q=0.278k·i·F

(1)

式中，Q—設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；k—徑流系數(shù)，根據(jù)《08技術(shù)規(guī)范》巖門子水庫所在地取0.6；i—不同頻率平均1h降雨強(qiáng)度，mm/h；F—集雨面積，棄渣場(chǎng)上游集雨面積約2.28km2。根據(jù)“貴州省短歷時(shí)暴雨等值線圖”有關(guān)等值線圖查算，巖門子水庫所在地貴州省桐梓縣1h暴雨均值42.00mm，Cv=0.42，Cs=3.5Cv。根據(jù)適線法計(jì)算可得各頻率1h降雨強(qiáng)度，見表1。

表1 各頻率1h降雨強(qiáng)度(i)

2.2 《14設(shè)計(jì)規(guī)范》

規(guī)范水文部分的設(shè)計(jì)流量計(jì)算函數(shù)表達(dá)為[6]：

Q=16.67Φ·q·F

(2)

式中，Q—設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Φ—徑流系數(shù)，根據(jù)《14設(shè)計(jì)規(guī)范》巖門子水庫所在地取0.6；F—集雨面積，棄渣場(chǎng)上游集雨面積約2.28km2；q—設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，mm/min，其函數(shù)表達(dá)為：

q=Cp·Ct·qP，10

(3)

式中，Cp—重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)，為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度qp同標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度q10的比值，查表得巖門子水庫所在地貴州省桐梓縣重現(xiàn)期3年一遇Cp=0.86、5年一遇Cp=1.00、10年一遇Cp=1.17、15年一遇Cp=1.27；Ct—降雨歷時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)，為降雨歷時(shí)t降雨強(qiáng)度qt同10min降雨歷時(shí)降雨強(qiáng)度q10的比值，查表得巖門子水庫所在地貴州省桐梓縣不同頻率10min轉(zhuǎn)換系數(shù)C10均值為1.00；qP，10—不同重現(xiàn)期和10min降雨歷時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度，mm/min；根據(jù)“貴州省短歷時(shí)暴雨等值線圖”有關(guān)等值線圖查算，10min暴雨均值16.00mm，Cv=0.40，Cs=3.5Cv，根據(jù)適線法分析可得各頻率降雨強(qiáng)度計(jì)算成果，見表2。

表2 各重現(xiàn)期10min短歷時(shí)降雨強(qiáng)度

根據(jù)表2適線法計(jì)算成果可知：q3，10=1.73mm/min、q5，10=2.05mm/min、q10，10=2.46mm/min、q15，10=2.68mm/min。將計(jì)算值代入公式(3)分析得各重現(xiàn)期10min歷時(shí)平均降雨強(qiáng)度計(jì)算成果，見表3。

表3 各重現(xiàn)期10min歷時(shí)平均降雨強(qiáng)度

3 設(shè)計(jì)流量對(duì)比分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《08技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法，按公式(1)分析得不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果，見表4。

表4 《08技術(shù)規(guī)范》各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)流量(Q)計(jì)算成果

根據(jù)《14設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法，按公式(2)分析得不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果，見表5。

表5 《14設(shè)計(jì)規(guī)范》各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)流量(Q)計(jì)算成果

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用《08技術(shù)規(guī)范》和《14設(shè)計(jì)規(guī)范》兩種方法分別計(jì)算巖門子水庫棄渣場(chǎng)截排水工程不同重現(xiàn)期降雨設(shè)計(jì)流量，不同之處在于《08技術(shù)規(guī)范》采用歷時(shí)1h降雨強(qiáng)度，而《14設(shè)計(jì)規(guī)范》采用歷時(shí)10min平均降雨強(qiáng)度。根據(jù)表4和表5計(jì)算成果對(duì)比分析可知：

(1)重現(xiàn)期為3年一遇時(shí)Q2014/Q2008=1.96、重現(xiàn)期為5年一遇時(shí)Q2014/Q2008=2.27、重現(xiàn)期為10年一遇時(shí)Q2014/Q2008=2.63和重現(xiàn)期為15年一遇時(shí)Q2014/Q2008=2.84。從變化趨勢(shì)上分析，隨著重現(xiàn)期加長(zhǎng)設(shè)計(jì)流量對(duì)比有逐漸變大趨勢(shì)。

(2)造成《08技術(shù)規(guī)范》和《14設(shè)計(jì)規(guī)范》兩種計(jì)算方法相同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果具有較大差異的主要原因?yàn)椋航涤陱?qiáng)度歷時(shí)選擇不同，重現(xiàn)期相同條件下降雨強(qiáng)度10min短歷時(shí)暴雨暴漲暴落，而1h降雨強(qiáng)度則相對(duì)均勻。

(3)根據(jù)《08技術(shù)規(guī)范》和《14設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果特點(diǎn)，結(jié)合貴州山區(qū)降雨暴漲暴落特點(diǎn)，筆者建議防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期要求為10年一遇及以下重現(xiàn)期時(shí)，宜選用《14設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)流量計(jì)算；而當(dāng)防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期大于10年一遇時(shí)，宜選用《08技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)流量計(jì)算。

(4)由于設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果差異，將導(dǎo)致防洪排導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)存在不同。若采用的設(shè)計(jì)流量值過小，則防洪排導(dǎo)水工建筑物結(jié)構(gòu)性能可能存在安全隱患；而采用的設(shè)計(jì)流量過大，則可能造成防洪排導(dǎo)水工建筑物結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性較差。因此，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際特性，合理選擇設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法。

3.3 巖門子水庫棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)流量選擇

巖門子水庫棄渣場(chǎng)容量45萬m3，下游為綦江右岸一級(jí)支流夜郎河，基于后期防洪排導(dǎo)工程運(yùn)行安全性考慮，綜合分析選擇《14設(shè)計(jì)規(guī)范》重現(xiàn)期10年一遇洪峰流量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。根據(jù)試算排洪溝采用M7.5漿砌石修砌，結(jié)構(gòu)形式采用梯形斷面(邊坡系數(shù)0.5)，設(shè)計(jì)底寬2.00m，設(shè)計(jì)水深1.55m，設(shè)計(jì)底坡10%，排洪溝過流能力68.20m3/s大于設(shè)計(jì)洪峰流量65.64m3/s。

4 結(jié)論

(1)《08技術(shù)規(guī)范》和《14設(shè)計(jì)規(guī)范》作為目前水土保持行業(yè)正在施行的主要技術(shù)規(guī)范，防洪排導(dǎo)設(shè)計(jì)流量計(jì)算結(jié)果存在較大差異，其采用的設(shè)計(jì)流量值會(huì)直接影響到防洪排導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)斷面的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)巖門子水庫棄渣場(chǎng)防洪排導(dǎo)工程設(shè)計(jì)選用《14設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)斷面安全性相對(duì)較高，防洪排導(dǎo)水工建筑物結(jié)構(gòu)性能較好。

(3)目前水土保護(hù)行業(yè)不同規(guī)范中關(guān)于洪峰流量計(jì)算方法各有特點(diǎn)，就全國(guó)范圍而言不同地域不同降雨重現(xiàn)期設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法的合理選擇，還有待廣大水土保持工作從業(yè)者通過更多工作實(shí)踐和技術(shù)總結(jié)進(jìn)行優(yōu)選，以便為防洪排導(dǎo)工程安全、經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)提供借鑒參考。