遼寧省大中型水庫抗暴雨能力工程制約因素分析

李忱庚

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局),遼寧 沈陽 110003)

1 引 言

遼寧省水利部門管理的大中型水庫有106 座,總庫容173 億m3,占全省水庫庫容的94.93%,且多位于主要江河,其與河道堤防形成的防洪體系,可基本保證城市和重要河段的防洪安全。

2017 年水利部水文情報預報中心首次提出了中小型水庫抗暴雨能力的概念和計算方法[1],在水庫防汛調(diào)度中選用抗暴雨能力作為考量指標,可以最大限度地減少由于水庫調(diào)度不及時而導致的潰壩或上下游淹沒風險,同時還能夠指導科學調(diào)蓄,盡可能降低水資源損失,為水庫防汛調(diào)度提供了重要參考。

2020 年以來,遼寧省對全省水庫開展了抗暴雨能力分析工作。 通過現(xiàn)場工作發(fā)現(xiàn),由于受多年來運行管理條件限制,以及水庫建設和除險加固存在一些遺留問題,致使部分水庫不能按照設計工況調(diào)度運行,其抗暴雨能力受到了制約。 本文全面介紹了遼寧省大中型水庫工程制約因素,并對其對抗暴雨能力的影響進行討論分析,給出了更切合實際應用的水庫防汛參考。

2 遼寧省大中型水庫抗暴雨能力計算方法

水庫抗暴雨能力是指水庫在當前流域下墊面情況和規(guī)定的調(diào)度方式下,水庫當前剩余防洪庫容所能夠承納的降雨量。 因此,水庫抗暴雨能力是一個動態(tài)值,其與水庫所在流域下墊面情況、當前庫水位和調(diào)度方式密切相關(guān)。

2.1 入庫洪水推求

根據(jù)水庫以上流域內(nèi)各年的年最大24h 面雨量系列進行頻率分析計算,或根據(jù)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設計暴雨洪水計算方法》查得流域重心24h 暴雨均值、Cv 值、點面折減系數(shù),計算得到各水庫各重現(xiàn)期的24h 設計面雨量[2]。 假定設計暴雨和設計洪水同頻,依據(jù)水庫24h 設計面暴雨、各重現(xiàn)期設計洪水和設計洪水過程線成果,用內(nèi)插法推求不同量級24h 面降雨對應的洪水過程線。 其中水庫24h 面雨量從50mm起,按50mm 逐級遞增,最大降雨量級按500mm 計,丹東及遼西降水高值地區(qū)最大降雨量級按1000mm 計。

2.2 不同飽和情況暴雨徑流相關(guān)圖的繪制

參考《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設計暴雨洪水計算方法》中各水文分區(qū),確定各水庫所在流域最大土壤含水率Imax?？紤]前期雨量影響,根據(jù)15d 內(nèi)土壤含水率計算得到水庫所在流域當前Pa值,將其與Imax比較。 按照土壤不同飽和情況,將降水開始時刻的土壤含水量近似歸納為Pa=0mm、Pa=0.5Imax、Pa=Imax,飽和狀態(tài)下按24h 降雨全部形成三日洪量考慮,得到水庫的降雨徑流相關(guān)圖,由水庫降雨徑流相關(guān)圖查得相應的三日洪量,與水庫各重現(xiàn)期3 日洪量比較,用內(nèi)插法推算不同飽和狀態(tài)不同量級降雨對應的過程線[3]。

2.3 調(diào)洪演算與抗暴雨能力分析

水庫洪水調(diào)度方式采用已批復的水庫設計報告、除險加固設計報告或度汛方案中確定的調(diào)度方式,對于開敞式溢洪道水庫,直接采用其相應水位下的溢洪道泄量;對于有閘門調(diào)節(jié)的溢洪道,根據(jù)其相應工況下調(diào)度運用方案中的過閘泄量,在可能暴雨分析基礎上,采用二分迭代法逐級試算,給出不同工況下水庫洪水調(diào)節(jié)成果和最大抗暴雨能力級別。

3 工程制約因素分析

在應用水庫抗暴雨能力分析成果時,除理論計算外,還應當考慮水庫本身存在的工程實體缺陷或運行管理問題對抗暴雨能力的制約[4]。 基于此,2020 年遼寧省組織對全省大中型水庫開展抗暴雨能力現(xiàn)場復核,檢查發(fā)現(xiàn)了224 個工程缺陷和運行管理問題,其中部分問題影響水庫正常運行,對水庫抗暴雨能力形成制約。 根據(jù)檢查結(jié)果,對所涉水庫抗暴雨能力計算成果進行調(diào)整。

3.1 工程實體缺陷或運行管理問題概述

工程實體缺陷或運行管理問題按性質(zhì)可分為5類,分別為水庫防洪標準不足、工程主體結(jié)構(gòu)存在缺陷、水庫運行管理存在漏洞、庫區(qū)或周邊存在違規(guī)建筑物或經(jīng)營場所、水庫受現(xiàn)狀制約無法按調(diào)度規(guī)程正常運行等,其出現(xiàn)比例、問題表現(xiàn)和存在問題的水庫實例如表1 所示。

表1 水庫工程實體缺陷和運行管理問題清單

續(xù)表

3.2 工程實體缺陷或運行管理問題判定

按照工程實體缺陷或運行管理問題對水庫抗暴雨能力影響程度不同,可以分為4 類,并對水庫抗暴雨能力計算成果作出相應調(diào)整[5]。

3.2.1 需對計算成果作出調(diào)整的問題判定

a. 對因庫區(qū)移民不徹底或返遷,水庫不能按正常蓄水位運行導致防洪標準不足的水庫,應按照庫區(qū)移民現(xiàn)狀高程線重新核定水庫特征值,并據(jù)此修訂水庫調(diào)度運用方案和防汛應急預案,在此基礎上開展水庫抗暴雨能力計算。

b. 對水庫大壩有滲漏、壩體有沉陷、防滲設施有缺陷等,大壩穩(wěn)定存在嚴重隱患和水庫溢洪道邊墻開裂、傾覆變形、溢洪道底板及下游消力設施損毀等,結(jié)構(gòu)安全存在隱患,以及金屬結(jié)構(gòu)及電氣設備老化、失效,影響水庫正常調(diào)度運用的3 類工程主體結(jié)構(gòu)存在缺陷的水庫,應根據(jù)安全鑒定結(jié)論按病險水庫管理,核定病險期水庫汛限水位等特征值,據(jù)此開展水庫抗暴雨能力計算,并盡早開展除險加固。

c. 對在除險加固實施中有設計變更未批復或有部分工程內(nèi)容未實施,無法驗收、不能正常運行的水庫,應按照除險加固設計中制定的工程施工期水庫度汛方案核定水庫調(diào)度運用方案和防汛應急預案,根據(jù)施工期汛限水位等特征值開展水庫抗暴雨能力計算,并盡早解決歷史遺留問題。

3.2.2 采取一定措施,不影響水庫抗暴雨能力問題判定

a. 對水庫大壩不封閉、水庫防浪墻不封閉、高程不滿足設計標準導致防洪標準不足的水庫,可在水庫防汛應急預案中明確汛期應采取的臨時封堵措施,并在水庫現(xiàn)場配備沙袋等防汛搶險物資,在此基礎上可按照正常汛限水位開展抗暴雨能力計算。

b. 對庫區(qū)或周邊存在違規(guī)建筑物和經(jīng)營場所的水庫,應將經(jīng)營場所、違建房屋、車庫廠房等視為臨時建筑,評估其結(jié)構(gòu)對水庫防汛安全的影響,在水庫防汛應急預案中明確汛期管理和轉(zhuǎn)移避險的相關(guān)要求,在此基礎上可以按照正常汛限水位開展抗暴雨能力計算。

3.2.3 不影響水庫抗暴雨能力問題判定

a. 對水庫輸水洞、溢洪道存在落石、堆土、雜草或攔魚網(wǎng)等影響泄流和行洪安全的水庫,可視為其不影響抗暴雨能力計算成果,但需盡早開展現(xiàn)場整改工作,依托水庫維修養(yǎng)護,徹底清理攔污柵、攔魚網(wǎng)、林草和石碓土堆等。

b. 對壩頂路常年通車,庫區(qū)內(nèi)有人釣魚、耕種、放牧,群眾隨意出入等日常運行管理存在漏洞的水庫,可視為其不影響抗暴雨能力計算成果,但需加強水庫管理,特別是汛期管理,確保人員生命財產(chǎn)安全,保證水庫度汛安全。

3.2.4 無法開展水庫抗暴雨能力計算的特例

沈陽市康平縣三臺子水庫位于采礦沉陷區(qū),受采礦影響,水庫大壩及附屬設施等構(gòu)、建筑物沉陷嚴重,庫區(qū)管理房(高度約10m)已沉沒,水庫大壩前后有多處大沉陷坑,水庫已失去正常形態(tài)。 由于上述原因,三臺子水庫無法開展水庫抗暴雨能力計算,其防汛工作應當特別對待,不在本文討論。

4 應用實例

以朝陽市閻王鼻子水庫為例,討論工程制約因素對水庫抗暴雨能力計算成果的影響。

閻王鼻子水庫位于大凌河干流,集水面積9482km2,總庫容為2.17 億m3,為大(2)型水庫,其主要問題有:庫區(qū)移民不徹底,水庫不能按正常蓄水位運行;水庫溢流壩堰面混凝土多處裂縫;水庫沖沙閘下游海漫損毀,河道有多處沖坑。 其中,影響水庫抗暴雨能力計算成果的主要是移民問題,正常蓄水位至20 年一遇淹沒線范圍內(nèi)有大平房鎮(zhèn)公皋村、塔營子村206 戶991 人未搬遷,正常蓄水位至5 年一遇淹沒線范圍內(nèi)有15521畝耕地未征收。

4.1 水庫洪水調(diào)度方式調(diào)整

水庫初步設計防洪限制水位為211m,防洪調(diào)度原則為:?入庫洪峰流量Q<1000m3/s 時水庫蓄洪運用;?入庫流量達到1000m3/s、壩前水位211m 時,水庫按放空排沙運用,控制最大下泄流量不超過4300m3/s,隨著庫水位下降,表孔閘門逐漸加開,保證最大泄量至庫水位達206.7m 時,表孔全部開啟,水庫敞泄直至本次洪水過程結(jié)束。

受移民問題影響,水庫低水位運行,防洪限制水位為210m,防洪調(diào)度原則為:?入庫流量Q≤1000m3/s時,保證下泄流量等于入庫流量,水位維持210m;?1000m3/s

4.2 水庫抗暴雨能力計算成果調(diào)整

分別對設計工況和考慮前期雨量影響工況,即Pa=0、Pa=75mm(0.5Imax)、Pa=150mm(Imax)下,閻王鼻子水庫抗暴雨能力進行分析,主要考慮以下三個約束條件:一是考慮上游庫區(qū)移民遺留問題,以上游土地征占高程213.5m 為控制條件;二是考慮下游河道安全泄量,按最低保護目標20 年一遇為標準,以安全泄量為5292m3/s 為控制條件;三是考慮水庫自身安全,以校核洪水位216.5m 為控制條件。 其成果見表2。

表2 考慮前期雨量影響的約束條件下水庫抗暴雨能力計算成果

5 結(jié) 論

水庫抗暴雨能力作為考量指標,可以客觀衡量水庫抵御降雨能力,科學指導水庫運行調(diào)度,在遼寧省水庫防汛工作中得到了較好的實踐。 考慮水庫工程實體缺陷或運行管理問題對抗暴雨能力的制約,是對抗暴雨能力計算成果進行合理性修訂的重要依據(jù),在應用中也得到了很好的效果。 但目前,對水庫抗暴雨能力的計算還存在一定的不足,主要表現(xiàn)在各水庫所處位置和環(huán)境不同,其產(chǎn)流機制各異,統(tǒng)一采用蓄滿產(chǎn)流模型進行計算,其結(jié)果可能存在一定偏差;此外,水庫工程實體缺陷或運行管理問題是一個動態(tài)問題,應當隨時更新,并將其同水庫日常運行檢查、

水庫安全鑒定、除險加固等各方面成果結(jié)合到一起,共同指導水庫抗暴雨能力計算工作。