水庫除險加固設(shè)計中洪水推求分析及運用

席 鵬，黃陽杰，包宵波

（浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310000）

1 前言

現(xiàn)有部分水庫建設(shè)年代已久,由于早期基礎(chǔ)條件匱乏,部分工程無配套的相關(guān)監(jiān)測設(shè)施、設(shè)備及水文監(jiān)測設(shè)施,因此部分工程缺少相關(guān)雨量雨情等實測水文資料。隨著國民經(jīng)濟發(fā)展、時代進步,加之工程年久失修,部分水庫已無法滿足現(xiàn)有運行觀測需求且存在諸多安全隱患,已不能安全運行,工程不僅不能發(fā)揮很好的效益,而且對其下游人民的生命和財產(chǎn)安全威脅很大,因此需要對水庫進行除險加固以滿足相關(guān)需求。在除險加固設(shè)計中,如若缺乏相關(guān)水庫水文資料,是無法確定相應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下的洪水位及壩頂高程。因此本文以程家垅水庫為例,針對流域內(nèi)無水文測站、缺少入庫實測洪峰流量、暴雨資料等的情況下,如何推求設(shè)計暴雨、設(shè)計洪水,并對計算結(jié)果進行合理性分析。

2 工程概況

2.1 流域概況

程家垅水庫位于江西省南昌市安義縣喬樂鄉(xiāng)馬溪村,距安義縣城約25 km。壩址控制流域面積0.25 km2,主河長0.73 km,河床平均坡降51.167‰,水庫總庫容13.55萬m3,灌溉面積230畝,是一座以灌溉為主的?。?）型水庫。

2.2 氣象特征

流域內(nèi)氣候溫和、雨量豐沛、四季分明,為冬冷、春寒、秋干氣候。據(jù)安義縣氣象站統(tǒng)計：歷年平均氣溫17.1℃,歷年極端最高氣溫40.3℃,極端最低氣溫-15.2℃,多年平均相對濕度80%,最小相對濕度為4%,多年平均風(fēng)速2.6 m/s,最大風(fēng)速19.7 m/s,年最大風(fēng)速多年平均值為13.2 m/s,多年平均日照小時數(shù)1853 h,多年平均無霜期257 d。

2.3 水文資料

距離壩址25 km處有安義縣氣象站,距離31 km處有潦河控制水文站萬家埠站,前者具1959 年至今的歷年最大1日及最大24小時雨量,1998年至今的3小時及6小時時段降雨量,而后者具1955年至今的1小時、3小時、6小時及24小時完整的時段雨量。兩站歷年最大24小時時段雨量相差較小,控制在±10%以內(nèi),資料精度可靠,可用作實測雨量資料作為本次設(shè)計依據(jù)。

3 設(shè)計暴雨

3.1 暴雨洪水特性

水庫汛期開始較早,一般從3月～4月即有暴雨出現(xiàn),5月～7月大雨連綿不斷,尤其是6月份暴雨出現(xiàn)機會較多。以萬家埠站1955年～2003年共49年資料統(tǒng)計,歷年實測最大24小時暴雨出現(xiàn)在6月份有19次,占39%；7月份出現(xiàn)有7次占14%；5月份出現(xiàn)11次占22%。暴雨最早發(fā)生時間為1959年4月22日,最遲出現(xiàn)為1983年10月5日。歷年最大24小時暴雨最大值為294.3 mm（1955年6月21日）。本流域洪水由暴雨形成,發(fā)生時間與暴雨相應(yīng),年最大洪水出現(xiàn)在5月～7月,以6月份居多。程家垅水庫集雨面積較小,主河道較短,匯流迅速,洪水陡漲陡落,一次洪水歷時18 h～24 h。

3.2 設(shè)計暴雨復(fù)核

由于本流域無實測水文資料,因此,將采用暴雨途徑推求壩址設(shè)計洪水。水庫流域設(shè)計暴雨分別采用當(dāng)?shù)貙崪y暴雨系列推求和地區(qū)綜合法推求[1],經(jīng)比較分析后最終確定采用成果用于推求壩址設(shè)計洪水。

3.2.1 由實測資料推求設(shè)計暴雨

本次采用安義縣氣象站,萬家埠水文站的雨量觀測資料用于分析當(dāng)?shù)貙崪y暴雨參數(shù)。根據(jù)各個雨量觀測站的實測暴雨量,按年最大值選樣法分別選取最大1 h、6 h、24 h時段降水量,分別組成暴雨系列進行頻率計算,按P-Ⅲ型曲線進行適線,確定各站實測暴雨均值、各設(shè)計頻率設(shè)計暴雨量和CV值,其計算結(jié)果見表1。

表1 流域各時段設(shè)計暴雨參數(shù)表

3.2.2 由《江西省暴雨洪水查算手冊》推求設(shè)計暴雨

根據(jù)《江西省暴雨洪水查算手冊》（以下簡稱手冊）中的H1、H6、H24的平均值及相應(yīng)的CV等值線圖,取CS=3.5 CV,求得流域中心的設(shè)計點暴雨見表1。

3.2.3 設(shè)計暴雨成果分析

本次兩種方法推求的各時段頻率設(shè)計暴雨成果見圖1及表1、表2。從表中可以看出：安義縣氣象站及萬家埠站各時段暴雨統(tǒng)計參數(shù)基本小于《手冊》查算的成果,考慮《手冊》成果綜合反映了本流域內(nèi)外的地形和暴雨特性等因素,其各時段暴雨統(tǒng)計參數(shù)相對較合理,從水庫防洪保安角度出發(fā),本次設(shè)計取用《手冊》法[2]推求的設(shè)計暴雨法作為推求設(shè)計洪水的依據(jù)。程家垅水庫各時段設(shè)計暴雨成果見表2。

表2 查手冊法各頻率設(shè)計暴雨成果表 單位：mm

圖1 萬家埠水文站24小時暴雨頻率曲線圖

4 設(shè)計洪水

4.1 流域參數(shù)復(fù)核

本次采用萬分之一地形圖對水庫壩址以上集水面積[3],主河長及平均比降進行復(fù)核。復(fù)核成果見表3。

表3 程家垅水庫流域特征參數(shù)復(fù)核成果表

4.2 歷史洪水

水庫流域?qū)俚蜕角鹆甑孛?總體地勢較平緩,但當(dāng)?shù)厝罕妼Υ蠛樗疀]有印象,當(dāng)?shù)匚墨I也無歷史洪水記載,從水庫運行以來,以1975年、1998年洪水較大,但也屬常規(guī)洪水。

4.3 由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水

程家垅水庫無實測流量資料[4],設(shè)計洪水根據(jù)《手冊》使用說明,對于集雨面積小于50 km2大于30 km2的流域,推薦采用推理公式法及瞬時單位線法計算設(shè)計洪水,而小于30 km2推薦采用推理公式法計算設(shè)計洪水,所以本次設(shè)計只采用推理公式法推求設(shè)計洪水。

由產(chǎn)流分區(qū)圖可知,該工程在第Ⅷ區(qū),流域最大蓄水量IM=110 mm,前期土壤含水量Pa=80 mm。根據(jù)《手冊》推薦的以1 h為時段的暴雨雨型進行暴雨時程分配。程家垅水庫在推理公式分區(qū)圖中屬Ⅷ區(qū),地面徑流過程按推理公式法推求[5]：

即：Qτ=（0.278θ/mτ）

匯流參數(shù)：m=0.121θ0.434=0.345

洪水總量：W=0.1 h·F

洪水線歷時：T=9.67W/Qm

式中：h為地面凈雨,據(jù)手冊查算；τ為匯流時間,s；F為流域面積,m2；Q流量m3/s；L為主河長,m；J為河道平均坡降；m為匯流參數(shù)。

地下洪峰流量按QM地下=RF·F /3.6 T,地下徑流過程采用以QM地下為頂點的等腰三角形,底寬為二倍的地面徑流過程時間,RF為地下徑流深；T為地面徑流過程底寬,設(shè)計洪水過程線為五點概化。推理公式法推求程家垅水庫設(shè)計洪水成果見表4及圖2。

表4 程家垅水庫推理公式法計算洪水成果表

圖2 水庫洪水過程線

5 成果分析

為檢驗本次設(shè)計洪水成果的合理性,將水庫設(shè)計洪水成果與相近流域集雨面積在50 km2以下的已建水庫設(shè)計洪水成果進行比較分析[6],可以看出本工程洪峰模數(shù)在合理范圍內(nèi),本次設(shè)計洪水成果合理可行,具體比較成果見表5。

表5 洪峰模數(shù)比較成果表

6 結(jié)論

在除險加固設(shè)計中,缺乏相關(guān)水庫水文資料,無法確定相應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下的洪水位及壩頂高程。本文以程家垅水庫為例,針對流域內(nèi)無水文測站、缺少入庫實測洪峰流量、暴雨資料等的情況下推求設(shè)計暴雨、設(shè)計洪水及結(jié)果進行合理性分析。結(jié)果表明對于集雨面積小于30 km2、流域內(nèi)無實測水文資料的水庫工程,可先采用《手冊》法查算成果,推求出設(shè)計暴雨,再以此為依據(jù),采用推理公式法推求設(shè)計洪水。經(jīng)過成果分析,設(shè)計洪水成果合理,該方法可行,可進行應(yīng)用推廣。研究結(jié)果可為類似工程建設(shè)及運用提供參考。