涔天河水庫提升汛限水位方案探討

王顯峰，楊博石，張貴金，羅舸旋子，陳會芳

（1. 涔天河工程建設(shè)投資有限公司，湖南 永州 425500；2. 長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

1 工程背景

洪水災(zāi)害是發(fā)生頻率最高、影響范圍最廣、造成損失最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅到人類的生命和財產(chǎn)安全[1]。水庫作為現(xiàn)代防洪工程體系不可或缺的組成部分，在降低洪水危害、保障區(qū)域防洪安全方面共同發(fā)揮著重要作用。近年來，受超強(qiáng)厄爾尼諾事件等影響，湘江流域氣候變化異常，極端天氣頻繁出現(xiàn)，汛期降雨普遍集中，超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生概率增加，水庫防洪度汛形勢嚴(yán)峻[2-3]，而湘江中上游山區(qū)大中型水庫多，洪水洪峰高，庫容較大，保護(hù)面積廣，下游梯級水庫多，一旦發(fā)生潰壩險情將造成極大的影響，因此，目前按我國現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計確定的汛限水位偏低；另一方面，由于多種原因，為了確保大壩安全，我國多數(shù)水庫實際運(yùn)行時，又不同程度的進(jìn)一步降低汛限水位，浪費了大量的水資源[4-5]。

涔天河水庫位于湘江一級支流瀟水，控制流域面積2 466 km2，壩址以上流域位置如圖1。具有灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電等綜合利用效益的一等大（Ⅰ）型水利水電樞紐工程，大壩、泄水建筑物等主要水工建筑物為1 級建筑物，攔河大壩為面板堆石壩，最大壩高114 m，對應(yīng)高程為324 m，正常蓄水位313.0 m，總庫容15.1 億m3，灌溉面積111.46 萬畝，電站裝機(jī)容量200 MW。大壩、泄洪建筑物及進(jìn)水口等設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 000 一遇；電站廠房設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇。水庫庫區(qū)多年平均最大風(fēng)速12.5 m/s，風(fēng)向N，水庫吹程4.0 km。主壩上游壩坡比為1∶1.4。

圖1 壩址以上流域位置圖

涔天河水庫主汛期為4 月1 日至8 月10 日，汛限水位為310.5 m，防洪高水位為316.60 m，防洪庫容為2.5 億m3，主汛期防洪調(diào)度方式為，庫水位在防洪限制水位與防洪高水位之間時，根據(jù)下游大路鋪水文站和大路鋪+蚣壩河+永明河的來水流量來確定，庫水位超過防洪高水位時，水庫開閘敞泄，轉(zhuǎn)入保壩的調(diào)度方式，具體調(diào)度運(yùn)行方式詳見表1。

表1 涔天河水庫防洪調(diào)度方式

本文針對涔天河的汛限水位優(yōu)化展開研究，構(gòu)建漫頂風(fēng)險計算模型，對不同起調(diào)水位不同防洪調(diào)度方式下的漫頂風(fēng)險進(jìn)行量化計算，探索優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方式，在確保大壩安全的前提下，為提高水庫水資源利用效率提供相關(guān)依據(jù)。

2 大壩漫頂風(fēng)險模型

2.1 大壩漫頂風(fēng)險分析模型

造成洪水漫頂?shù)脑蛑饕校汉樗O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、泄洪能力不足、庫區(qū)沖淤造成庫容減小、運(yùn)行管理等。

用Z 代表壩前水位，H 代表壩頂高程，漫頂事件可表示為Z>H。壩前水位Z 的影響因素主要有：起調(diào)水位Z0、洪水作用增加的水位L、風(fēng)荷載作用引起的壩前水位風(fēng)壅高度e 和波浪爬高R。洪水漫頂事件發(fā)生的概率Pf表示為[6-7]

2.2 風(fēng)險因子量化

研究表明[8]，導(dǎo)致大壩漫頂風(fēng)險主要有洪峰流量Qm、風(fēng)浪雍高e、波浪爬高R 等不確定性因子。

1）洪水作用增加水位L 的不確定性量化

洪水作用增加的水位L，假設(shè)其服從正態(tài)分布，并采用水庫調(diào)洪演算的方法推求[9]：

式中，f（Z，t）是水位Z 對時間t 的導(dǎo)數(shù)；Q（t）為調(diào)洪過程任一時刻t 的入庫流量；q（t）為時刻t 的出庫泄流量；F（Z）為水位—庫面面積關(guān)系曲線。

2）風(fēng)浪雍高e 的不確定性量化

風(fēng)浪一般服從極值Ⅰ型分布[10]，其累積分布函數(shù)和概率密度函數(shù)為：

式中，η、μ 為分布參數(shù)，與風(fēng)浪雍高e 的均值μe、均方差ηe的關(guān)系為：

其中風(fēng)浪雍高e 的均值和均方差采用如下公式計算：

式中，K 為綜合阻摩系數(shù)（一般K=3.6×10-6）；W 為風(fēng)速均值；D 為水庫的吹程；Hm為水域的平均水深；θ 為計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角（一般取θ=0°）；σw為風(fēng)速系列的均方差。

3）波浪爬高R 的不確定性量化

波浪爬高R 一般服從瑞利分布[11]，其累積分布函數(shù)和概率密度函數(shù)為：

式中，λ 為分布參數(shù)，與波浪爬高均值μR、均方差ηR的關(guān)系為：

波浪爬高均值μR的求解參照SL 274-2001《碾壓混凝土設(shè)計規(guī)范》。

2.3 基于R-F 法的漫頂風(fēng)險計算

針對式（1）中的漫壩概率模型，大壩漫頂?shù)臉O限狀態(tài)方程為：

其中，Z0，L，H 服從正態(tài)分布，e 服從極值Ⅰ型分布，R 服從瑞利分布。

采用驗算點法（R-F）[12]進(jìn)行求解，對極限狀態(tài)方程：Z=g（X1，X2，…Xn）=0 在驗算點Xi*=（i=1，2，…，n）處：

式中：

則風(fēng)險為：

對于非正態(tài)隨機(jī)變量的情形要先作當(dāng)量化處理，再利用上述過程進(jìn)行迭代計算，達(dá)到計算精度完成計算。

3 大壩漫頂風(fēng)險計算

3.1 漫頂風(fēng)險計算過程

采用表1 中防洪調(diào)度方式，在校核洪水下進(jìn)行調(diào)洪計算，得到不同控泄流量下的最高洪水位，見表2 和圖3。

表2 不同起調(diào)水位不同控泄流量調(diào)洪計算的最高洪水位成果表m

圖2 不同起調(diào)水位不同控泄流量調(diào)洪計算的最高洪水位圖

根據(jù)第二節(jié)的風(fēng)險因子量化的相關(guān)的公式，將與水庫大壩漫頂風(fēng)險相關(guān)因子的不確定性量化，具體特征值見表3。

表3 部分工況漫頂風(fēng)險因子的特征值表 m

3.2 漫頂風(fēng)險計算結(jié)果

通過不確定性量化的特征值表，自編程序計算出漫頂風(fēng)險，結(jié)果見表4。

結(jié)果表明：隨著汛限水位的上升漫頂風(fēng)險越來越大，隨著控泄流量的減小漫頂風(fēng)險越來越大。

4 基于風(fēng)險分析的調(diào)度運(yùn)行方式

分析上述風(fēng)險計算成果表4，對比社會可接受的風(fēng)險量級10-4，按保守取值，汛限水位確定為311.5 m，比現(xiàn)行設(shè)計汛限水位高出1.0 m，水庫控泄流量2 700 m3/s，發(fā)生漫頂風(fēng)險的概率在10-5量級，完全可以接受。具體調(diào)度運(yùn)行方式為：當(dāng)庫水位在防洪限制水位與防洪高水位之間時，水庫控泄流量為2 700 m3/s，庫水位超過防洪高水位時，水庫開閘敞泄，轉(zhuǎn)入保壩的調(diào)度方式。

表4 不同起調(diào)水位不同控泄流量對應(yīng)的大壩漫頂風(fēng)險表

圖3 不同起調(diào)水不同控泄流量對應(yīng)的大壩漫頂風(fēng)險圖

此時，主汛期期間可多蓄水3 621.1 萬m3，主汛期期間可多發(fā)電1.01E+07 kW·h。

5 結(jié) 語

本文基于水庫大壩漫頂風(fēng)險分析，對涔天河水庫汛限水位的合理性進(jìn)行了初步研究。

1）構(gòu)建大壩漫頂風(fēng)險模型，量化了涔天河水庫漫頂風(fēng)險涉及到的風(fēng)險因子；

2）基于不同起調(diào)水位，對涔天河水庫的漫頂風(fēng)險進(jìn)行計算，結(jié)果表明，涔天河水庫汛限水位提高1.0 m，風(fēng)險可以接受，主汛期期間可多蓄水3 621.1 萬m3，主汛期期間可多發(fā)電1.01E+07 kW·h。

提高汛限水位可以獲得巨大的效益，但隨著大壩安全在國家層面越來越重視，各水庫大壩業(yè)主更是越來越關(guān)切，要在實際運(yùn)行時提高汛限水位，還必須進(jìn)行更深入更系統(tǒng)的研究，多方論證，獲得更廣泛的認(rèn)同后方可實施。

基金項目： 湖南省重大水利科技項目【湘水科計（2017）230-37】