小型水庫安全鑒定防洪能力復(fù)核相關(guān)問題探討

盧裕景

(海南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，海南 ?？?570203)

海南省目前已建成大中小型水庫工程1105座，其中，小1型水庫309座，小2型水庫714座，小型水庫占全省水庫總數(shù)的92.58%，大多數(shù)水庫建于20世紀(jì)50—70年代，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，目前普遍存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、抗洪能力弱、大壩滲漏、壩坡滑塌等不同程度和類型的安全隱患問題。為貫徹落實(shí)新時(shí)期水利基礎(chǔ)設(shè)施補(bǔ)短板的總體部署，確保完成病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固和運(yùn)行管護(hù)任務(wù)，根據(jù)水庫設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行期延長的水文資料，考慮上下游人類活動影響和水庫現(xiàn)狀，對小型水庫進(jìn)行“全面體檢”，評價(jià)水庫大壩現(xiàn)狀抗洪能力是否滿足現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求是十分必要的[1- 4]。

防洪能力復(fù)核是小型水庫“全面體檢”的基礎(chǔ)項(xiàng)目，按照現(xiàn)行的SL 258—2017《水庫安全大壩評價(jià)導(dǎo)則》的有關(guān)規(guī)定，防洪能力復(fù)核的主要內(nèi)容應(yīng)包括防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、調(diào)洪計(jì)算及大壩抗洪能力復(fù)核等[5]。本文通過海南省小型水庫安全鑒定防洪能力復(fù)核工作存在的若干重點(diǎn)問題進(jìn)行分析和探討，旨在為未來海南省小型水庫大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核提供一定借鑒。

1 基礎(chǔ)資料復(fù)核

水庫基礎(chǔ)資料復(fù)核主要針對工程集水區(qū)域的地理參數(shù)(包括壩址以上集水面積、主河河長、主河平均坡降以及集水區(qū)域的平均高程)、水位庫容曲線和水位泄量曲線等。地理參數(shù)、關(guān)系曲線是流域產(chǎn)、匯流等水文計(jì)算依據(jù)，直接影響到水庫的設(shè)計(jì)洪水，且工作要點(diǎn)與水庫流域及庫區(qū)地形數(shù)據(jù)息息相關(guān)。一般情況下，大壩樞紐、溢洪道、放水涵管等水工建筑物會重新測量，水庫流域參數(shù)則采用測繪部門提供的最新1∶1萬比例尺地形數(shù)據(jù)與水庫原設(shè)計(jì)或歷次除險(xiǎn)加固成果進(jìn)行比較，較為接近且誤差小于10%時(shí)，通常沿用最新設(shè)計(jì)成果。流域地理參數(shù)如果存在差異則分析原因，重新計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。對于梯級水庫，上游水庫具有削峰和錯(cuò)峰作用，對下游控制斷面的洪水過程的影響程度大小與整個(gè)流域的洪水地區(qū)組成情況和上游水庫的調(diào)度原則有重要關(guān)系[6]，復(fù)核時(shí)可從防洪標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)洪水地區(qū)分布規(guī)律等考慮安全性，不能簡單沿用上游水庫的基礎(chǔ)資料，忽略對上游水庫的復(fù)核計(jì)算。

由于水面以下地形一般沒有重新測量，現(xiàn)有水位庫容曲線不能完全反映水庫淤積情況，加上水庫現(xiàn)狀高程系統(tǒng)大多數(shù)采用假設(shè)、榆林或秀英高程，復(fù)核時(shí)要統(tǒng)一采用國家85高程系統(tǒng)對舊庫容曲線進(jìn)行校正。水庫水位泄量曲線的復(fù)核，特別是首次安全鑒定、“三邊工程”和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)存在變更的水庫，要復(fù)核泄洪建筑物現(xiàn)狀與原設(shè)計(jì)內(nèi)容是否相吻合，可以通過走訪、現(xiàn)場查勘、原設(shè)計(jì)報(bào)告查核、地質(zhì)補(bǔ)充勘察、安全檢測等途徑和手段進(jìn)行核實(shí)并說明，保證現(xiàn)有基礎(chǔ)資料的準(zhǔn)確性和可靠性[7]。

2 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

海南省小型水庫安全鑒定防洪能力復(fù)核中的水庫大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)和溢洪道消能防沖標(biāo)準(zhǔn)，兩者是否達(dá)標(biāo)是作為評判“三類壩”的首要依據(jù)。洪水標(biāo)準(zhǔn)原則上只需要嚴(yán)格按照水庫大壩工程等別和水工建筑物級別確定，沿用最近一次批復(fù)的除險(xiǎn)加固報(bào)告成果。但是，海南省有部分小型水庫建設(shè)年代久遠(yuǎn)，缺乏或設(shè)計(jì)資料不足，難以判斷原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。SL 258—2017規(guī)定，對防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到現(xiàn)行GB 50201《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和SL252《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》要求的水庫[8- 9]，應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整考慮的主要指標(biāo)為水庫最大壩高和上下游最大水頭差。

防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核常見小型水庫存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)不匹配，現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)超出規(guī)定范圍的情況，一般可按以下原則來復(fù)核：①對于混凝土壩和漿砌石壩的一般小型水庫校核防洪標(biāo)準(zhǔn)可取下限值；對于重要小型水庫和土石壩，防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取上限值。②平原、濱海區(qū)河寬坡緩，洪水緩漲緩落消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)與主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)一致；山區(qū)、丘陵區(qū)河窄坡陡，洪水峰高量大，后者原則上可低于主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)。③根據(jù)水庫下游有無集中居民點(diǎn)、重要設(shè)施與耕地和串聯(lián)水庫等選取防洪標(biāo)準(zhǔn)上下限。

3 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核

海南省小型水庫流域面積較小且缺乏實(shí)測洪水資料，設(shè)計(jì)洪水只能由暴雨途徑進(jìn)行推求。但是小型水庫大多無雨量站或僅有短系列逐日雨量數(shù)據(jù)，通常可根據(jù)《暴雨徑流查算圖表使用手冊》(以下簡稱“手冊”)和《暴雨徑流等值線圖集》(以下簡稱“圖集”)查算暴雨參數(shù)來推求設(shè)計(jì)面暴雨[10]，再將最大日雨量換算為最大24小時(shí)雨量驗(yàn)證暴雨參數(shù)合理性。當(dāng)水庫鄰近流域站點(diǎn)資料完整且降雨特性相似，則綜合分析參證站實(shí)測成果及圖集查算成果，考慮安全選取兩者最大值選用。同時(shí)，新的評價(jià)導(dǎo)則明確要求，水文系列延長后，復(fù)核原設(shè)計(jì)洪水成果是否需要調(diào)整，工作中應(yīng)盡量收集相關(guān)資料并進(jìn)行結(jié)論說明。

無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算實(shí)際運(yùn)用中常出現(xiàn)的情況是由于手冊未給出綜合單位線和推理公式法具體計(jì)算程序，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用自編程或Hydrolab-Basic廣東水文水利計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算[11]。前者易出現(xiàn)編程錯(cuò)誤，后者雖然較好平衡了相關(guān)參數(shù)，但對于小流域徑流系數(shù)和洪峰模數(shù)常常出現(xiàn)不合理的情況。小型水庫工程受洪峰流量影響明顯，設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算比洪水過程線推求更為重要。在計(jì)算無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水時(shí)，可通過以下方式分析其合理性：①計(jì)算時(shí)段選取是否與綜合單位線一致；②暴雨力和暴雨遞減參數(shù)對應(yīng)時(shí)段是否和所在時(shí)段一致；③判斷綜合單位線滯時(shí)m1和推理公式匯流歷時(shí)τ的關(guān)系，一般情況下τ>m1；④與本流域設(shè)計(jì)洪水成果或鄰近流域頻率分析成果進(jìn)行洪峰模數(shù)對比，通常本流域同頻率設(shè)計(jì)值上游往下游遞增，洪峰模數(shù)遞減。

4 調(diào)洪演算復(fù)核

調(diào)洪演算復(fù)核是根據(jù)起調(diào)水位、水庫調(diào)度運(yùn)行方式、水位庫容曲線和泄流能力曲線計(jì)算得出不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水的水位及相應(yīng)庫容，是最終確定水庫防洪能力結(jié)果必不可少的環(huán)節(jié)。起調(diào)水位指的是防洪限制水位，但是海南省小型水庫均未設(shè)置汛限水位，起調(diào)水位按溢洪道有無閘控制選取。無閘控制按堰頂高程起調(diào)，有閘門控制則按正常高水位起調(diào)。特殊情況下需要重新設(shè)定起調(diào)水位，如上一次除險(xiǎn)加固未完工導(dǎo)致現(xiàn)狀壩高不滿足設(shè)計(jì)水位要求，通過供需平衡分析結(jié)合防洪要求確定興利庫容，從而確定起調(diào)水位。

水位庫容曲線無實(shí)測地形可采用1∶1萬地形圖結(jié)合ArcGIS軟件輔助量算復(fù)核，海南省小型水庫大多不在多泥沙河流上且?guī)靺^(qū)淤積量很小，水位庫容曲線一般采用復(fù)核后的原設(shè)計(jì)成果。水位泄量曲線要對泄洪建筑物進(jìn)行必要的物探勘察和測量[12]，將近期設(shè)計(jì)報(bào)告、調(diào)度規(guī)程及防洪應(yīng)急預(yù)案等資料與現(xiàn)狀進(jìn)行對照分析，尤其要注重除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)變更情況。對于水庫垮壩失事將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，計(jì)算泄流能力時(shí)可留有一定余地。此外，海南省小型水庫大多數(shù)缺乏調(diào)度運(yùn)行方案，復(fù)核時(shí)可由汛期最低水位和泄洪建筑物測量成果進(jìn)行調(diào)洪演算。

5 防洪能力復(fù)核

小型水庫防洪能力復(fù)核主要包括大壩壩頂高程、泄洪建筑物安全性和消能防沖復(fù)核。海南省小型水庫壩高大多數(shù)小于30m，根據(jù)不同水庫壩型，參照SL189《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》、SL25《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》及SL282《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》等要求，計(jì)算大壩及其副壩設(shè)計(jì)工況和校核工況下，考慮安全超高、風(fēng)浪爬高和風(fēng)壅水面高度的壩頂高程。在壩頂超高復(fù)核時(shí)，由于小型水庫沒有風(fēng)速測量儀，根據(jù)已收集的當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，結(jié)合水庫周邊類型工程條件選取合理的設(shè)計(jì)風(fēng)速、風(fēng)區(qū)長度和水域平均水深，為計(jì)算壩頂高程提供合理的參數(shù)。此外，當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)置了防浪墻時(shí)，壩頂安全超高不能算至防浪墻頂高程[13]。復(fù)核防滲體頂高程時(shí)，設(shè)計(jì)工況下，超高在0.3～0.6m之間；校核工況下，應(yīng)不低于校核洪水位。

需要注意的是，在SL 258—2017中規(guī)定近期非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)和洪水安全下泄情況：“當(dāng)水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)及大壩抗洪能力不滿足規(guī)范要求，但滿足近期非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)要求；或水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)及大壩抗洪能力滿足規(guī)范要求，但洪水不能安全下泄時(shí)，大壩防洪安全性可評為B級”。在設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)常常直接采用防洪設(shè)計(jì)和校核標(biāo)準(zhǔn)對水庫的防洪安全性進(jìn)行評級，而容易忽略近期非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)以及水庫下游泄水的經(jīng)濟(jì)社會影響，因此，應(yīng)全面系統(tǒng)地進(jìn)行評價(jià)。

6 結(jié)語

(1)通過分析和探討海南小型水庫安全鑒定防洪能力復(fù)核若干主要問題，提出了符合本區(qū)域特點(diǎn)的具有可操作性的建議，為接下來水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)和前提條件。

(2)水庫原始基礎(chǔ)資料的可靠性決定了水庫防洪能力復(fù)核的準(zhǔn)確性，應(yīng)特別注重查清補(bǔ)齊基礎(chǔ)資料。此外，要注意各水庫工程特點(diǎn)、地形條件和流域特性是產(chǎn)匯流參數(shù)選擇的關(guān)鍵，特別設(shè)計(jì)雨型的選擇，是水庫安全鑒定防洪能力復(fù)核結(jié)論的關(guān)鍵。

(3)工程水文計(jì)算與分析是個(gè)復(fù)雜的過程，本文只列出了海南省小型水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核較為常見的關(guān)鍵問題，實(shí)際工作中還應(yīng)結(jié)合工程質(zhì)量安全、滲流安全、結(jié)構(gòu)安全、金屬結(jié)構(gòu)安全等綜合評價(jià)分析水庫情況，充分論證復(fù)核成果的合理性。