莊 軍
(景德鎮(zhèn)市昌江區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村水利局,江西 景德鎮(zhèn) 333000)
根據(jù)水利部頒布的《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》(2003[271]號(hào))和有關(guān)安全鑒定事項(xiàng)的文件內(nèi)容,在對(duì)大壩安全進(jìn)行科學(xué)鑒定時(shí),需要實(shí)施制度內(nèi)容,并且在竣工后五年時(shí)間里完成首次鑒定任務(wù),而后以六年或十年作為鑒定周期,進(jìn)而全面把控大壩運(yùn)行動(dòng)態(tài),有效評(píng)價(jià)楊灣水庫(kù)大壩的安全狀況,了解大壩的運(yùn)行性態(tài),充分發(fā)揮工程效益,本人對(duì)楊灣水庫(kù)大壩防洪能力進(jìn)行復(fù)核。
楊灣水庫(kù)地處景德鎮(zhèn)市昌江區(qū)荷塘鄉(xiāng)境內(nèi),饒河水系昌江支流雙溪水上,大壩壩址座落在荷塘鄉(xiāng)陳灣村上游約1.0km處,其地理位置為E117°11′,N29°13′,距景德鎮(zhèn)市中心15km。壩址以上控制集雨面積14.0km2,水庫(kù)正常蓄水位88.90m(黃海系統(tǒng)高程,下同),相應(yīng)庫(kù)容為145萬(wàn)m3;設(shè)計(jì)洪水位(P=3.3%)91.37m,校核洪水位(p=0.5%)92.06m,水庫(kù)總庫(kù)容198.9萬(wàn)m3。楊灣水庫(kù)于1965年開(kāi)始建設(shè),1967年正式投入運(yùn)行,是一座以灌溉為主,兼有養(yǎng)殖的小(1)型水庫(kù)。
楊灣水庫(kù)位于位于流域內(nèi)皆為山地,植被茂密,地勢(shì)較陡,水土保持良好。楊灣水庫(kù)歷次流域特征參數(shù)復(fù)核成果詳見(jiàn)表1。在對(duì)大壩運(yùn)行安全進(jìn)行科學(xué)鑒定時(shí),應(yīng)當(dāng)參照河道建設(shè)圖(1∶10000)航測(cè)圖,進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)核效果,此時(shí)最終獲取的結(jié)果與2015年除險(xiǎn)加固復(fù)核成果基本一致。本次采用控制流域面積14.00km2,主河道長(zhǎng)度4.53km,主河道平均比降51‰。
表1 楊灣水庫(kù)流域特征參數(shù)
工程所在地處東亞季風(fēng)區(qū),屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)性氣候,光照充足,雨量充沛,氣候溫和,四季更替明顯。多年平均降雨量1805mm,降雨年內(nèi)分配不均,降雨年際變化也較大。多年平均蒸發(fā)量956mm,年平均相對(duì)濕度80%。多年最大平均風(fēng)速為12.5m/s。
楊灣水庫(kù)壩址以上流域及其壩址下游附近無(wú)水文測(cè)站和雨量站。水文部門在本水庫(kù)附近的昌江干流上設(shè)有渡峰坑水文站,臨近流域荷塘水上建有荷塘水文站。各測(cè)站基本情況如下:
1)渡峰坑水文站:
渡峰坑水文站位于景德鎮(zhèn)市新楓街道莊屋下村(渡峰坑河對(duì)岸),屬饒河水系昌江,距壩址直線里程約12km。該水文站1952年遷至渡峰坑村,于1957年改名稱為渡峰坑水文站。該水文站集水面積5013 km2,為國(guó)家基本站,且是饒河流域昌江的控制站,觀測(cè)水位、流量、降水量、泥沙至今。
2)荷塘水文站:
該站于1978年1月設(shè)立,位于昌江區(qū)荷塘鄉(xiāng)童坊村陸家?guī)X小組,屬饒河水系荷塘水,距壩址直線里程約4km。該水文站集水面積16.3km2,站址以上主河道長(zhǎng)度L=5.35km,站址以上主河道平均比降J=18.01‰,觀測(cè)水位、流量、降水量至今。
2015年,景德鎮(zhèn)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院編制了《江西省昌江區(qū)楊灣塢水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初設(shè)報(bào)告》,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇。
楊灣水庫(kù)屬于小(一)型水庫(kù),大壩為漿砌石重力壩。根據(jù)GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》與2017年公布的洪水劃分標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容,能夠認(rèn)定景德鎮(zhèn)市大壩構(gòu)筑物,本身屬于四級(jí)建筑物,而且還包含五級(jí)臨時(shí)建筑物。此時(shí),需要設(shè)定30a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)核對(duì)后,即可達(dá)成200a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),其中楊灣水庫(kù)不作為短期防洪標(biāo)準(zhǔn)予以設(shè)計(jì)[1-2]。
楊灣水庫(kù)附近未設(shè)置觀測(cè)站,此次研究中匯總的暴雨相關(guān)文件信息,需要對(duì)其實(shí)施合理推演。該水庫(kù)位于江西省地區(qū),依據(jù)相關(guān)查算規(guī)范,在復(fù)核時(shí)可以借助公式推演形式知曉洪水標(biāo)準(zhǔn),而后在復(fù)核中以此為主,進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。
設(shè)計(jì)暴雨采用《手冊(cè)》圖表查得的統(tǒng)計(jì)參數(shù)特征值計(jì)算。在對(duì)楊灣水庫(kù)防洪能力展開(kāi)復(fù)核時(shí),還要知曉該河道建設(shè)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信息,并且可以查找相關(guān)文件,知曉年度暴雨平均值(1h)與年最大降雨量(6h),之后由有關(guān)人員按照相關(guān)規(guī)范順利求取相關(guān)數(shù)值,最終憑借對(duì)模比系數(shù)的求取,以及下述公式知曉具體值,其中模比系數(shù)為暴雨設(shè)計(jì)值(H)與平均值的商值,即HP=H×KP,其余數(shù)值利用(3.1)、(3.2)進(jìn)行計(jì)算:
H3P=H1P·31-n2
(1)
(2)
3.5.1 產(chǎn)流
3.5.2 匯流
按《手冊(cè)》公式(3)、(4)列表計(jì)算Qt-t、Qτ-τ對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中:
Qt=0.278F∑ht/t
(3)
(4)
式中:Q為流量;t和τ、L、F、ht為時(shí)間、長(zhǎng)度(主河道)、流域面積以及多時(shí)段凈雨量;M為水庫(kù)匯流;J為比降均值。在推算楊灣水庫(kù)的匯流特征時(shí),還應(yīng)當(dāng)依據(jù)第Ⅶ區(qū)對(duì)應(yīng)的關(guān)系式,求出匯流參數(shù)值。
即:
m=0.100(L/J1/3)0.417。計(jì)算后需要圍繞各參數(shù)的分布關(guān)系進(jìn)行繪圖,而后從曲線圖中分析各參數(shù)的相關(guān)性。包括繪制Qt-t、Qτ-τ曲線圖,Qt-t、Qτ-τ對(duì)應(yīng)的交點(diǎn),能夠指示具體匯流的時(shí)間點(diǎn)與流量值,此兩個(gè)數(shù)值是Qm地下與τ。其中可以用作“%”記錄轉(zhuǎn)折點(diǎn)數(shù)值。至于洪峰值的求取,可以按Qm地下=R下·F/3.6T計(jì)算,為Qm地下對(duì)應(yīng)的“結(jié)束點(diǎn)”,此時(shí)在了解徑流過(guò)程時(shí),可以利用Qm地下定點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三角形面積推測(cè)變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)三角形變化情況的分析,能夠推算出200%時(shí)間可以充當(dāng)三角形的底寬數(shù)值,而R下代表的是深度值,T代表底寬(徑流過(guò)程線),以T=9.67W/Qm地面進(jìn)行分析W=0.1h24F(104m3)是屬于24h時(shí)段凈雨量。
徑流過(guò)程中,時(shí)段的增減往往伴隨著流量的降低(△t=1h),降低幅度為△=Qm地下=Qm地下·△t/T式中的T值表示的是底寬。對(duì)于洪峰流量值的計(jì)算可從徑流過(guò)程線中進(jìn)行求和分析。
圖1 楊灣設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線
3.5.3 設(shè)計(jì)洪水成果的選用
本次復(fù)核采用推理公式法分別推求設(shè)計(jì)洪水。本次推理公式法推求的校核洪峰流量較2015年初設(shè)成果偏小,故本次采用2015年初設(shè)的洪水成果。
表3 設(shè)計(jì)洪水成果表
在此部分中需要匯總泄流變化趨勢(shì)以及庫(kù)容量與水位指標(biāo)的關(guān)聯(lián)圖、洪水設(shè)計(jì)值等相關(guān)資料。
1)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線:
因本次推理公式法推求的設(shè)計(jì)及校核洪峰流量較2015年初設(shè)成果偏小。故設(shè)計(jì)洪水采用本次復(fù)核的洪水成果復(fù)核,然后與2015年初設(shè)成果進(jìn)行比較選定校核及設(shè)計(jì)洪水位。
2)水位庫(kù)容曲線復(fù)核:
本次對(duì)楊灣水庫(kù)的水位庫(kù)容關(guān)系曲線進(jìn)行了復(fù)核,并與原設(shè)計(jì)資料進(jìn)行了對(duì)比復(fù)核。經(jīng)復(fù)核發(fā)現(xiàn),與2015年除險(xiǎn)加固成果基本一致,水位庫(kù)容關(guān)系曲線詳見(jiàn)表4。
表4 水位-庫(kù)容關(guān)系表
3)泄流曲線復(fù)核:
楊灣水庫(kù)現(xiàn)有的泄水設(shè)施有溢洪道及輸水涵管。本次復(fù)核的調(diào)洪計(jì)算中,僅考慮溢洪道泄洪。此次調(diào)洪演算起調(diào)水位為正常蓄水位88.9 m。
明渠水流適用條件為:δ/H>10,寬頂堰適用條件為2.5<δ/H<10
其中:δ為堰長(zhǎng),m;H為堰上水深,m。
由上可知,楊灣水庫(kù)溢洪道按寬頂堰水流計(jì)算,堰上水頭及下泄流量關(guān)系表可按SL253-2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》公式(A.2.3)計(jì)算溢流堰的泄流曲線:
(5)
式中:Q為流量,m3/s;B為溢流堰總凈寬,B=10m;m為流量系數(shù),取m=0.32;H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭,H0=H+v2/2g;g為重力加速度,g=9.81m/s2;ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)。
根據(jù)上式,可求得堰上水位與溢洪道泄量關(guān)系,然后加上堰頂高程即是相應(yīng)的庫(kù)水位,最后得到庫(kù)水位與溢洪道泄流量關(guān)系。結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 楊灣水庫(kù)庫(kù)水位-溢洪道泄流量關(guān)系表
本次復(fù)核的調(diào)洪計(jì)算中,僅考慮溢洪道泄洪。楊灣水庫(kù)溢流壩位于大壩中間偏向左岸,采用溢流壩型式,分三孔溢流,堰面曲線為克奧Ⅰ型,溢流總凈寬18.8m,控制段采用曲線型實(shí)用堰,堰頂高程為88.90m。楊灣水庫(kù)洪水調(diào)度規(guī)則為:
1)當(dāng)庫(kù)水位低于正常蓄水位88.9m時(shí),水庫(kù)繼續(xù)蓄水。
2)當(dāng)庫(kù)水位上升超過(guò)正常蓄水位88.9m后,溢洪道按泄流能力自由泄洪。若入庫(kù)流量大于溢洪道泄流能力,庫(kù)水位繼續(xù)上漲;若入庫(kù)流量低于溢洪道泄流能力,庫(kù)水位逐漸回落。
3)當(dāng)庫(kù)水位回落至正常蓄水位88.9m,溢洪道停止泄洪。
于此階段計(jì)算調(diào)洪時(shí)需要參照下述公式求值:
(6)
式中:對(duì)應(yīng)的△t為計(jì)算時(shí)段;q1、q2與Q1、Q2以及V1、V2數(shù)值分別代表的是計(jì)算時(shí)段內(nèi)的初末下泄流量、入庫(kù)流量、庫(kù)容量。而庫(kù)存與下泄水流量關(guān)系如下:
q=f(H)=f(V)
(7)
通過(guò)試算法,聯(lián)解上兩式可求得水庫(kù)最高洪水位。
在復(fù)核中通過(guò)各項(xiàng)資料的整理,可以按照洪水頻率變化情況進(jìn)行推演試算,也要參照調(diào)度規(guī)則等有用信息,其中獲取的最終結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 楊灣水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果表
《楊灣初設(shè)》中,校核洪水位為92.06m,設(shè)計(jì)洪水位為91.37m,本次復(fù)核的洪水過(guò)程線計(jì)算的特征水位小于原初設(shè)成果。依據(jù)SL258-2017《水庫(kù)大壩評(píng)價(jià)導(dǎo)則》及《江西省大中型水庫(kù)大壩定期安全鑒定實(shí)施辦法》,特征水位采用原初設(shè)成果就,即校核洪水位92.06m,相應(yīng)庫(kù)容198.9m3;設(shè)計(jì)洪水位91.37m,相應(yīng)庫(kù)容187.9m3[3]。
表6 楊灣水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果對(duì)比表 m
按SL258-2017《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[6]要求,需進(jìn)行大壩抗洪能力復(fù)核。根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[8](SL25-2006)中的規(guī)定分別計(jì)算88.9m起調(diào)水位下需要的壩頂超高,壩頂超高按下式計(jì)算:在風(fēng)速指標(biāo)確定上,可以將其控制在150%年風(fēng)速極限均值。而在非常運(yùn)用條件下,可以假設(shè)其數(shù)值為吹程1000m,在計(jì)算壩頂超高(y)時(shí),需要以下列公式進(jìn)行求值:y=R+e+A,對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)含義為R、e、A為最大波浪在壩坡上的爬高、風(fēng)壅水面極限高度與安全加高,計(jì)算后得出對(duì)應(yīng)結(jié)果,可對(duì)其進(jìn)行客觀復(fù)核。選值時(shí),其基礎(chǔ)單位均為“m”
1)平均波高及平均波長(zhǎng):
根據(jù)規(guī)范SL274-2001,波浪波高h(yuǎn)0.5%楊灣均波長(zhǎng)Lm采用采用莆田實(shí)驗(yàn)站公式:
(8)
2)風(fēng)壅水面高度:
(9)
式中:K為綜合摩阻系數(shù),K=3.6×10-6;D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度,1000m;β為風(fēng)向與水域中線的夾角,β=0°。
3)平均波浪爬高:
(10)
式中:m為斜坡的坡度系數(shù);取m=1.31K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù),根據(jù)表A.1.12-1查得K△=0.8;KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),按表A.1.12-2查得。hm為平均波高,m;Lm為波長(zhǎng),m;
對(duì)于4級(jí)漿砌石壩,設(shè)計(jì)波浪爬高取累積頻率為0.5%的爬高值R0.5%,即R=R0.5%=1.84Rm。
大壩頂超高計(jì)算結(jié)果和壩頂高程計(jì)算值見(jiàn)表7。
表7 大壩頂高程復(fù)核計(jì)算表
由表7可以看出,楊灣水庫(kù)大壩的壩頂高程均能滿足在校核工況下(P=0.5%)及設(shè)計(jì)工況下(P=3.33%)洪水安全運(yùn)行要求,且楊灣水庫(kù)壩頂設(shè)有1.0m高的防浪墻,在以上兩種工況下不會(huì)漫壩,均滿足規(guī)范要求。
楊灣水庫(kù)溢流壩位于大壩中間偏向左岸,采用溢流壩型式,分三孔溢流,堰面曲線為克奧Ⅰ型,溢流總凈寬18.8m,控制段采用曲線型實(shí)用堰,堰頂高程為88.90m,采用差動(dòng)式挑流消能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查,溢流壩段結(jié)構(gòu)基本完好。
1)經(jīng)復(fù)核,溢洪道能夠安全下泄最大流量。
2)溢流壩位于大壩中間偏向左岸,泄水時(shí)對(duì)大壩無(wú)不良影響。
3)下泄洪水時(shí)對(duì)下游河道無(wú)影響。
1)楊灣水庫(kù)在的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值符合實(shí)際防洪要求以及相關(guān)規(guī)范規(guī)定。
2)經(jīng)復(fù)核,本次計(jì)算的特征水位小于原初設(shè)成果,按SL258-2017《水庫(kù)大壩評(píng)價(jià)導(dǎo)則》要求,選用原特征水位值。
3)在泄洪復(fù)核上也得出達(dá)標(biāo)結(jié)果。
4)楊灣水庫(kù)在調(diào)度作業(yè)上依然存在匹配性,可以提升水庫(kù)運(yùn)行安全性。
5)楊灣水庫(kù)在復(fù)核后,確定各項(xiàng)參數(shù)均符合實(shí)際設(shè)計(jì)規(guī)定,且按照對(duì)安全等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的分析,認(rèn)定楊灣水庫(kù)大壩防洪安全性為A級(jí)。