關(guān)于廣東省小(1)型水庫除險(xiǎn)加固及信息化建設(shè)工程設(shè)計(jì)探討

劉嘉藝

廣州市白云區(qū)南湖水庫管理所 廣東 廣州 510405

為全面貫徹落實(shí)黨的十九大精神，以習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，積極踐行“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針，緊緊圍繞“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調(diào)，根據(jù)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)水庫除險(xiǎn)加固和運(yùn)行管護(hù)工作的通知》（國辦發(fā)〔2021〕8號(hào)）《水利部關(guān)于開展小型水庫除險(xiǎn)加固攻堅(jiān)行動(dòng)的通知》（水建設(shè)〔2020〕90號(hào)）《廣東省水利廳關(guān)于開展小型水庫安全運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化工作的通知》（粵水運(yùn)管〔2019〕10號(hào)）的工作要求，加快推進(jìn)小型水庫除險(xiǎn)加固，及時(shí)消除安全隱患，強(qiáng)化小型水庫安全管理，進(jìn)一步提升小型水庫運(yùn)行管理水平，守住小型水庫安全底線[1]。

1 水庫現(xiàn)狀及主要問題

沙田水庫位于廣州市白云區(qū)鐘落潭鎮(zhèn)沙田村，帽峰山東北距離廣州市區(qū)約30km，該水庫是攔截流溪河水系鳳尾坑而成，是一座以灌溉為主，兼顧防洪等綜合利用功能的?。?）型水庫。根據(jù)原設(shè)計(jì)登記資料，沙田水庫集雨面積5.8km2，死水位66.34m（珠江基面高程系統(tǒng)，下同），相應(yīng)庫容19.57萬m3，正常水位79.84m，按5 0年一遇設(shè)計(jì)水位8 0.1 4 m，5 0 0年一遇校核水位80.48m，總庫容512.00萬m3，屬?。?）型水庫，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)。最近一次除險(xiǎn)加固為1998年，距今超過20年。

根據(jù)《廣州市白云區(qū)沙田水庫大壩安全評價(jià)報(bào)告》（廣州市水務(wù)科學(xué)研究院 2017年9月），沙田水庫被評定為二類壩，主要存在的問題如下：

（一）東、西壩防浪墻及防護(hù)墻局部均有裂縫；迎水坡混凝土護(hù)面表面平整，局部有裂縫；排水設(shè)施正常，馬道局部排水溝表面有剝落情況。

（二）大壩未設(shè)置位移、變形等觀測設(shè)施，安全監(jiān)測設(shè)備不完善，已有滲流觀測設(shè)施已廢，無法正常使用。

（三）輸水涵舊涵洞段大部分管身內(nèi)部沖蝕嚴(yán)重，局部出現(xiàn)混凝土剝落，并有局部存在較為嚴(yán)重的開裂滲水情況。輸水涵閘門存在較為嚴(yán)重的銹蝕情況；止水及密封老化；啟閉設(shè)備為人力螺桿啟閉機(jī)，拉桿表面存在銹蝕；閘門、啟閉設(shè)備已超過金屬結(jié)構(gòu)20年的折舊年限，且效率低。

（四）溢洪道邊墻、底板局部有裂縫；控制閘門止水存在老化；控制設(shè)施啟閉機(jī)及電機(jī)設(shè)備老化。啟閉機(jī)啟閉速度較慢，噪聲較大，電動(dòng)機(jī)、啟閉機(jī)設(shè)備超折舊年限，耗能高，效率低[2]。

2 水庫建設(shè)的目標(biāo)與任務(wù)

在防洪排澇方面，根據(jù)《廣州市白云區(qū)防洪排澇規(guī)劃》，沙田水庫屬于鳳尾坑分區(qū)，為小（1）型水庫。鳳尾坑分區(qū)位于廣州市白云區(qū)東北部鐘落潭鎮(zhèn)，分區(qū)集雨面積75.80km2（含沙田水庫5.80km2及湴湖圍3.85km2），該流域地面標(biāo)高為17.1～31.3m，河口不設(shè)防洪水閘。沙田水庫作為鳳尾坑起點(diǎn)，其保護(hù)對象包括：白云區(qū)鐘落潭鎮(zhèn)及黃埔區(qū)九佛街道，人口約1.2萬人，耕地0.65萬畝，以及京珠高速、廣從路等重要交通干線。[3]在灌溉方面，沙田水庫由于城市化進(jìn)程的加快，灌溉面積有所減少，目前灌溉面積約為1200畝。在運(yùn)行管理方面，應(yīng)滿足《廣東省小型水庫安全運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化工作指引（試行）》的相關(guān)要求及水庫管理單位的相關(guān)需求，完善水庫在運(yùn)行管理方面所需相關(guān)信息化配套。

因此，工程建設(shè)的主要目標(biāo)是：一是強(qiáng)化水庫攔蓄洪水能力，消減進(jìn)入下游河道的洪峰流量，減免洪水災(zāi)害，保護(hù)下游人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)安全。二是保障下游約1200畝農(nóng)田的灌溉需求。三是按照小型水庫安全運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)要求及管理單位實(shí)際需求，提升水庫管理區(qū)域在運(yùn)行管理方面的信息化配套。

主要任務(wù)是：對水庫東、西大壩加固，灌溉及防洪建筑物升級(jí)改造，安全監(jiān)測及運(yùn)行管理信息化建設(shè)。

3 洪水演算

因沙田水庫所在鳳尾坑流域缺乏實(shí)測的洪水資料，設(shè)計(jì)洪水采用設(shè)計(jì)暴雨推求。

3.1 設(shè)計(jì)暴雨

由于本工程缺乏實(shí)測的洪水資料，因此采用最新頒布的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》（2003年版）查取暴雨參數(shù)來推求設(shè)計(jì)洪水[4]。

表1 沙田水庫設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)表

3.2 流域參數(shù)

集雨面積和河長量算均采用2003年的1：2000的實(shí)測地形圖量計(jì)。河床坡降J自河口在地形圖上分別量讀各比降變化特征點(diǎn)的等高線高程及相應(yīng)河長，采用加權(quán)平均法計(jì)算坡降J及集水區(qū)匯流特征參數(shù)θ：

式中：

Z0、Z1、Z2……Zn——河口至上游河道的等高線高程（m）；

L1、L2、L3……LN——河口至上游河道的相應(yīng)河長(km)；

L——總河長（km）；

水庫壩址處流域參數(shù)的推求成果見下表：

表2 沙田水庫流域參數(shù)表

3.3 設(shè)計(jì)洪水

本設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)用廣東省綜合單位線方法和推理公式法（1988年修訂）兩種方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

A. 廣東省綜合單位線法

此方法是通過對納西瞬時(shí)單位線方法的深入研究分析，汲取國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合廣東省實(shí)際，提出的一套適合廣東省特點(diǎn)的綜合單位線方法。方法的各項(xiàng)參數(shù)與各流域特性有關(guān)，在“圖表”中查得并用計(jì)算機(jī)計(jì)算。

B. 推理公式法

其公式為：

式中：

Qp—設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；θ—匯流特征參數(shù)；F—集雨面積（km2）；

Sp—相應(yīng)頻率P的設(shè)計(jì)暴雨雨力；np—相應(yīng)頻率p的暴雨遞減指數(shù)；

τ—匯流歷時(shí)（小時(shí)）；f—平均后損率（mm/h）；m—匯流參數(shù)。

表3 推理公式法和單位線法設(shè)計(jì)洪峰計(jì)算成果比較

從上表可知，采用綜合單位線法和推理公式法計(jì)算所得的沙田水庫洪水總量比較接近，洪峰流量計(jì)算結(jié)果相差均不超過20%，符合要求。根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》，當(dāng)兩種方法算得的洪峰流量值相差不超過20%時(shí)，應(yīng)選用廣東省綜合單位線方法的計(jì)算成果。

4 水庫調(diào)洪演算

4.1 水位庫容曲線

本次重新復(fù)核了水庫水位～庫容關(guān)系，水庫水位～庫容關(guān)系見表4。考慮水庫運(yùn)行已有60余年，庫容存在較大變化，本次庫容曲線采用新復(fù)核測繪成果。

表4 沙田水庫水位～庫容統(tǒng)計(jì)表

4.2 泄流曲線

本工程改建后溢洪道水閘為3孔，單孔凈寬為5.0m，為開敞式正槽河岸控制閘溢洪道，平地板寬頂堰形式，堰頂高程77.04m。

閘門全開時(shí)，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2018），寬頂堰自由溢流計(jì)算公式如下。

m——流量系數(shù)；

b ——閘孔凈寬，m；

H——不計(jì)入流速水頭的堰上總水頭，m。

本次對溢洪道泄流能力進(jìn)行計(jì)算，水位～泄流能力關(guān)系見表5[5]。

表5 沙田水庫水位～庫容統(tǒng)計(jì)表

4.3 調(diào)洪演算成果

根據(jù)三、洪水演算成果、水位庫容曲線及水位泄流曲線，得到各頻率下水庫調(diào)洪演算成果，見表6。

表6 各頻率設(shè)計(jì)

5 信息化方案

5.1 大壩變形監(jiān)測

斷面選擇和測點(diǎn)布置

1、觀測橫斷面通常選在最大壩高或原河床處、合龍段、地形突變處、地質(zhì)條件復(fù)雜處，壩內(nèi)埋管及運(yùn)行有異常反應(yīng)處。

2、壩長100至200m設(shè)置3個(gè)監(jiān)測斷面（6個(gè)GNSS變形監(jiān)測和12個(gè)滲流監(jiān)測點(diǎn)）[6]。

5.2 滲流監(jiān)測

1、斷面選擇和測點(diǎn)布置

壩長100至200m設(shè)置3個(gè)監(jiān)測斷面（12個(gè)滲流監(jiān)測點(diǎn)）。

2、監(jiān)測設(shè)備選擇

（1）作用水頭小于20m的壩、滲透系數(shù)大于或等于10-4cm/s的土中、滲壓力變幅小的部位、用于監(jiān)視防滲體裂縫等，宜采用測壓管；

（2）本次測壓管水位采用振弦式孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行自動(dòng)測量[6]。

5.3 環(huán)境量監(jiān)測

選點(diǎn)原則

1、庫前水位、降雨量監(jiān)測：目前沙田水庫已建設(shè)庫前水位、降雨量監(jiān)測點(diǎn)，本次不予考慮。

2、下游水位監(jiān)測：通過流量監(jiān)測設(shè)備獲取下游水位。

3、庫水溫監(jiān)測： 通過水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測探頭，獲取庫水溫。

4、氣溫監(jiān)測：大壩壩頂建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)氣象百葉箱，獲取庫區(qū)氣溫?cái)?shù)據(jù)。沙田水庫已建設(shè)氣溫監(jiān)測，磨刀坑水庫建設(shè)一套溫度監(jiān)測設(shè)備。

5、流量監(jiān)測：在輸水涵/溢洪道出水口附近安裝一套流量監(jiān)測設(shè)備。在溢洪道和輸水涵出水口附近各布設(shè)一套流量監(jiān)測設(shè)備[6]。

5.4 水質(zhì)監(jiān)測

建設(shè)點(diǎn)位：建設(shè)2個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)（入水口和出水口），其中下游出水口水質(zhì)監(jiān)測宜在輸水涵出水口附近布設(shè)1個(gè)常規(guī)五要素水質(zhì)監(jiān)測。

5.5 閘門控制系統(tǒng)

在安裝有電動(dòng)啟閉機(jī)的啟閉室安裝閘門控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水庫管理房可遠(yuǎn)程操作啟閉室啟閉機(jī)運(yùn)行。沙田水庫安裝2套閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（輸水涵閘和水渠的水閘）。

5.6 視頻控制及廣播

1、視頻點(diǎn)位選取原則：

（1）大壩背水坡。監(jiān)控背水坡整體環(huán)境，包括草是否過長未處理、非法人員闖入、違規(guī)作業(yè)。

（2）大壩壩頂：監(jiān)控大壩壩頂監(jiān)控。

（3）輸水涵/溢洪道監(jiān)控：輸水涵及溢洪道進(jìn)水、出水口各一個(gè)點(diǎn)位，水渠通道間隔50m一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位，水渠附近林木遮擋較多時(shí)候，適當(dāng)增加點(diǎn)位數(shù)量。

（4）水庫水面情況：分布在水庫兩側(cè)。查看水面情況，岸邊是否有人員滯留、游泳、釣魚等闖入現(xiàn)象。

（5）水工建筑：監(jiān)測溢洪道起閉室、輸水涵起閉室大門及室內(nèi)，主干路。

5.7 識(shí)別場景

識(shí)別場景如下：人員越界、水面漂浮物、藍(lán)藻、釣魚、非法游泳、黑臭水體、水庫水位、傾倒廢渣、偷排口事件、車牌識(shí)別。

廣播點(diǎn)位選擇：在視頻點(diǎn)位安裝IP廣播，及時(shí)進(jìn)行喊話驅(qū)趕。

6 水庫除險(xiǎn)加固及信息化建設(shè)

根據(jù)《廣州市白云區(qū)沙田水庫大壩安全評價(jià)報(bào)告》（廣州市水務(wù)科學(xué)研究院 2017年9月）所列問題，為達(dá)到沙田水庫在防洪、灌溉、管理上的目標(biāo)和任務(wù)，確定本次建設(shè)的主要內(nèi)容：

（一）大壩充填灌漿加固；改建大壩上游面護(hù)坡；修復(fù)現(xiàn)狀防浪墻和護(hù)墻，更新現(xiàn)狀路燈；壩頂壩頂路面、景觀升級(jí)改造；順接混凝土路面等；

（二）溢洪道：改建溢洪道水閘1座，改建后水閘為3孔，單孔凈寬為5.0m；

（三）改建輸水涵及啟閉設(shè)備，并結(jié)合改建的輸水涵對輸水涵出水渠進(jìn)行改造及新建節(jié)制閘1座；

（四）配電房翻新1座，生產(chǎn)生活用房用房翻新2座，拆除生產(chǎn)生活用房1座；

（五）新建大壩變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、閘門控制、視頻控制及廣播系統(tǒng)等。

7 結(jié)語

沙田水庫除險(xiǎn)加固及信息化建設(shè)工程完成后，將消除水庫工程隱患，有效保障水庫工程安全，提升周邊防洪排澇能力，改善灌溉環(huán)境，增加灌區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量，對保障下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)水庫水環(huán)境、水生態(tài)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定均衡發(fā)展作出具有極大的貢獻(xiàn)，將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。