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        吐魯番市黑溝水庫(kù)下游防洪設(shè)計(jì)洪水及承載力分析

        2018-12-14 08:20:06夏克爾江艾尼
        陜西水利 2018年6期
        關(guān)鍵詞:煤窯洪峰流量防洪

        夏克爾江·艾尼

        (新疆吐魯番水文勘測(cè)局,新疆 吐魯番 838000)

        黑溝發(fā)源于博格達(dá)山南坡堅(jiān)霍臘達(dá)坂,源頭區(qū)有4條冰川面積為0.71 km2。河流由東北流向西南,出山口后,呈散流狀,流經(jīng)七泉湖鎮(zhèn)后滲入地下。河流出山口以上集水面積180 km2,河長(zhǎng)22.1 km。擬建的黑溝水庫(kù)壩址(上、下壩址)位于出山口以上約1.0 km處,上、下壩址相距0.3 km。為確保擬建水庫(kù)工程對(duì)下游防洪抗旱發(fā)揮最佳效益,開(kāi)展黑溝水庫(kù)下游防洪對(duì)象洪水影響分析是必要的。

        1 水庫(kù)下游防洪保護(hù)對(duì)象及洪溝分布

        1.1 防洪對(duì)象

        為了準(zhǔn)確計(jì)算各防洪工程斷面的設(shè)計(jì)洪水和最大承載能力,根據(jù)黑溝河上下游洪水成因和沿程變化,從下壩址到二堡鄉(xiāng)防洪斷面之間共布設(shè)了5個(gè)斷面,A斷面位于黑溝水庫(kù)下壩址(引水渠首),A1斷面位于黑溝水庫(kù)下壩址以下3.5 km出山口處,是1981年7月19日洪水調(diào)查斷面;B斷面位于吐魯番高昌區(qū)千佛洞景區(qū)上游0.30 km,離A斷面下游32.5 km,是本次防洪工程設(shè)計(jì)斷面,該斷面保護(hù)對(duì)象主要為千佛洞景區(qū)和新、老312國(guó)道。C斷面位于勝金臺(tái)和勝金口水庫(kù)下泄量匯合處,與B斷面有3.8 km左右, 根據(jù)《勝金臺(tái)、勝金口水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》,勝金臺(tái)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇(最大下泄流量2.76 m3/s),100年一遇(最大下泄流量3.93 m3/s)。勝金口水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇(最大下泄流量11.61 m3/s);校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇(最大下泄流量11.76 m3/s),所以不用進(jìn)行洪水分析。D斷面是C斷面和火焰山暴雨洪水疊加區(qū),該斷面位于二堡鄉(xiāng)、312國(guó)道下游460 m處,距B斷面4.3 km。該斷面保護(hù)對(duì)象是勝金鄉(xiāng)。

        1.2 洪溝分布情況

        黑溝水庫(kù)下壩址為A斷面(黑溝引水渠首)以下洪水主要沿主河床順流而下,由于河床覆蓋層厚,平時(shí)河床呈干涸狀態(tài),洪水沿程大量下滲,造成洪水沿程遞減。因此,A斷面以下,河道洪水為遞減區(qū)間。但煤窯溝與黑溝之間、黑溝與恰勒坎之間分布有多條山洪溝,當(dāng)遭遇大尺度的天氣過(guò)程時(shí),所形成暴雨范圍廣,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),降水量大,常常形成區(qū)域性暴雨洪水。

        各流域區(qū)間洪溝分布如下:煤窯溝和黑溝區(qū)間有1條洪溝,命名為Ⅰ號(hào)洪溝:洪水流入到勝金鄉(xiāng),流經(jīng)B和D斷面。黑溝河天然河道,命名為Ⅱ號(hào)洪溝:洪水流入勝金鄉(xiāng),流經(jīng)B和D斷面。黑溝河和恰勒坎河區(qū)間1條洪溝,命名為Ⅲ號(hào)洪溝:洪水流入勝金鄉(xiāng),流經(jīng)B和D斷面。黑溝和恰勒坎河區(qū)間較大洪溝,命名為Ⅳ號(hào)洪溝;洪水流經(jīng)D斷面。恰勒坎與二塘溝河區(qū)間洪溝,命名為Ⅴ號(hào)洪溝,洪水流經(jīng)D斷面。火焰山山脈洪溝,命名為Ⅵ號(hào)洪溝,發(fā)生暴雨洪水流入到D斷面。各防洪斷面分布情況見(jiàn)圖1。

        圖1 黑溝水庫(kù)下游各防洪斷面布置示意圖

        2 洪水調(diào)查分析

        黑溝目前僅有1981年6月21日、1998年、2005年8月、2012年和2015年發(fā)生的較大洪水的調(diào)查資料。其中,1981年洪災(zāi)較嚴(yán)重,所以以1981年調(diào)查洪水進(jìn)行值確定。

        2.1 A防洪斷面(渠首)洪水調(diào)查調(diào)查值的確定

        2015年5月23日和1981年7月分別對(duì)A斷面1981年6月21日洪水,在渠首以下0.1 km和3.5 km處進(jìn)行過(guò)洪痕調(diào)查,計(jì)算相應(yīng)洪峰流量分別為162 m3/s和145 m3/s。從理論上分析,說(shuō)明渠首閘以上為洪水疊加過(guò)程,渠首以下為洪水逐漸衰減的過(guò)程;從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際河床形態(tài)分析,引水渠首以上河床狹窄,洪水集中;渠首以下河床逐步演變成寬淺河床,洪水成散流形態(tài),是洪峰消減的主要成因;因此,認(rèn)為上述調(diào)查計(jì)算值合理。其洪水考證期為2015-1970+1=46年,重現(xiàn)期為47年。

        2.2 B防洪斷面洪水調(diào)查值的確定

        1981年千佛洞洪水調(diào)查斷面位于B防洪斷面下游480 m處,區(qū)間無(wú)支流匯入和支出,區(qū)間面積也很小,區(qū)間洪水可以忽略,因此,本次1981年6月21日千佛洞洪水調(diào)查斷面和B防洪斷面作為同一斷面處理,其洪峰流量為215 m3/s。洪水考證期為2015-1970+1=46年,重現(xiàn)期為47年。

        2.3 D防洪斷面洪水調(diào)查值的確定

        D防洪斷面(二堡鄉(xiāng)防洪斷面):此段主槽寬有40 m~150 m左右,左岸是防洪壩,右兩茂密的蘆葦,河床由細(xì)砂組成。由于人工破壞比較嚴(yán)重,河床中無(wú)法找到明顯的洪水痕跡,難以確定其洪峰流量值。

        3 參證站洪水系列分析及設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        黑溝河流域以西依次分布有煤窯溝、大河沿、塔爾朗河流域,東邊有恰勒坎、二塘溝、柯柯亞、坎爾其河流域。其中,煤窯溝水文站具有長(zhǎng)系列的水文資料,其余河流均為根據(jù)水利工程建設(shè)需要設(shè)立的短期站和巡測(cè)站。本次計(jì)算采用煤窯溝站39年(1976年~2014年)洪峰系列和1969年特大洪峰組成的不連序40年系列進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰的分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 煤窯溝水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

        4 黑溝水庫(kù)下游各防洪斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        4.1 A斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        A斷面除了洪水調(diào)查值外,沒(méi)有任何洪水資料。其設(shè)計(jì)洪水計(jì)算即以煤窯溝站作為參證站進(jìn)行分析計(jì)算。分別采用推理公式法、洪峰模數(shù)法和洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法對(duì)A斷面設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 A斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果對(duì)比表

        洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法選用氣候、地形條件基本相似、有實(shí)測(cè)資料的河流洪峰頻率曲線作地區(qū)綜合分析,可降低計(jì)算成果的抽樣誤差。但計(jì)算成果較其他兩種方法明顯偏小。

        洪峰模數(shù)法:黑溝與參證流域地處同一氣候分區(qū),其流域特性、下墊面和洪水特性也具有相似性,故可直接移用參證站相同頻率的洪峰模數(shù)估算。

        推理公式法:本次選用煤窯溝水文站最大一日和24小時(shí)點(diǎn)降水量,再用《新疆可能最大暴雨圖集》中的相應(yīng)資料進(jìn)行校對(duì),發(fā)現(xiàn)具有較好的代表性;暴雨衰減、土壤損失等參數(shù)的選用主要參考了設(shè)計(jì)洪水常用教材中提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù),選用依據(jù)不充分,計(jì)算結(jié)果偏大。

        經(jīng)上述分析,基于水庫(kù)設(shè)計(jì)安全,本報(bào)告建議采用洪峰模數(shù)法計(jì)算成果,作為本次A控制斷面設(shè)計(jì)洪水最終成果。

        4.2 B、D斷面(本次防洪工程設(shè)計(jì)斷面)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        首先確定來(lái)自A斷面的洪水在A、B和A、D斷面區(qū)間的河道洪水損失率,計(jì)算遞減后的各斷面設(shè)計(jì)洪水后,再加A、B和A、D斷面區(qū)間暴雨洪水來(lái)計(jì)算B、D斷面設(shè)計(jì)洪水。

        (1)洪水衰減率分析

        由于黑溝上下游均缺乏洪水資料,下游各防洪斷面無(wú)法找出明顯的洪水痕跡,加之上下游只有一個(gè)洪水調(diào)查值,本次采用黑溝河上下游洪水調(diào)查值和臨近河流(煤窯溝和喀爾于孜薩衣溝)上下游洪水衰減率資料綜合確定黑溝河下游洪水衰減率。

        根據(jù)黑溝及臨近河流煤窯溝站和喀爾于孜薩衣溝計(jì)算出每公里平均衰減率為2.53%,但是黑溝河和煤窯溝河是臨近河流雖然集水面積相差較大,但是煤窯溝河上下游河床變化基本接近,喀爾于孜薩衣溝屬于煤窯溝河下游洪溝其河床組成和趨勢(shì)變化來(lái)分析與黑溝河下游相似,因此本次計(jì)算從偏于安全考慮取用黑溝、煤窯溝和喀爾于孜薩衣溝每公里平均衰減率為2.5%來(lái)計(jì)算黑溝河下游各防洪斷面設(shè)計(jì)洪水較為合理的。

        (2)B、D斷面(本次防洪工程設(shè)計(jì)斷面)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        根據(jù)前邊的分析論證,A斷面衰減后的設(shè)計(jì)洪水加Ⅰ、Ⅱ號(hào)洪溝設(shè)計(jì)暴雨洪水作為B斷面設(shè)計(jì)洪水成果。由于Ⅳ、Ⅴ號(hào)洪溝從不同方向流入勝金臺(tái)和勝金口水庫(kù),經(jīng)水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)進(jìn)行下泄,因此,D斷面設(shè)計(jì)洪水應(yīng)等于B斷面衰減到D斷面設(shè)計(jì)成果再加水庫(kù)最大下泄量和Ⅵ號(hào)洪溝設(shè)計(jì)成果。其成果見(jiàn)表3。

        表3 B、D設(shè)計(jì)斷面設(shè)計(jì)洪水成果表

        4.3 最大承載能力

        本次通過(guò)黑溝水庫(kù)下游B、D各防洪斷面橫斷面進(jìn)行測(cè)量,可計(jì)算處各防洪斷面最大承載洪水能力。計(jì)算步驟如下:

        ①首先,用調(diào)查到的橫斷面成果,計(jì)算出各級(jí)水位級(jí)對(duì)應(yīng)的面積和水力半徑。

        ②河道比降:A斷面有洪水位計(jì)算比降;其他斷面無(wú)法找出洪水明顯的痕跡,因此采用測(cè)時(shí)水位計(jì)算出水面比降。計(jì)算結(jié)果B斷面上、中、下洪水比降取為0.0168、0.0131、0.0147。D斷面上、中、下洪水比降取為0.0089、0.0367、0.0161。采用三斷面約束法估算糙率,其B斷面估算糙率值在0.030至0.064之間,D斷面估算糙率值0.018至0.063,兩個(gè)設(shè)計(jì)斷面中斷面作為本報(bào)告B、D斷面控制斷面,糙率取值分別為 0.030、0.063。

        由曼寧公式計(jì)算各級(jí)水位級(jí)對(duì)應(yīng)的洪峰流量:B斷面,河寬有45 m,兩岸高有5 m左右,計(jì)算最大承載洪水751 m3/s。D斷面,河寬有640 m,通過(guò)計(jì)算最大承載洪水2971 m3/s。

        5 結(jié)語(yǔ)

        由于黑溝無(wú)洪水衰減實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)通過(guò)的報(bào)告中洪水衰減成果和本次場(chǎng)次洪水調(diào)查洪峰流量綜合分析,確定黑溝下游洪水每公里平均衰減為2.5%。根據(jù)黑溝河下游主要有新老蘭新鐵路、勝金鄉(xiāng)、千佛洞、312國(guó)道和二堡鄉(xiāng)灌區(qū)等主要防護(hù),為了方便計(jì)算共布設(shè)A、B、C、D四個(gè)控制斷面,其中B和D是防洪對(duì)象斷面。根據(jù)各防洪斷面實(shí)際情況用曼寧公式計(jì)算各級(jí)水位級(jí)對(duì)應(yīng)的洪峰流量,通過(guò)計(jì)算B斷面最大能承載7513/s的洪水,D斷面最大能承載2971 m3/s的洪水,為水庫(kù)建設(shè)及沿河防洪工程建設(shè)提供參考。

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