興義市毛栗寨水庫洪水調(diào)洪演算分析

唐大友

（貴州省黔西南州興義市水務(wù)局七舍片區(qū)水務(wù)站,貴州 興義 562400）

1 引言

防洪是水庫工程的一個(gè)重要功能,在水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)階段對(duì)水庫調(diào)洪演算進(jìn)行分析是十分必要的[1-3]。根據(jù)水庫實(shí)際情況以及防洪需求,經(jīng)過調(diào)洪演算確定水庫規(guī)模,可為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

毛栗寨水庫為?。?）型水庫,復(fù)核后總庫容為174 萬m3,壩型為均值土壩,根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）有關(guān)規(guī)定,水庫工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4 級(jí)建筑物,次要建筑物為5 級(jí)建筑物,水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50 年一遇（P=2%）,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500 年一遇（P=0.2%）,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,設(shè)計(jì)仍按原設(shè)計(jì)的洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,即本次水庫洪水標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)P=2%,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)P=0.2%。

3 水位～下泄流量關(guān)系

毛栗寨水庫溢洪道位于大壩右岸,為右岸開敞式溢流堰,堰型為寬頂堰,溢流堰頂高程1447 m,溢流堰凈寬6.6 m（3 孔×2.2 m）,由于工程在運(yùn)行過程中（特別是1960 年～1981 年期間）,大壩曾多次出現(xiàn)管涌和塌坑險(xiǎn)情,經(jīng)過多次臨時(shí)搶險(xiǎn)處理,并根據(jù)省水利廳專家意見,從溢洪道中孔堰頂切槽降低水庫蓄水位,中孔泄槽深1.9 m,寬1 m,洪水來臨時(shí),首先通過溢洪道中孔泄槽泄水。中孔泄槽底板高程為1445.10 m,此水位為本水庫防洪限制水位, 汛期水庫蓄水位控制在1445.10 m 運(yùn)行。水庫下泄流量按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：q 為堰上出流流量,m3/s；M 為綜合堰流系數(shù)；取M=1.55；n 為堰流孔數(shù)；B 為溢流堰頂寬,m；H 為堰上水頭,m。

毛栗寨水庫溢流堰由中孔泄槽+開敞式溢流堰組成,當(dāng)洪水位（以1445.1 m 起算）在0～1.9 m 時(shí)由中孔泄槽泄流,當(dāng)水位高于1447 m 時(shí)由中孔泄槽+開敞式溢流堰共同泄流,通過計(jì)算,毛栗寨水庫水位～下泄流量關(guān)系曲線成果見圖1。

圖1 毛栗寨水庫水位～下泄流量關(guān)系曲線圖

4 水庫調(diào)洪演算

4.1 汛期限制水位

毛栗寨水庫溢洪道位于大壩右岸,為右岸開敞式溢流堰,堰型為寬頂堰,溢洪堰頂高程1447 m,溢流堰凈寬6.6 m,根據(jù)工程現(xiàn)在運(yùn)行狀況,按原省水利廳專家意見從溢洪道中孔堰頂切槽降低水庫蓄水位,中孔泄槽深1.9 m,寬1 m,將水庫汛期防洪限制水位確定為1445.10 m（中孔泄槽底板高程）。毛栗寨水庫汛期嚴(yán)格按照確定的防洪限制水位控制蓄水,即汛期嚴(yán)格將水庫蓄水位控制在1445.10 m 運(yùn)行。洪水調(diào)節(jié)計(jì)算壩址的起調(diào)水位為防洪限制水位1445.1 m,起調(diào)庫容103.98 萬m3。

4.2 下游防護(hù)對(duì)象防洪標(biāo)準(zhǔn)及防洪汛限時(shí)段

毛栗寨水庫是一座以下游農(nóng)田灌溉和城市防洪為主的小型水庫工程,設(shè)計(jì)灌溉面積2500 畝（其中水田500 畝,旱地2000 畝）,水庫防洪保護(hù)對(duì)象為木賈街道辦事處毛栗寨村、東貢村、木賈村等、黃草街道辦沿灣塘河城區(qū)一帶、下五屯街道辦事處上五屯火石坡至下五屯開發(fā)區(qū),桔山和豐都街道辦事處桔山開發(fā)區(qū)至響水一帶,總?cè)丝诩s22 萬人。根據(jù)興義市城市防洪規(guī)劃,毛栗寨水庫所屬灣塘河流域防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇（P=2%）,本次防洪高水位為50 年一遇洪水經(jīng)調(diào)洪演算后對(duì)應(yīng)水位。

根據(jù)毛栗寨水庫所屬灣塘河流域的暴雨特性,并結(jié)合興義氣象站歷年最大日降水量,5 月～9 月發(fā)生暴雨的頻率為98%以上,雖10 月也曾發(fā)生過暴雨,但量級(jí)較小,根據(jù)水庫流域暴雨洪水特性,并結(jié)合興利、防洪內(nèi)容,毛栗寨水庫汛期限制水位的時(shí)段（以下簡(jiǎn)稱汛限時(shí)段）確定為5 月～9 月,相應(yīng)的10 月～次年4 月為非汛限時(shí)段。

4.3 洪水調(diào)度原則

毛栗寨水庫具有防洪功能,下游防護(hù)對(duì)象的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,結(jié)合前述防洪汛限時(shí)段：汛限時(shí)段為5 月～9 月,非汛限時(shí)段為10 月～次年4 月,水庫泄洪設(shè)施為中孔泄槽（B×H=1×1.9 m）+溢流堰（3 孔×2.2 m）,汛限時(shí)段5 月～9 月水庫控制在汛限水位1445.1 m 以下運(yùn)行,非汛限時(shí)段為10 月～次年4 月水庫控制在正常蓄水位1447 m 運(yùn)行,汛限時(shí)段5 月～9 月,當(dāng)洪水來臨時(shí),首先通過中孔泄槽泄洪,當(dāng)水位超過中孔泄槽高度1.9m 后通過中孔泄槽+表孔溢流堰組合的方式泄洪,洪水過后,水位消落至汛限水位1445.1 m；非汛限時(shí)段為10 月～次年4 月,由于中孔泄槽閘門關(guān)閉,保證水庫興利庫容,洪水通過表孔溢流堰自由泄洪,直至洪水回落到正常蓄水位1447 m。汛限時(shí)段及非汛限時(shí)段應(yīng)注意控流,保證中孔泄槽）+溢流堰總泄量不超過入庫洪峰流量。

4.4 調(diào)洪方式

毛栗寨水庫防洪汛限時(shí)段分為汛限時(shí)段及非汛限時(shí)段,調(diào)洪方式分別按兩時(shí)段進(jìn)行調(diào)洪。汛限時(shí)段為5 月～9 月,該時(shí)段起調(diào)水位為防洪限制水位1445.1 m,起調(diào)庫容為103.98 萬m3,調(diào)洪方式采用中孔泄槽+表孔溢流堰組合；非汛限時(shí)段為10 月～次年4 月,該時(shí)段起調(diào)水位為正常蓄水位1447 m,起調(diào)庫容為145 萬m3,調(diào)洪方式采用表孔溢流堰自由泄流。

洪水調(diào)節(jié)計(jì)算公式采用水量平衡公式,水量平衡公式如下：

式中：Q1、Q2為時(shí)段始末來水流量,m3/s；q1、q2為時(shí)段始末總下泄流量,m3/s；Δt 為時(shí)段長(zhǎng),h；V1為時(shí)段初水庫庫容,萬m3；V2為時(shí)段末水庫庫容,萬m3。

4.5 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果

根據(jù)設(shè)計(jì)洪水過程線、水位庫容曲線及堰上水位～下泄流量關(guān)系成果采用水量平衡方程式進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。

（1）汛限時(shí)段為5 月～9 月：以汛限水位1445.1 m 起調(diào),起調(diào)庫容為103.98 萬m3,其調(diào)洪演算成果見表1。

表1 汛限時(shí)段5 月～9 月洪水調(diào)節(jié)成果表

由表1 可知,汛限時(shí)段為5 月～9 月,以汛限水位1445.1 m起調(diào),起調(diào)庫容為103.98萬m3,毛栗寨水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.14 m, 相應(yīng)庫容為148.2 萬m3, 下泄流量為4.67 m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1447.69 m,相應(yīng)的庫容為161.3 萬m3,下泄流量為9.90 m3/s。

（2）非汛限時(shí)段為10 月～次年4 月,以水位正常蓄水位1447 m 起調(diào),起調(diào)庫容為145 萬m3,其調(diào)洪演算成果見表2。

表2 非汛限時(shí)段10 月～次年4 月洪水調(diào)節(jié)成果表

由表2 可知,非汛限時(shí)段為10 月～次年4 月,以正常蓄水位1447 m 起調(diào),起調(diào)庫容為145 萬m3,毛栗寨水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.87 m,相應(yīng)的庫容為166 萬m3,下泄流量為8.8 m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,相應(yīng)的庫容為174 萬m3,下泄流量為13.2 m3/s。

通過汛限時(shí)段5 月～9 月、非汛限時(shí)段10 月～次年4 月調(diào)洪演算成果,汛限時(shí)段5 月～9 月：以汛限水位1445.1 m起調(diào),起調(diào)庫容為103.98萬m3,毛栗寨水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.14 m,相應(yīng)的庫容為148.2 萬m3,下泄流量為4.67 m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1447.69 m,相應(yīng)的庫容為161.3 萬m3,下泄流量為9.90 m3/s。非汛限時(shí)段10 月～次年4 月：以正常蓄水位1447m 起調(diào),起調(diào)庫容為145 萬m3,毛栗寨水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.87 m,相應(yīng)的庫容為166 萬m3,下泄流量為8.8 m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,相應(yīng)的庫容為174 萬m3,下泄流量為13.2 m3/s。根據(jù)不同時(shí)段調(diào)洪成果,結(jié)合毛栗寨水庫所屬灣塘河流域防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇（P=2%）,確定毛栗寨水庫防洪高水位為1447.87 m,防洪庫容為62.02 萬m3,設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位等特征數(shù)據(jù)取兩時(shí)段外包線,得到毛栗寨水庫特征水位參數(shù)表見表3。

表3 毛栗寨水庫特征水位參數(shù)表

根據(jù)《興義市毛栗寨水庫大壩安全評(píng)價(jià)》設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)取值,安全評(píng)價(jià)采用的是興義氣象站63 年（1957 年～2019 年）最大一日暴雨系列,設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)取值為H24h=107.2 mm,Cv=0.40,Cs=3.5 Cv；H1h=48.4 mm,Cv=0.38,Cs=3.5 Cv。本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)同樣采用興義氣象站63 年（1957 年～2019 年）最大一日暴雨系列,通過復(fù)核,設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)取值為H24h=107.2 mm,Cv=0.40,Cs=3.5 Cv；H1h=48.4 mm,Cv=0.38,Cs=3.5 Cv。通過壩址處設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算成果,壩址處P=2%設(shè)計(jì)洪水為49.8 m3/s,P=0.2%校核洪水為70.5 m3/s,兩階段壩址處設(shè)計(jì)洪水成果完全一致。

安全評(píng)價(jià)階段洪水調(diào)節(jié)成果采用的是全年洪水以汛限水位1445.1m 起調(diào),安全評(píng)價(jià)成果經(jīng)調(diào)節(jié)后采用成果為：毛栗寨水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.14 m,相應(yīng)的庫容為148.2 萬m3,下泄流量為4.67 m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1447.69 m,相應(yīng)的庫容為161.3 萬m3,下泄流量為9.90 m3/s。水庫總庫容為161.3 萬m3,防洪高水位為1447.14 m。

除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)階段采用分期洪水調(diào)節(jié)計(jì)算,通過分析,水庫劃分為汛限時(shí)段5 月～9 月、非汛限時(shí)段10 月～次年4 月,汛限時(shí)段5 月～9 月：以汛限水位1445.1 m 起調(diào),起調(diào)庫容為103.98 萬m3,毛栗寨水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.14 m,相應(yīng)的庫容為148.2 萬m3,下泄流量為4.67 m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1447.69 m,相應(yīng)的庫容為161.3 萬m3, 下泄流量為9.90 m3/s。非汛限時(shí)段10 月～次年4 月：以正常蓄水位1447 m 起調(diào),起調(diào)庫容為145 萬m3,毛栗寨水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.87 m,相應(yīng)的庫容為166 萬m3,下泄流量為8.8 m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,相應(yīng)的庫容為174 萬m3,下泄流量為13.2 m3/s。根據(jù)不同時(shí)段的調(diào)洪成果,結(jié)合毛栗寨水庫所屬灣塘河流域防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇（P=2%）,確定毛栗寨水庫防洪高水位為1447.87 m,防洪庫容為62.02 萬m3,水庫總庫容為174 萬m3。

通過與安全評(píng)價(jià)階段對(duì)比,本次除險(xiǎn)加固較安全評(píng)價(jià)采用分時(shí)段劃分水庫汛限時(shí)段及分汛限時(shí)段進(jìn)行調(diào)洪演算的成果較為合理,本次除險(xiǎn)加固成果采用本次復(fù)核后的成果,即水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.87m,校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,水庫總庫容174 萬m3,防洪高水位為1447.87 m,防洪庫容為62.02 萬m3。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)毛栗寨水庫所屬灣塘河流域的暴雨特性,汛限時(shí)段為5 月～9 月,非汛限時(shí)段為10 月～次年4 月。汛限時(shí)段及非汛限時(shí)段應(yīng)注意控流,保證中孔泄槽）+溢流堰總泄量不超過入庫洪峰流量。

（2）水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下（P=2%）庫水位為1447.87 m,校核標(biāo)準(zhǔn)下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,水庫總庫容174 萬m3,防洪高水位為1447.87 m,防洪庫容為62.02 萬m3。