某水庫(kù)防洪能力復(fù)核

劉小飛，信校陽(yáng)，孫瑛潔，劉長(zhǎng)垠

（1.平頂山市昭平臺(tái)水庫(kù)管理局，河南 平頂山，467300；2.開(kāi)封市水務(wù)開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，河南 開(kāi)封 475000；3.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008）

1 引言

以昭平臺(tái)水庫(kù)為研究對(duì)象，分析研究了不同因素對(duì)防洪能力復(fù)核結(jié)果的影響，為其他水庫(kù)防洪能力復(fù)核提供參考。

2 水庫(kù)防洪能力復(fù)核

2.1 水庫(kù)概況

昭平臺(tái)水庫(kù)始建于建國(guó)初期，后歷經(jīng)1969、1979、1985、2005年多次續(xù)建或加固，為沙河上游首座大（2）型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐工程主要由主壩、副壩、正常溢洪道、非常溢洪道、輸水洞及水電站等組成。主副壩頂高程均為181.80 m、防浪墻頂高程均為183 m、最大壩高均為35.50 m；主壩為黏土斜墻砂殼壩，壩頂長(zhǎng)2 315 m；副壩為礫質(zhì)土均質(zhì)壩，壩頂長(zhǎng)923 m。

2.2 水庫(kù)防洪能力復(fù)核

2.2.1 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核

昭平臺(tái)水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)洪水位為100年一遇，校核洪水位為5 000年一遇。根據(jù)水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)和防洪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，確定該水庫(kù)樞紐工程和主要建筑物均屬為2級(jí)。

由于1978-2016 年普遍偏枯，其中包含一些特枯年份，導(dǎo)致設(shè)計(jì)洪水成果大幅降低。設(shè)計(jì)洪水復(fù)核選取27年系列長(zhǎng)度（1951-1977 年）實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)，選取年最大值法作為洪峰、時(shí)段洪量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)學(xué)方法，洪量的確定方法也選取年最大值法，但其根據(jù)水庫(kù)控制流域內(nèi)的洪水特點(diǎn)和規(guī)劃及調(diào)洪演算步驟等選定在24 h、3 d、7 d的獨(dú)立固定時(shí)段。

1979 年頻率計(jì)算實(shí)測(cè)資料系列有27 年，調(diào)查歷史洪水有8 年，調(diào)查最遠(yuǎn)年份為1884 年，包括歷史洪水在內(nèi)，系列長(zhǎng)度為93 年。水庫(kù)壩址附近以1956、1957 年洪水為最大，其余大洪水年分別為1884、1898、1943 年。上述大洪水年既有發(fā)生在調(diào)查系列中，也有發(fā)生在實(shí)測(cè)資料系列中的，并且數(shù)量上差別不大，因此長(zhǎng)短系列資料的代表性較近似。由于調(diào)查歷史洪水系列不連續(xù)，主要精確掌握特大洪水，對(duì)次大、較大同量級(jí)的洪水存在遺漏，因此適線時(shí)經(jīng)驗(yàn)頻率采用短系列連續(xù)點(diǎn)據(jù)，并考慮到參數(shù)的地區(qū)平衡進(jìn)行選線，計(jì)算成果詳見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果表（1951-1977年）

設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線選用各個(gè)時(shí)間段的洪量進(jìn)行同頻率相包，并選擇洪量巨大且集中，洪峰偏后的年份作為典型年，即選用1955年8月15-22日的洪水過(guò)程進(jìn)行典型年放大算，結(jié)果詳見(jiàn)圖1。

2.2.2 洪水調(diào)節(jié)演算

2.2.2.1 調(diào)洪運(yùn)用方式

2005 年除險(xiǎn)加固竣工驗(yàn)收采用的調(diào)度運(yùn)用方式：當(dāng)庫(kù)水位為167～169 m時(shí)，入庫(kù)流量小于100 m3/s，控泄40 m3/s，入庫(kù)流量大于100 m3/s，控泄300 m3/s；當(dāng)庫(kù)水位為169.00～174.44 m時(shí)，控泄300 m3/s；當(dāng)庫(kù)水位為174.44～180.40 m 時(shí)，正常溢洪道泄洪全開(kāi)；當(dāng)庫(kù)水位大于180.40 m時(shí)，非常溢洪道全開(kāi)。

目前主汛期采用的調(diào)度運(yùn)用方式：當(dāng)庫(kù)水位為167～169 m時(shí)，控泄40 m3/s；當(dāng)庫(kù)水位為169.00～174.44 m時(shí)，控泄500 m3/s；當(dāng)庫(kù)水位為174.44～180.40 m 時(shí)，正常溢洪道泄洪全開(kāi)；當(dāng)庫(kù)水位大于180.40 m時(shí)，非常溢洪道全開(kāi)。

2.2.2.2 調(diào)洪演算結(jié)果

根據(jù)水庫(kù)泄流建筑物條件、防洪調(diào)度原則和要求、水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式、設(shè)計(jì)洪水成果等，采用靜庫(kù)容法進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。利用試算法聯(lián)立求解水庫(kù)的水量平衡方程和蓄泄方程。調(diào)洪復(fù)核正常溢洪道、輸水洞泄流仍采用設(shè)計(jì)泄量，非常溢洪道采用模型試驗(yàn)泄量。調(diào)洪演算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 水庫(kù)調(diào)洪演算成果對(duì)照表

研究分析可知，2005 年除險(xiǎn)加固竣工驗(yàn)收以及2016 年復(fù)核計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，2016 年復(fù)核的各特征洪水位和庫(kù)容均小于2005年除險(xiǎn)加固竣工驗(yàn)收時(shí)的復(fù)核計(jì)算結(jié)果，100年一遇設(shè)計(jì)洪水位和相應(yīng)庫(kù)容分別減小0.39%、5.29%，5 000年一遇校核洪水位和相應(yīng)庫(kù)容分別減小0.06%、0.74%，100 年一遇的調(diào)洪計(jì)算成果降幅大于5 000 年一遇的調(diào)洪計(jì)算成果。通過(guò)分析調(diào)洪計(jì)算過(guò)程發(fā)現(xiàn)，主要原因在于選用的水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式不同，且當(dāng)庫(kù)水位小于174.44 m時(shí)，水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式變幅較大?？紤]汛期調(diào)度方式的改變，水庫(kù)選用特征水位177.19 m 和180.71 m 分別作為設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。

2.2.3 壩頂高程復(fù)核計(jì)算

①當(dāng)水庫(kù)多年平均最大風(fēng)速為17.50 m/s時(shí)，設(shè)計(jì)情況W=26.30 m/s，校核情況W=17.50 m/s，主副壩KΔ分別為0.90、0.75時(shí)，水庫(kù)主、副壩的計(jì)算壩頂高程詳見(jiàn)表3。②當(dāng)水庫(kù)多年平均最大風(fēng)速增大為18.70 m/s 時(shí)，增幅為6.86%，設(shè)計(jì)情況W=28.10 m/s，校核情況W=18.70 m/s，主副壩KΔ分別為0.90、0.75時(shí)，水庫(kù)主副壩的計(jì)算壩頂高程詳見(jiàn)表3。③當(dāng)主副壩KΔ均為0.75 時(shí)，水庫(kù)多年平均最大風(fēng)速為17.50 m/s 時(shí)，設(shè)計(jì)情況W=26.30 m/s，校核情況W=17.50 m/s，水庫(kù)主、副壩的計(jì)算壩頂高程詳見(jiàn)表3。

表3 水庫(kù)主副壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果表

由表3 分析可知，當(dāng)水庫(kù)多年平均最大風(fēng)速增大時(shí)，水庫(kù)的風(fēng)浪爬高和風(fēng)壅高度增大，導(dǎo)致計(jì)算壩頂高程增大，但是風(fēng)壅高度的增幅極小。經(jīng)水庫(kù)主副壩風(fēng)浪爬高計(jì)算分析，水庫(kù)主壩的風(fēng)浪爬高增幅在11.30%～14.91%，約為風(fēng)速增幅的1.60～2.20 倍，水庫(kù)副壩的風(fēng)浪爬高增幅在13.85%～17.61%，約為風(fēng)速增幅的2.00～2.60 倍。分析研究發(fā)現(xiàn)，由于主壩迎水坡糙率滲透性系數(shù)大于副壩迎水坡糙率滲透性系數(shù)，導(dǎo)致主壩風(fēng)浪爬高值大于副壩風(fēng)浪爬高值，而水庫(kù)主副壩風(fēng)浪爬高增值基本相同，致使水庫(kù)副壩的風(fēng)浪爬高增幅大于水庫(kù)主壩的風(fēng)浪爬高增幅。當(dāng)水庫(kù)迎水坡的護(hù)坡形式改變時(shí)，根據(jù)規(guī)范發(fā)現(xiàn)水庫(kù)迎水坡糙率滲透性系數(shù)KΔ隨之變化，即糙率滲透性系數(shù)KΔ降低時(shí)，水庫(kù)的風(fēng)浪爬高同比例降低，導(dǎo)致計(jì)算壩頂高程減小。而且規(guī)范附表中的護(hù)坡形式僅有6種，當(dāng)實(shí)際水庫(kù)工程中的護(hù)坡形式不在其中時(shí)，需進(jìn)行大壩護(hù)坡消能物理模型試驗(yàn)，反演水庫(kù)迎水坡糙率滲透性系數(shù)KΔ。

3 結(jié)論

①在水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，需重視水庫(kù)區(qū)域的風(fēng)速數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)整理工作，在水庫(kù)區(qū)域?qū)崪y(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)更新延續(xù)過(guò)程中，實(shí)時(shí)更新水庫(kù)多年平均最大風(fēng)速，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水庫(kù)多年平均最大風(fēng)速明顯增大時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行壩頂高程復(fù)核工作，當(dāng)存在因風(fēng)速增大導(dǎo)致波浪越壩的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，制定相應(yīng)的應(yīng)急處理方案和除險(xiǎn)加固方案，保障水庫(kù)防洪安全。②水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程時(shí)，如涉及改變水庫(kù)迎水坡的護(hù)坡形式，可能引起水庫(kù)迎水坡糙率滲透性系數(shù)KΔ改變時(shí)，需在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行水庫(kù)防洪能力分析計(jì)算，在竣工驗(yàn)收階段進(jìn)行水庫(kù)防洪能力復(fù)核計(jì)算。③水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位是水庫(kù)壩頂計(jì)算高程的主要組成部分，水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式是水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位的主要影響因素之一，因此改變水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式時(shí)，需進(jìn)行水庫(kù)防洪能力復(fù)核工作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水庫(kù)大壩壩頂高程不滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí)，調(diào)整水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式，降低汛限水位和增加下泄流量是有效的應(yīng)急處理措施。④文章主要針對(duì)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式、水庫(kù)風(fēng)速和水庫(kù)大壩迎水坡護(hù)坡形式對(duì)水庫(kù)防洪能力復(fù)核結(jié)果的影響，針對(duì)上述因素提出了水庫(kù)防洪能力復(fù)核工作適時(shí)啟動(dòng)條件，同時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)定，當(dāng)水庫(kù)大壩運(yùn)行間隔6-10 a、擴(kuò)建、改建、遭遇特大洪水、強(qiáng)烈地震、工程發(fā)生重大事故或出現(xiàn)影響安全的異常現(xiàn)象后，也應(yīng)進(jìn)行水庫(kù)防洪能力復(fù)核工作。