天子崗水庫抬高汛限水位影響測算及分析

毛才傳

(浙江省安吉縣天子崗水庫管理站, 浙江 安吉 313310)

1 水庫概況

天子崗水庫位于浙江省安吉縣西北部黃土丘陵地區(qū)，西苕溪支流渾泥港北源泥河上游，壩址位于天子湖鎮(zhèn)上游2 km處。水庫集雨面積23.8 km2，總庫容1 801 萬m3，主要功能為供水、灌溉，并發(fā)揮防洪、發(fā)電功能，水庫規(guī)模為中型水庫。該水庫按100年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位25.37 m(85高程，下同)，相應(yīng)庫容1 497.1 萬m3；按2 000年一遇洪水校核，校核洪水位26.34 m，相應(yīng)庫容1 801 萬m3；正常蓄水位23.16 m，相應(yīng)庫容935.3 萬m3；死水位16.66 m，死庫容38.6 萬m3。

天子崗水庫現(xiàn)狀汛限水位為23.16 m，相應(yīng)庫容935.3 萬m3，由于該地區(qū)受雨季影響較大，汛期降雨豐富、汛后雨量減少，使得水庫汛期棄水量大，汛后可蓄水量少，造成水資源的大量浪費，沒有發(fā)揮中型水庫應(yīng)有的效益。蓄水量不足的問題也對該地區(qū)的經(jīng)濟、社會發(fā)展起到阻礙作用，為此，擬將該水庫的汛限水位從目前的23.16 m抬高到24.16 m。研究結(jié)合汛限水位抬高后大壩運行條件發(fā)生變化的情況，分別從防洪安全、大壩滲流與結(jié)構(gòu)安全等角度分析論證汛限水位抬高對大壩安全的影響，進(jìn)而為汛期洪水資源利用提供技術(shù)支撐。

2 對水庫防洪安全影響分析

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

天子崗水庫為中型水庫，工程等級為Ⅲ級，主要建筑物級別3級。根據(jù)本工程的規(guī)模，依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—2014)[1]、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2017)[2]有關(guān)規(guī)定和天子崗水庫的原設(shè)計及安全鑒定成果，水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇(P=2%)、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2 000年一遇(P=0.05%)。天子崗水庫汛限水位抬高后工程現(xiàn)狀沒有改變，調(diào)度原則仍按新調(diào)汛限水位24.16 m，臺汛期24.16 m，正常水位24.16 m進(jìn)行調(diào)控。

2.2 設(shè)計洪水

天子崗水庫最大暴雨雨型按《浙江省短歷時暴雨圖集》計算。最大一日排在第2天，第1天為H3d-H24的60%，第3天為H3d-H24的40%。時段分配系數(shù)運用暴雨衰減指數(shù)法推求[3]，按照2003年《浙江省短歷時暴雨》中規(guī)定，由暴雨圖集求得的各歷時設(shè)計暴雨計算暴雨衰減指數(shù)；產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流的簡易扣損法[4]，初損Io=20 mm，后損為1 mm/h；匯流計算應(yīng)用浙江省推理公式法[5]，匯流參數(shù)m與流域的幾何特征和植被條件有關(guān)，采用浙江省匯流參數(shù)綜合公式計算[6]。

經(jīng)計算，天子崗水庫2 000年一遇洪水洪峰流量為668 m3/s，洪量為1 213×104 m3。其他頻率設(shè)計洪水成果(見表1)。

表1 設(shè)計洪水成果

2.3 防洪影響分析計算結(jié)果

采用寬頂堰泄流公式(1)計算溢洪道泄流能力，溢洪道下泄流量與水庫水位由調(diào)洪計算確定,調(diào)洪計算成果(見表2)。

表2 調(diào)洪計算成果表

(1)

式(1)中:Q—下泄流量，m3/s；

B—溢流堰總凈寬,m，B=15.00 m；

m—二元水流寬頂堰流量系數(shù)；

ε—閘墩側(cè)收縮系數(shù)；

H0—計入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭,m。采用能量方程[7]，用分段求和法[8]計算溢洪道排水渠水面線。計算工況為：(1)水庫設(shè)計洪水位(P=1%)為25.37 m時，溢洪道相應(yīng)下泄流量為62.9 m3/s；(2)水庫校核洪水位(p=0.05%)為26.34 m時，溢洪道相應(yīng)下泄流量為108.4 m3/s。計算結(jié)果(見表3)。正常溢洪道泄流曲線圖(見圖1)，而相應(yīng)的庫容-水位曲線圖(見圖2)。

圖1 正常溢洪道泄流曲線

表3 正常溢洪道排水渠水面線計算成果表

圖2 庫容-水位曲線

根據(jù)汛限水位抬高后的調(diào)度原則進(jìn)行調(diào)洪計算，水庫集水面積為23.8 km2，設(shè)計洪水的產(chǎn)流計算中采用初損后損法，而匯流計算采用推理公式法。在產(chǎn)流計算時認(rèn)為流域內(nèi)土壤最大含水量為100 mm，土壤前期含水量為80 mm，則初損為20 mm，降雨期間蒸發(fā)量(即后損)為1 mm/h。將本次洪水成果與2016年洪水復(fù)核成果進(jìn)行比較，比較結(jié)果(見表4)。

由表4中天子崗水庫不同階段設(shè)計洪水成果可知，頻率為0.05%、0.1%、0.2%、1%、2%的洪峰流量總體接近，相對誤差小于5%；頻率為5%和10%的洪峰流量分別為6.15%和9.67%，考慮到設(shè)計暴雨的成果存在偏差，以及在匯流計算時采用了不同的匯流時間等誤差因素，綜合認(rèn)為抬高汛限水位后的洪水計算成果是合理可靠的，抬高汛限水位對水庫防洪安全基本沒造成新的影響。

表4 天子崗水庫不同階段設(shè)計洪水成果比較表

3 對水庫大壩安全影響分析

3.1 對大壩穩(wěn)定影響分析

依據(jù)水庫汛限水位由23.16 m抬高到24.16m后的工況條件，采用加拿大軟件GEO-SLOPE有限元分析系統(tǒng)中SLOPE程序計算，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)[9]規(guī)定，壩坡穩(wěn)定分析主要考慮以下幾種工況：(1)施工期的上、下游壩坡穩(wěn)定性；(2)上游為設(shè)計水位，下游無水時下游壩坡的穩(wěn)定性；(3)上游為校核水位，下游無水時下游壩坡的穩(wěn)定；(4)水庫水位由校核水位降落到正常蓄水位時上游壩坡的穩(wěn)定性，計算結(jié)果(見表5)。

表5 主壩穩(wěn)定分析計算結(jié)果

從表5計算結(jié)果可知，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)均大于《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)要求，即水庫抬高汛限水位后，主壩上、下游壩坡的穩(wěn)定仍滿足規(guī)范要求。

3.2 對庫水頭及水位驟降工況發(fā)生變化的安全影響

對水庫上游庫水位在1 h內(nèi)由正常蓄水位24.16 m降低到死水位16.66 m，下游水位為19.0 m工況下的上游壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。計算時取總歷時200×10 s，分200步計算。結(jié)果顯示，在庫水位驟降工況下，上游壩坡安全系數(shù)呈先降低，后逐漸增大的趨勢。在非飽和穩(wěn)定滲流基礎(chǔ)上分析水位驟降工況下分析上游壩坡安全系數(shù)，其由1.809逐漸降至1.413，后又緩慢增大至1.661。但在庫水頭驟降工況發(fā)生變化時，水庫大壩安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 抬高汛限水位效益與社會影響分析

4.1 對水庫興利的影響分析

針對天子崗水庫汛期棄水量大、汛后蓄水不足的問題，考慮到抬高汛限水位，充分發(fā)揮水庫汛期蓄水功能，能夠有效增加水庫的興利庫容，有效提高水庫的興利效益。水庫設(shè)計時的汛限水位為23.16 m，按徑流長系列至2019年計，水庫供水1 200 萬m3，生態(tài)供水500 萬m3，結(jié)合目前該區(qū)域的用水量，可知水庫長年處于缺水狀態(tài)。當(dāng)將汛限水位抬高至24.16 m后，能夠使水庫庫容增至1 200萬m3，增加庫容264.7 萬m3，約為原庫容的28.3%，能夠使區(qū)域經(jīng)濟增加近70 萬元/a。由此可知，抬高汛限水位將大大緩解天子崗水庫汛期棄水量大、汛后蓄水不足的問題，可有效促進(jìn)區(qū)域的經(jīng)濟增長、社會發(fā)展。

4.2 對移民征地的影響分析

天子崗水庫抬高汛限水位至24.16 m后會使得上游淹沒范圍增加。但增加的淹沒范圍皆位于設(shè)計洪水位以下，考慮到水庫校核洪水位范圍內(nèi)的土地均已確權(quán)，因此，將水庫汛限水位由23.16 m抬高至24.16 m將不涉及移民征地等相關(guān)問題。

4.3 對下游防洪的影響分析

由于本次水庫汛限水位的抬高幅度不大，對水庫的防洪排澇影響很小，使得水庫下泄流量仍小于下游的20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，對下游的防洪排澇功能并沒有造成不利影響。

5 結(jié) 論

考慮到天子崗水庫存在汛期棄水量大、汛后蓄水不足以及該地區(qū)對水資源的需求量逐漸增加的問題，將該水庫的汛限水位由原來的23.16 m抬高至24.16 m，相應(yīng)的庫容由935.3 m3提高至1 200 m3，增加庫容約264.7 萬m3，約為原庫容的28.3%。結(jié)合抬高汛限水位后的水庫工況，從水庫防洪安全、水庫大壩安全、水庫周邊經(jīng)濟及社會效益等方面，分析抬高汛限水位的影響程度。經(jīng)分析可知，抬高該水庫的汛限水位至24.16 m，對水庫的防洪安全、水庫大壩安全沒有影響，同時也不涉及水庫周邊征地問題，對水庫下游防洪排澇的影響也極小。考慮到抬高汛限水位后對地區(qū)帶來的經(jīng)濟、社會及水生態(tài)等效益，天子崗水庫抬高汛限水位至24.16 m是有必要的、可行的。