廣東省小型水庫(kù)大壩防洪能力復(fù)核有關(guān)問題實(shí)例分析

譚鑒利，王海元

1.廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610

2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010

廣東省小型水庫(kù)占全省水庫(kù)總數(shù)的95%以上，主要特點(diǎn)為“數(shù)量多、分布廣、作用大”[1]。這些小型水庫(kù)大多修建于20世紀(jì)50年代至70年代，受歷史條件限制，其設(shè)計(jì)、施工技術(shù)相對(duì)落后，并且多為“三邊”工程，其大壩設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、運(yùn)行管理等資料或缺乏或存疑[2]。相比大中型水庫(kù)，小型水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)突出，如病險(xiǎn)多、潰壩概率高等[3]。為了了解小型水庫(kù)大壩安全短板，對(duì)其進(jìn)行安全鑒定。水庫(kù)大壩防洪能力復(fù)核是安全鑒定的重要內(nèi)容。

小型水庫(kù)大壩防洪能力復(fù)核主要內(nèi)容一般包括防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算、調(diào)洪計(jì)算及大壩抗洪能力復(fù)核等方面[4]。通過對(duì)博羅縣馬古坑水庫(kù)大壩防洪能力復(fù)核，分析影響水庫(kù)防洪安全評(píng)價(jià)該注意的問題，為其他小型水庫(kù)提供參考。

1 水庫(kù)概況

馬古坑水庫(kù)位于公莊鎮(zhèn)鵲樓村，于1968年10月竣工投入使用，壩址以上控制集水面積為4.61km2，總庫(kù)容97萬(wàn)m3，工程等別為V等，是一座以灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖的?。?）型水庫(kù)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按丘陵區(qū)考慮，設(shè)計(jì)洪水為20年一遇，校核洪水為200年一遇。

水庫(kù)樞紐由大壩、溢洪道、灌溉涵管組成，主要建筑物包括均質(zhì)土壩1座，壩頂長(zhǎng)75m，最大壩高8.7m；開敞式寬頂堰溢洪道1座，堰頂寬為10m；灌溉涵管1座，磚砌方涵，斷面尺寸為0.3m×0.4m（建有直升啟閉閘門）。

水庫(kù)目前的主要任務(wù)和效益：（1）擔(dān)負(fù)鵲樓村150hm2農(nóng)田灌溉供水；（2）下游捍衛(wèi)耕地130hm2，人口1500人。水庫(kù)于2002年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，完成了迎水坡、背水坡、反濾體、閘門、溢洪道等工程。

2 小型水庫(kù)大壩防洪能力復(fù)核

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

水庫(kù)工程防洪標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)其級(jí)別和壩型確定，工程級(jí)別根據(jù)工程規(guī)模、效益和在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的重要性確定。

馬古坑水庫(kù)屬丘陵區(qū)，復(fù)核可得總庫(kù)容為97.06萬(wàn)m3，最大壩高為8.7m，工程任務(wù)不變。

2002年除險(xiǎn)加固中馬古坑水庫(kù)采用的工程級(jí)別、建筑物級(jí)別和防洪標(biāo)準(zhǔn)依然符合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201—2014）和《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2017）規(guī)定，水庫(kù)沿用該標(biāo)準(zhǔn)，不作調(diào)整，即馬古坑水庫(kù)屬?。?）型水庫(kù)，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。

2.2 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算

由于馬古坑水庫(kù)無(wú)實(shí)測(cè)流量資料，設(shè)計(jì)洪水由雨量資料推求。因?yàn)闆]有收集到水庫(kù)附近實(shí)測(cè)降雨資料系列，所以設(shè)計(jì)暴雨按查圖計(jì)算所得。設(shè)計(jì)洪水采用廣東省綜合單位線方法以及推理公式方法進(jìn)行協(xié)調(diào)分析。

（1）地理參數(shù)。2021年馬古坑水庫(kù)壩址地理參數(shù)按照1∶5000地形圖復(fù)核，集水面積為4.61km2、河長(zhǎng)為4.45km、平均比降為0.021；2002年除險(xiǎn)加固中，集水面積為3.90km2、河長(zhǎng)為2.75km、平均比降為0.034。

（2）設(shè)計(jì)暴雨。通過查取水文圖集查取各歷時(shí)Ht、Cv計(jì)算可得設(shè)計(jì)頻率、校核頻率的暴雨。2021年復(fù)核依據(jù)新版《廣東省水文圖集》（2003）查取，而2002年除險(xiǎn)加固依據(jù)《廣東省水文圖集》（1991）查取。

（3）產(chǎn)匯流參數(shù)。根據(jù)馬古坑水庫(kù)集水區(qū)域?qū)佟稄V東省暴雨徑流查算圖表》中的“Ⅳ東江中下游分區(qū)”，由此可查暴雨、產(chǎn)流、匯流分區(qū)。

（4）設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。復(fù)核的設(shè)計(jì)洪峰比2002年除險(xiǎn)加固成果小17%～18%，洪量比2002年除險(xiǎn)加固成果大23%～32%。主要原因是復(fù)核的地理參數(shù)、暴雨參數(shù)、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法發(fā)生了變化。復(fù)核成果如下：設(shè)計(jì)洪峰（P=5%）為97.88m3/s，1d洪量為117.20萬(wàn)m3，3d洪量為143.85萬(wàn)m3；校核洪峰（P=0.5%）為138.72m3/s，1d洪量為199.16萬(wàn)m3，3d洪量為263.48萬(wàn)m3。

2.3 調(diào)洪計(jì)算

（1）水庫(kù)防洪調(diào)度。根據(jù)博羅縣公莊鎮(zhèn)馬古坑水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用方案，水庫(kù)防洪調(diào)度運(yùn)行原則如下：①馬古坑水庫(kù)泄洪建筑物由溢洪道承擔(dān)，輸水涵管不承擔(dān)泄洪任務(wù)；②馬古坑水庫(kù)溢洪道為開敞式溢洪道，起調(diào)水位為正常蓄水位，當(dāng)水庫(kù)水位高于正常蓄水位時(shí)，溢洪道自由泄洪。

起調(diào)水位對(duì)水庫(kù)泄洪風(fēng)險(xiǎn)影響較大，2002年除險(xiǎn)加固及公莊鎮(zhèn)馬古坑水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用方案中，起調(diào)水位為49.20m，而2021年測(cè)量復(fù)核得出，溢洪道底高程為50.10m，相差較大。調(diào)洪計(jì)算中起調(diào)水位采用2021復(fù)核溢洪道底高程。

（2）水位-庫(kù)容關(guān)系。①水位-庫(kù)容關(guān)系曲線復(fù)核。馬古坑水庫(kù)水位-庫(kù)容關(guān)系復(fù)核依據(jù)2021年1月實(shí)測(cè)地形圖，水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算方法采用方便高效的等高線法。②水位-庫(kù)容關(guān)系成果分析。根據(jù)復(fù)核可知，現(xiàn)狀水庫(kù)庫(kù)容與2002除險(xiǎn)加固成果相差較大（最大相差16.1萬(wàn)m3），對(duì)比分析見表1。

表1 馬古坑水庫(kù)水位-庫(kù)容關(guān)系對(duì)比分析表

因?yàn)槿鄙偎畮?kù)1968年初步設(shè)計(jì)相關(guān)水位-庫(kù)容資料，同時(shí)缺少2002年除險(xiǎn)加固成果中計(jì)算依據(jù)基本資料，所以不能完整分析庫(kù)容變化原因。2021年復(fù)核所采用2021年實(shí)測(cè)地形圖，可以反映水庫(kù)最新的水位-庫(kù)容關(guān)系曲線。

（3）水位-泄量關(guān)系。①溢洪道概況。馬古坑水庫(kù)溢洪道位于大壩左肩，堰頂高程為50.10m，為開敞式溢洪道，凈寬10m，復(fù)核堰頂高程為50.10m（2002年除險(xiǎn)加固為49.20m）。②溢洪道水位-泄量關(guān)系。溢洪道泄為單孔寬頂堰，過流能力根據(jù)寬頂堰非淹沒出流計(jì)算。

堰流公式復(fù)核的溢洪道水深-泄量關(guān)系與2002年成果基本一致（相差在3.4%以下），但溢洪道堰頂高程與2002年除險(xiǎn)加固相差較大，因此復(fù)核的溢洪道水位-泄量關(guān)系變化較大。

（4）調(diào)洪計(jì)算。根據(jù)水庫(kù)的調(diào)度原則、復(fù)核的設(shè)計(jì)洪水、最新水位-庫(kù)容-泄量關(guān)系曲線，采用靜庫(kù)容法進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，復(fù)核水庫(kù)特征水位及特征庫(kù)容，并與已有成果對(duì)比分析（見表2）。①?gòu)?fù)核成果。設(shè)計(jì)洪水位（P=5%）為52.18m，設(shè)計(jì)洪水位以下庫(kù)容為78.35萬(wàn)m3；校核洪水位（P=0.5%）為52.83m，校核洪水位以下庫(kù)容為97.06萬(wàn)m3。P=10%情況下，最大泄量流量為37.5m3/s。②結(jié)果分析。2002年除險(xiǎn)加固的洪水位成果：設(shè)計(jì)洪水位（P=5%）為51.66m，校核洪水位（P=0.5%）為52.25m。2021年復(fù)核特征水位高于2001年除險(xiǎn)加固特征水位，其中設(shè)計(jì)洪水位高0.52m，校核洪水位低高0.58m。主要原因：2002年除險(xiǎn)加固采用的集水面積較?。?002年除險(xiǎn)加固查取的暴雨參數(shù)Ht（6h）、Ht（24h）、Ht（72h）值較??；2002年除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪量較2021年復(fù)核成果較?。?002年除險(xiǎn)加固溢洪道堰頂高程采用49.20m，2021年復(fù)核為50.10m，即起調(diào)水位（也是正常蓄水位）發(fā)生較大變化時(shí)，水位-泄量關(guān)系也將發(fā)生較大變化。

表2 調(diào)洪計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析表

2021年復(fù)核所采用的調(diào)度原則、水位-泄量-庫(kù)容關(guān)系曲線（2021年1月實(shí)測(cè)），皆能反映工程現(xiàn)狀，且成果安全、合理。

2.4 大壩抗洪能力復(fù)核

（1）壩頂高程復(fù)核。馬古坑水庫(kù)大壩屬均質(zhì)土壩，壩頂超高計(jì)算公式如下：

式中：y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風(fēng)壅水面高度，m；A為安全加高，m[5]。

復(fù)核可得水庫(kù)壩頂高程計(jì)算值為53.80m，而現(xiàn)狀壩頂高程為52.62～52.85m，防浪墻頂高程為52.29～52.39m，現(xiàn)狀壩頂高程低于規(guī)范要求。

（2）防洪能力復(fù)核。①水庫(kù)原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足規(guī)范要求，不需要調(diào)整。②水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果需要調(diào)整。復(fù)核地理參數(shù)、暴雨參數(shù)，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法后，確定馬古坑水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰（P=5%）為97.88m3/s，校核洪峰（P=0.5%）為138.72m3/s。③復(fù)核馬古坑水庫(kù)大壩壩頂高程，不滿足規(guī)范要求。

綜上所述，馬古坑水庫(kù)大壩防洪安全性應(yīng)評(píng)為C級(jí)，大壩應(yīng)評(píng)為三類壩。

3 結(jié)論

影響小型水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)的因素較多，文章以博羅縣馬古坑水庫(kù)為例，總結(jié)防洪能力復(fù)核中需注意的問題。

（1）小型水庫(kù)由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水時(shí)，采用綜合單位線法、推理公式法等多種方法協(xié)調(diào)分析結(jié)果與原單一方法計(jì)算結(jié)果相差較大。

（2）小型水庫(kù)原設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果根據(jù)暴雨資料的延長(zhǎng)將發(fā)生變化。

（3）受原設(shè)計(jì)時(shí)條件限制，水庫(kù)地理參數(shù)可能誤差較大。

（4）小型水庫(kù)起調(diào)水位一般為正常蓄水位（溢洪道堰頂高程），原設(shè)計(jì)時(shí)可能采用假定高程且測(cè)量誤差較大，需認(rèn)真復(fù)核。

（5）最新水庫(kù)水位-庫(kù)容-泄量關(guān)系曲線與原設(shè)計(jì)相比，可能已發(fā)生較大變化，對(duì)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果影響較大。

（6）因設(shè)計(jì)洪水變化、水庫(kù)水位-庫(kù)容-泄量關(guān)系曲線變化，進(jìn)而影響壩頂高程計(jì)算值，可能導(dǎo)致現(xiàn)狀壩頂高程不滿足規(guī)范要求。