李大成，范國(guó)福，龔蘭強(qiáng)，高朝榮，安莉娜

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

溶蝕洼地是巖溶地區(qū)一種典型地貌形態(tài)，是以碳酸鹽為主的地層發(fā)育的一種四周高中間低的負(fù)地形，伴隨著巖溶管道系統(tǒng)的形成而形成，分布于峰叢或峰林之間，呈封閉或半封閉狀[1]。溶蝕洼地底部較低、分水嶺較高，似天然庫(kù)盆，集水條件好，易匯集周?chē)鷱搅?，天然成?kù)條件好[2]。利用有利地形，通過(guò)堵截溶蝕洼地或盲谷中的落水洞或伏流進(jìn)出口形成水庫(kù)，是蓄存、調(diào)節(jié)及合理利用水資源的有效方法[3]。溶蝕洼地?zé)o壩成庫(kù)為我國(guó)西南巖溶地區(qū)主要的水利工程形式之一，具有工程投資少、施工工期短、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但也有地勢(shì)低洼、四周無(wú)低凹埡口、巖溶管道過(guò)流能力小、開(kāi)辟新排洪通道技術(shù)復(fù)雜且投資大、遇暴雨易形成洪澇災(zāi)害等劣勢(shì)[2]。

目前，關(guān)于溶蝕洼地?zé)o壩成庫(kù)的研究主要集中在成庫(kù)地質(zhì)論證、巖溶管道堵截、防滲處理方法等方面。鄭捷[4]結(jié)合地下水動(dòng)力學(xué)法和三維數(shù)值模擬法計(jì)算雙龍水庫(kù)滲漏量，確定最優(yōu)垂直防滲深度，提出了水庫(kù)防滲工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案建議。趙攀峰等[5]結(jié)合鹿角壩水庫(kù)水文地質(zhì)條件，對(duì)復(fù)雜滲漏管道及深大暗河封堵的施工工藝進(jìn)行了研究。楊元紅等[6]根據(jù)馬鞭田水庫(kù)實(shí)際地形地質(zhì)條件和巖溶及滲漏通道情況，研究防滲堵漏建筑物形式，設(shè)置雙層多排帷幕灌漿進(jìn)行防滲，在地下滲漏主通道上設(shè)置混凝土堵頭封堵。然而，現(xiàn)階段尚未有巖溶管道泄流能力不足且難以開(kāi)辟新排洪通道的溶蝕洼地水庫(kù)滯洪庫(kù)容相關(guān)研究，科學(xué)合理地確定其滯洪庫(kù)容，對(duì)保障庫(kù)區(qū)防洪安全具有重要意義。

本文以安龍縣天蓋水庫(kù)為例，基于水庫(kù)汛期來(lái)泄水水量平衡，結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果，綜合確定水庫(kù)滯洪庫(kù)容，為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

天蓋水庫(kù)位于安龍縣海子鎮(zhèn)，為天蓋海子通過(guò)防滲處理無(wú)壩成庫(kù)。天蓋海子為一大型的封閉型巖溶洼地，總體走向近東西向，長(zhǎng)約2.2 km，末端寬30～50 m，首部寬130～300 m。天蓋小河自西向東流經(jīng)洼地底部，在洼地最東端陡壁腳潛入地下形成伏流(地下暗河)，于東北面約8 km(直線距離)的岔河流出地表，為岔河暗河系統(tǒng)的源流之一。消水點(diǎn)以上流域集水面積29.68 km2，主河道長(zhǎng)8.12 km，平均坡降1.58%。

天蓋海子以F1斷層為界，斷層北西側(cè)為T(mén)1yn弱巖溶化地層或相對(duì)隔水地層，為海子的補(bǔ)給區(qū)域；斷層南東盤(pán)為P2m地層出露區(qū)域，P2m為強(qiáng)巖溶地層，存在一系列的溶洞、洼地、落水洞、地下暗河等典型巖溶現(xiàn)象，天蓋海子天然條件下的排泄通道位于F1斷層南東盤(pán)的P2m地層內(nèi)，枯水期天蓋小河通過(guò)天蓋海子?xùn)|側(cè)陡壁腳的落水洞潛入地下，汛期天蓋海子蓄水后(每年的5月底或6月初至當(dāng)年的12月左右)，庫(kù)水從斷層南東盤(pán)多個(gè)通道(落水洞、溶洞、洼地、巖溶裂隙等)排泄。

天蓋水庫(kù)的工程任務(wù)為供水、灌溉及生態(tài)文明建設(shè)等綜合利用，主要包括水源工程和供水工程。水源工程主要由帷幕灌漿、貼坡防滲、泄洪放空洞組成；供水工程包括提水泵站、輸水線路兩部分。

天蓋水庫(kù)四面環(huán)山，西面坡緩且為來(lái)水方向，其余三面山高坡陡，僅能采用泄洪隧洞進(jìn)行泄洪。若按常規(guī)泄洪隧洞考慮，需布置長(zhǎng)達(dá)約10 km的泄洪洞，將洪水排泄至下游岔河，此方案工程量巨大，且沿途巖溶極其發(fā)育，施工難度大，巖溶等不可控地質(zhì)因素復(fù)雜，施工工期長(zhǎng)，技術(shù)操作復(fù)雜，投資經(jīng)濟(jì)性差。由于天蓋水庫(kù)為無(wú)壩的非常規(guī)水庫(kù)，庫(kù)區(qū)為天然溶蝕洼地，庫(kù)盆巨大，充分利用原有巖溶管道的泄流能力，考慮汛期滯蓄一部分洪水，選擇連通巖溶管道的泄洪放空洞作為泄水建筑物，利用原巖溶管道進(jìn)行泄水，通過(guò)合理調(diào)度運(yùn)行，可有效保障庫(kù)區(qū)防洪安全。因此，科學(xué)合理地確定滯洪庫(kù)容是保障天蓋水庫(kù)工程庫(kù)區(qū)防洪安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益充分發(fā)揮的關(guān)鍵因素。

2 研究方法

天蓋水庫(kù)通過(guò)對(duì)排泄(滲漏)區(qū)域進(jìn)行帷幕灌漿加以封堵形成水庫(kù)，由于開(kāi)辟新的排洪通道具有技術(shù)難度大、投資不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)，同時(shí)考慮庫(kù)區(qū)適量的淹沒(méi)移民搬遷以滯蓄部分洪水，利用原有巖溶管道進(jìn)行泄流，以保障庫(kù)區(qū)防洪安全。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查分析，原巖溶管道泄流能力較小，無(wú)法及時(shí)排走洪水，可能上一場(chǎng)洪水未消退完，第二場(chǎng)洪水已來(lái)臨，結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果，天蓋海子每年淹沒(méi)最高水位與最大滯洪量基本由多場(chǎng)次洪水疊加形成，若僅考慮單場(chǎng)次洪水扣除原巖溶管道下泄水量后剩余洪水量滯蓄在庫(kù)中，顯然是不安全的。天蓋海子缺乏實(shí)測(cè)水位、流量資料，無(wú)法分析多場(chǎng)次洪水組合情況，基于水庫(kù)汛期來(lái)泄水水量平衡原理，結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果，采用長(zhǎng)系列資料進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算分析，綜合確定水庫(kù)滯洪庫(kù)容。

3 滯洪庫(kù)容的研究

天蓋水庫(kù)所在天蓋河為山區(qū)雨源型河流，徑流、洪水均由降水形成，降水徑流特性基本一致，洪水具有洪峰陡峻、洪量集中、上漲歷時(shí)短等特點(diǎn)。流域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，徑流計(jì)算采用降水徑流同頻相應(yīng)法，洪水采用“雨洪法”計(jì)算。

3.1 庫(kù)容曲線

天蓋水庫(kù)庫(kù)容曲線采用1∶2000矢量地形圖量算所得，高程系統(tǒng)為黃海系統(tǒng)，水位～庫(kù)容關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 天蓋水庫(kù)水位～庫(kù)容關(guān)系曲線

3.2 設(shè)計(jì)洪水成果

天蓋河流域缺乏實(shí)測(cè)洪水資料，設(shè)計(jì)洪水采用暴雨推求[7-9]，計(jì)算公式采用《貴州省特小流域暴雨洪水計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(1993年1月)中式(20)。即

(25≤F<50)

(1)

式中，Qp為洪峰流量，m3/s；f為流域形狀系數(shù)；J為坡降；F為設(shè)計(jì)流域集水面積，km2；C3為洪峰徑流系數(shù)；r1為匯流參數(shù)的非幾何特征系數(shù)；H24p為設(shè)計(jì)頻率P對(duì)應(yīng)的年最大24 h點(diǎn)雨量，mm。

設(shè)計(jì)洪水總量采用“扣損法”計(jì)算而得，即

Wmp=0.1h24p×F

(2)

h24p=H24pf-(Hs+ΔHs)

(3)

式中，Wmp為洪量，萬(wàn)m3；H24pf為流域平均雨量，mm；h24p為設(shè)計(jì)洪水徑流深，mm；Hs為穩(wěn)定雨損，mm；ΔHs為附加雨損，mm。

設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線采用《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》中洪水形狀系數(shù)ρ為0.25的(二)類(lèi)概化線推求，漲水面積率α0為23.9%。天蓋海子設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線見(jiàn)圖2。

表1 天蓋海子設(shè)計(jì)洪水成果

圖2 天蓋水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

3.3 歷史洪水調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)調(diào)查，天蓋海子受巖溶管道泄流能力限制，每年汛期都會(huì)淹沒(méi)形成一天然的季節(jié)性水庫(kù)，每年洪水位維持在1 415.00 m及以上，最高淹沒(méi)水位為1 420.00 m(1988年)，2017年為近10年最高淹沒(méi)水位1 417.50 m，結(jié)合流域暴雨洪水特性、周邊雨量站點(diǎn)實(shí)測(cè)暴雨資料及調(diào)查情況，歷史洪水調(diào)查成果見(jiàn)表2。

從表2可知，調(diào)查的歷史洪水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容均大于相應(yīng)重現(xiàn)期單場(chǎng)次洪水24 h洪量，表明天蓋海子最高淹沒(méi)水位由多場(chǎng)次洪水疊加形成，水庫(kù)滯洪庫(kù)容僅考慮單場(chǎng)次洪水是不安全的。

表2 天蓋海子歷史洪水調(diào)查成果

3.4 設(shè)計(jì)徑流成果

天蓋河流域無(wú)實(shí)測(cè)徑流資料，由于流域內(nèi)徑流由降水形成且降水徑流特性一致，徑流采用降水徑流同頻相應(yīng)法推求[10-11]，天蓋海子汛期徑流成果見(jiàn)表3。

表3 天蓋水庫(kù)汛期設(shè)計(jì)徑流成果

從表3可知，天蓋水庫(kù)汛期水量主要集中在6月～8月，徑流占整個(gè)汛期的62.3%，為主汛期，是易形成水庫(kù)淹沒(méi)最高水位和所需滯洪庫(kù)容最大的時(shí)段。

3.5 巖溶管道泄流能力

天蓋海子最高淹沒(méi)水位由多場(chǎng)次洪水疊加形成，無(wú)法采用單場(chǎng)洪水通過(guò)調(diào)洪演算推求巖溶管道泄流能力。李大成等[12]基于淹沒(méi)時(shí)段水量平衡，結(jié)合歷史洪水成果，以淹沒(méi)最高水位和淹沒(méi)持續(xù)時(shí)間為控制條件，推求了天蓋海子巖溶管道泄流能力，成果見(jiàn)表4。

3.6 滯洪庫(kù)容分析

天蓋水庫(kù)通過(guò)帷幕灌漿、貼坡防滲等措施無(wú)壩成庫(kù)，利用閘門(mén)連通庫(kù)水和原巖溶管道進(jìn)行泄流，受巖溶管道泄流能力不足的制約，洪水不能被及時(shí)排走，最大滯洪量可能有多場(chǎng)次洪水疊加形成，滯洪庫(kù)容不能按單場(chǎng)次洪水考慮，而應(yīng)考慮整個(gè)汛期泄水情況綜合確定。

表4 天蓋海子巖溶管道泄流能力成果

根據(jù)天蓋水庫(kù)1951年～2017年汛期徑流系列，扣除各時(shí)段泄流量(巖溶管道泄流能力采用表4)，可得各對(duì)應(yīng)時(shí)段的余水量，篩選出各年最大余水量，即為相應(yīng)年份最大滯洪量。

水庫(kù)入流具有隨機(jī)特性，常以獨(dú)立隨機(jī)變量形式描述，通過(guò)水量平衡調(diào)節(jié)計(jì)算所得最大滯洪量也為隨機(jī)變量。根據(jù)水文計(jì)算的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知我國(guó)水文隨機(jī)變量較為符合皮爾遜III型曲線分布，天蓋水庫(kù)入流服從P-III分布，最大滯洪量為水庫(kù)入流的嚴(yán)格單調(diào)函數(shù)，根據(jù)隨機(jī)變量性質(zhì)，通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)算確定的最大滯洪量也滿(mǎn)足P-III分布。

將天蓋水庫(kù)1951年～2017年歷年最大滯洪量作為連續(xù)實(shí)測(cè)系列，采用數(shù)學(xué)期望公式Pm=m/(n+1)×100%計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)初值，采用P-Ⅲ型理論頻率曲線目估適線確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，成果見(jiàn)表5及圖3。

表5 天蓋水庫(kù)年最大滯洪量統(tǒng)計(jì)成果

圖3 天蓋水庫(kù)年最大滯洪量頻率曲線

根據(jù)表5可知，天蓋水庫(kù)P=20%、P=5%滯洪量較相應(yīng)頻率單場(chǎng)次洪水量分別少30萬(wàn)、157萬(wàn)m3，表明以整個(gè)汛期來(lái)泄水情況確定滯洪庫(kù)容是合理的。

根據(jù)SL290—2009《水利水電工程建設(shè)征地移民安置規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合天蓋水庫(kù)庫(kù)區(qū)的實(shí)際情況，確定天蓋水庫(kù)淹沒(méi)處理的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為，耕園地按5年一遇(P=20%)、農(nóng)村居民點(diǎn)按20年一遇(P=5%)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)確定。庫(kù)區(qū)主要防護(hù)對(duì)象為農(nóng)村居民點(diǎn)，滯洪庫(kù)容按20年一遇設(shè)計(jì)洪水考慮，為保障天蓋水庫(kù)庫(kù)區(qū)防洪安全，所需滯洪庫(kù)容為540萬(wàn)m3。

4 結(jié) 論

(1)溶蝕洼地?zé)o壩成庫(kù)具有工程投資省、施工工期短、施工方便等優(yōu)勢(shì)，但亦有地勢(shì)低洼、四周無(wú)低凹埡口、地質(zhì)條件復(fù)雜、巖溶管道堵塞、泄流能力不足、開(kāi)辟新排洪通道技術(shù)復(fù)雜且投資經(jīng)濟(jì)性差等問(wèn)題，泄洪及庫(kù)區(qū)防洪安全是溶蝕洼地水庫(kù)工程建設(shè)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

(2)針對(duì)缺乏實(shí)測(cè)水位流量資料、淹沒(méi)最高水位與最大滯洪量由多場(chǎng)洪水疊加形成的溶蝕洼地水庫(kù)，滯洪庫(kù)容的確定僅考慮單場(chǎng)次洪水是不安全的，可基于水量平衡原理考慮水庫(kù)汛期來(lái)泄水情況綜合確定。

(3)根據(jù)歷史洪水調(diào)查分析可知，天蓋海子每年淹沒(méi)最高水位與最大滯洪量由多場(chǎng)次洪水疊加形成，采用1951年～2017年長(zhǎng)系列資料，基于水庫(kù)汛期來(lái)泄水水量平衡原理，結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果，綜合確定水庫(kù)滯洪庫(kù)容。實(shí)踐表明，基于水庫(kù)汛期來(lái)泄水水量平衡調(diào)算確定溶蝕洼地水庫(kù)的滯洪庫(kù)容是合理且可靠的，對(duì)缺乏實(shí)測(cè)水位流量資料、淹沒(méi)最高水位和最大滯洪量由多場(chǎng)洪水疊加形成的溶蝕洼地水庫(kù)的滯洪庫(kù)容研究具有一定的借鑒意義。