俄垤水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)洪水和防洪安全復(fù)核分析

代 超，施文俊，鄭 紅

（1.云南省能源投資集團(tuán)有限公司,云南 昆明 650228；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051）

1 工程概況

俄垤水庫(kù)位于紅河縣寶華鄉(xiāng)東南部的勐龍河上游,勐龍河系紅河右岸的一級(jí)支流,全長(zhǎng)54 km,流域地勢(shì)南高北低,落差2065 m,河床平均坡降38.2‰,平均高程1420 m。俄垤水庫(kù)壩址控制流域面積71.7 km2,壩址以上干流總長(zhǎng)18.35 km,河道平均比降為44.0‰,流域形狀系數(shù)為0.208。俄垤水文站位于俄垤水庫(kù)壩址處,于1978 年7月設(shè)立,1989 年3 月撤銷；觀測(cè)項(xiàng)目有水位、流量以及降水等,水文測(cè)驗(yàn)精度較高,但實(shí)測(cè)系列較短。

俄垤水庫(kù)于1998年7月建成,水庫(kù)總庫(kù)容3010 萬(wàn)m3,是一座解決農(nóng)業(yè)灌溉用水并兼顧城鄉(xiāng)用水、工業(yè)用水、發(fā)電等綜合利用的中型水庫(kù)；樞紐工程由攔河大壩（均質(zhì)土壩）、溢洪道及輸水泄洪隧洞組成,最大壩高64.9 m；工程等別為Ⅲ等中型,水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000 年一遇,消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇。2015 年,經(jīng)安全評(píng)價(jià)和鑒定,俄垤水庫(kù)大壩為“三類壩”,不能正常運(yùn)行、發(fā)揮設(shè)計(jì)功能,需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核

俄垤水庫(kù)原設(shè)計(jì)中未對(duì)后汛期洪水進(jìn)行分析,但在設(shè)計(jì)中考慮了結(jié)合庫(kù)容,正常蓄水位為1560.68 m,汛限水位為1558.68 m,結(jié)合深度2 m,結(jié)合庫(kù)容235.27 萬(wàn)m3,因此俄垤水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)需要對(duì)水庫(kù)主汛期和后汛期設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行復(fù)核分析,作為調(diào)洪計(jì)算依據(jù)。

2.1 主汛期設(shè)計(jì)洪水

俄垤水庫(kù)流域1 h、6 h、24 h暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)根據(jù)《云南省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》[1]（以下簡(jiǎn)稱《省暴雨圖集》）查得：1 h、6 h、24 h暴雨均值分別為37 mm、57 mm、77 mm,變差系數(shù)Cv分別為0.42、0.41、0.39,偏態(tài)系數(shù)Cs=3.5 Cv。基于《省暴雨圖集》參數(shù)采用瞬時(shí)單位線法[2]（根據(jù)《云南省暴雨徑流查算圖表》[3]推求單位線）、推理公式法[4]進(jìn)行匯流計(jì)算推求設(shè)計(jì)洪水,并基于俄垤水文站1978年8月～1988年3月實(shí)測(cè)洪水和歷史洪水調(diào)查資料采用頻率分析法,對(duì)俄垤水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,結(jié)果見表1。

表1 俄垤水庫(kù)不同方法設(shè)計(jì)洪水結(jié)果對(duì)比表

三種方法計(jì)算結(jié)果中,洪峰流量為瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果最大,實(shí)測(cè)資料法次之,推理公式法最?。?4小時(shí)洪量為瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果最大,推理公式法次之,實(shí)測(cè)資料法最小。鑒于推理公式法匯流參數(shù)m的確定有一定的任意性,經(jīng)驗(yàn)公式τ=0.278 L/（mJ1/3Qm1/4）中指數(shù)1/3和1/4屬經(jīng)驗(yàn)值,不一定符合本地實(shí)際情況；實(shí)測(cè)資料分析法未考慮1988年以后的洪水情況,并且系列系列太短,無(wú)代表性；《省暴雨圖集》綜合多方面因素作了暴雨地區(qū)綜合影響平衡,站網(wǎng)密度較大,資料年限較長(zhǎng),且考慮了特大暴雨資料對(duì)參數(shù)分布和量級(jí)變化的影響,參數(shù)計(jì)算精度和區(qū)域代表性較高并充分考慮了空間變異性,能反映流域?qū)嶋H情況。因此,基于《省暴雨圖集》暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)采用瞬時(shí)單位線法推求的設(shè)計(jì)洪水更合理,作為設(shè)計(jì)洪水復(fù)核采用成果。

本次設(shè)計(jì)洪水復(fù)核采用的成果與初設(shè)階段結(jié)果比較見表2,復(fù)核的洪峰流量較原設(shè)計(jì)增加15%以上、24 h洪量增加12%以上,鑒于原設(shè)計(jì)采用的暴雨、洪水系列值較短,而本次基于《省暴雨圖集》的瞬時(shí)單位線法采用的暴雨參數(shù)系列值更長(zhǎng)、計(jì)算結(jié)果更精確且洪水計(jì)算結(jié)果更大,因此采用本次復(fù)核計(jì)算的洪水成果作為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)依據(jù)。

表2 本次復(fù)核設(shè)計(jì)洪水成果與原初步設(shè)計(jì)成果比較表

2.2 后汛期洪水計(jì)算

俄垤水庫(kù)洪水分為主汛期洪水、后汛期洪水和枯期洪水,其中主汛期為6月初～9月底,后汛期為10月初～11月底,枯期為12月初～翌年5月底。

2.2.1 后汛期設(shè)計(jì)洪水

從俄垤水文站1979年～1988年實(shí)測(cè)資料中挑選后汛期最大流量、最大一日洪量資料進(jìn)行頻率計(jì)算和適線：洪峰流量均值Qm=19.0 m3/s,Cv=1.5,經(jīng)適線后采用均值Qm= 19.0 m3/s,Cv=1.35,Cs=4.0Cv；一日洪量均值Wm=70.61 萬(wàn)m3,Cv=1.08,經(jīng)適線后采用均值Wm=70.61萬(wàn)m3,Cv=0.9,Cs=3.5Cv。根據(jù)適線后的參數(shù),計(jì)算得各頻率設(shè)計(jì)洪水成果見表3。

表3 俄垤水庫(kù)后汛期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果表

2.2.2 后汛期設(shè)計(jì)洪水抽樣誤差及安全保證值

俄垤水庫(kù)后汛期洪水分析使用俄垤水文站1979年～1988年實(shí)測(cè)10年的洪水資料按P-III型頻率曲線計(jì)算,設(shè)計(jì)洪水均值、表3中各頻率洪水設(shè)計(jì)值的抽樣誤差分別用式（1）、式（2）計(jì)算（其中B為Cs和P的函數(shù),由B值諾模圖[3]查得）,抽樣誤差計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 俄垤水庫(kù)后汛期設(shè)計(jì)洪水抽樣誤差表

從表4中可以看到,采用俄垤水文站1979年～1988年實(shí)測(cè)洪水的參數(shù)去代替總體統(tǒng)計(jì)參數(shù)的抽樣誤差均較大,P=0.1%～P=3.33%各頻率設(shè)計(jì)洪水值的誤差基本都超過了50%。按照規(guī)范[3]中“對(duì)大型工程或重要的中型工程,用頻率分析法計(jì)算的非常運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的洪水,經(jīng)分析檢查,如成果有偏小的可能時(shí),應(yīng)加安全保證值（一般不超過計(jì)算值的20%）”的規(guī)定,雖然俄垤水庫(kù)下游無(wú)重要城鎮(zhèn)、工礦區(qū)、鐵路或其他重要政治經(jīng)濟(jì)意義的設(shè)施,但鑒于資料系列短,因此在P=0.1%～3.33%洪峰、洪量上增加計(jì)算值15%的安全值,最終確定俄垤水庫(kù)后汛期設(shè)計(jì)洪水見表5。

表5 俄垤水庫(kù)后汛期設(shè)計(jì)洪水成果表

3 調(diào)洪計(jì)算

俄垤水庫(kù)上游植被較好,泥沙淤積不嚴(yán)重,庫(kù)容曲線采用原設(shè)計(jì)測(cè)量的庫(kù)容曲線；溢洪道和輸水泄洪隧洞采用經(jīng)復(fù)核的泄流曲線,與原設(shè)計(jì)相差不大。主汛期洪水的起調(diào)水位為汛限水位1558.68 m,后汛期起調(diào)水位為正常蓄水位即1560.68 m,均通過溢洪道和輸水泄洪隧洞共同泄洪。本次調(diào)洪計(jì)算成果與原初步設(shè)計(jì)成果對(duì)比見表6：本次復(fù)核的設(shè)計(jì)洪水位為1561.01 m（后汛期設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪確定）,校核洪水位為1562.59 m（主汛期校核洪水調(diào)洪確定）,均低于俄垤水庫(kù)原設(shè)計(jì)值；考慮到原設(shè)計(jì)經(jīng)過審批,經(jīng)過本次設(shè)計(jì)洪水和調(diào)洪計(jì)算復(fù)核后,俄垤水庫(kù)的特征水位仍采用原設(shè)計(jì)成果,即設(shè)計(jì)洪水位為1561.66 m,校核洪水位為1562.83 m。

表6 俄垤水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果表

4 壩頂高程復(fù)核

俄垤水庫(kù)位于山區(qū)峽谷地區(qū),按《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[3]和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]要求,壩頂高程不得低于水庫(kù)校核洪水位,土質(zhì)防滲體的頂高程應(yīng)不低于校核洪水位；壩頂上游防浪墻頂高程應(yīng)高于波浪頂高程,壩頂在水庫(kù)靜水位以上的超高由三部分組成,即波浪爬高、風(fēng)壅水面高度和安全加高,計(jì)算公式如下：

式中：Y為壩頂在靜水位以上的超高,m；R為風(fēng)浪沿著壩坡的最大爬高,m；e為最大風(fēng)壅水面高度,m；A為安全加高,m。

俄垤水庫(kù)大壩壩頂超高計(jì)算結(jié)果見表7,正常運(yùn)用條件下所需的防浪墻頂高程為1563.66 m,非常運(yùn)用條件下所需的防浪墻頂高程為1564.06 m（校核洪水位工況）?，F(xiàn)狀防浪墻頂高程為1564.90 m,防浪墻頂高程滿足規(guī)范要求；現(xiàn)狀壩頂高程（1563.90 m）高于非常運(yùn)用條件下靜水位（校核洪水位1562.83 m）,故壩頂高程亦滿足規(guī)范要求。

表7 俄垤水庫(kù)大壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算和防洪安全復(fù)核是水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容和基本依據(jù)[6],對(duì)設(shè)置了汛限水位的水庫(kù)應(yīng)合理確定分期設(shè)計(jì)洪水。在紅河縣俄垤水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)中,采用多種方法計(jì)算主汛期設(shè)計(jì)洪水,最終采用基于《省暴雨圖集》統(tǒng)計(jì)參數(shù)瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果,并與原設(shè)計(jì)比較后采用本次復(fù)核成果；基于鄰近水文站主汛期、后汛期洪水關(guān)系,考慮抽樣誤差推求后汛期洪水；經(jīng)采用主汛期、后汛期洪水進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算,水庫(kù)特征水位維持原初步設(shè)計(jì),并進(jìn)行壩頂高程復(fù)核,現(xiàn)狀壩頂高程滿足防洪要求。本文的計(jì)算分析可為類似水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程提供參考。