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        烏巢河水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水及防洪影響分析研究

        2020-08-31 01:40:04盧留虎
        廣東水利水電 2020年8期
        關(guān)鍵詞:河水庫(kù)潰壩壩址

        盧留虎

        (湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

        1 項(xiàng)目背景

        鳳凰縣地處湘、黔、渝三省市邊緣地區(qū),多年平均降水量少于全州均值,由于降雨季節(jié)不能和作物耕種季節(jié)完全相適應(yīng),加上地形復(fù)雜,山高坡陡,土層脊薄,陰河眾多,旱災(zāi)發(fā)生頻繁,曾有“十年九旱”之說(shuō),特別是秋旱或夏秋連旱極為頻繁,是鳳凰縣的最大自然災(zāi)害??h境內(nèi)蓄水工程少,沒(méi)有健全的灌溉系統(tǒng),現(xiàn)狀主要灌溉水源工程龍?zhí)梁铀畮?kù)建于1974年,灌溉渠道滲漏嚴(yán)重。興建烏巢河水庫(kù)建成后,與現(xiàn)有龍?zhí)梁庸鄥^(qū)組合成烏龍灌區(qū),對(duì)提高灌區(qū)灌溉保證率,保證糧食安全意義重大。

        鳳凰縣城作為國(guó)家級(jí)歷史文化名城,古城墻、沿河商鋪、吊腳樓依老城區(qū)的沱江河兩岸修建。由于老城區(qū)沿河無(wú)法修建防洪堤(沿河為旅游景區(qū))及新城區(qū)防洪堤尚未全部建成,因此,鳳凰縣城洪災(zāi)較為頻發(fā)。鳳凰縣洪水一般發(fā)生在每年的5—8月,期間峰量大、來(lái)勢(shì)猛,嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

        烏巢河水庫(kù)位于武水一級(jí)支流沱江上游,是一座以灌溉、防洪為主,兼顧城鎮(zhèn)供水、灌區(qū)農(nóng)村人畜用水及生態(tài)用水要求的綜合利用水利工程。水庫(kù)下游距離鳳凰縣城36 km,水庫(kù)興建后,預(yù)留防洪庫(kù)容,聯(lián)合長(zhǎng)潭崗水庫(kù)合理調(diào)度,完善了城市防洪體系建設(shè),可提高鳳凰縣城的防洪標(biāo)準(zhǔn),保護(hù)歷史文化名城,減少洪災(zāi)對(duì)鳳凰縣城的襲擊,更好保護(hù)旅游區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全,維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定,促進(jìn)鳳凰旅游事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

        2 設(shè)計(jì)洪水

        2.1 流域概況

        沱江為武水一級(jí)支流、沅江二級(jí)支流,流域總面積為981 km2,河流長(zhǎng)度為131 km,河流坡降為2.78‰。沱江發(fā)源于鳳凰縣中部,流經(jīng)臘爾山、鳳凰城、解放巖,于吉首市河溪鎮(zhèn)小河壩匯入武水。流域形狀上游寬、下游窄,地勢(shì)西北高、東南低,上游分水嶺高程約為990 m,中下游約為400~600 m。沱江在鳳凰縣城上游約為27 km處分為烏巢河(左支)、龍?zhí)梁?右支)兩大支流。

        烏巢河水庫(kù)位于沱江左支,流域內(nèi)峰巒疊嶂谷深河險(xiǎn),植被良好,高程在800~1 057 m之間,壩址以上流域面積為85.3 km2。龍?zhí)梁铀畮?kù)位于沱江右支,鳳凰縣城西北約39 km處,該水庫(kù)建于1974年,以灌溉為主。烏巢河水庫(kù)建成后,與現(xiàn)有龍?zhí)梁庸鄥^(qū)合并成烏龍灌區(qū)。

        烏巢河水庫(kù)下游,鳳凰縣城上游約11 km的沱江干流建有長(zhǎng)潭崗水庫(kù)。該水庫(kù)于1994年底蓄水發(fā)電,為中型水庫(kù),控制集雨面積為460 km2,是沱江流域的龍頭水庫(kù),以防洪為主,兼有灌溉、發(fā)電、供水、旅游等綜合效益。水利工程位置及水系情況見(jiàn)圖1。

        圖1 工程位置及水系示意

        2.2 洪水特性及成因

        本流域洪水均由暴雨所形成,屬暴雨型洪水。流域內(nèi)降水集中,山地、丘陵面積廣、坡度較大,導(dǎo)致流域內(nèi)洪水具有洪水歷時(shí)短、峰型單瘦、陡漲陡落、年最大洪峰流量年際變化大等特性。長(zhǎng)潭崗水庫(kù)建成蓄水,影響了鳳凰(二)水文站洪水資料的一致性,但長(zhǎng)潭崗水庫(kù)無(wú)完整的觀測(cè)資料,無(wú)法對(duì)1994年以后的洪水資料進(jìn)行還原計(jì)算,洪水計(jì)算的實(shí)測(cè)系列取1959—1993年。

        根據(jù)鳳凰(二)站1959—1993年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì):實(shí)測(cè)年最大流量極大值為896 m3/s(1974年7月),次大值為840 m3/s(1970年6月),極小值為138 m3/s(1978年5月),極值比為6.1。洪峰出現(xiàn)時(shí)間集中在5—7月,占78.5%,其中5月占25.5%(13次),6月占37.3%(19次),7月占15.7%(8次);4月、8月、9月、10月甚至11月也偶有年最大洪水發(fā)生,分別出現(xiàn)過(guò)2次、3次、1次、1次、4次,該站年最大洪水分布如圖2所示。本流域?qū)偕絽^(qū)性小流域,洪水陡漲陡落,一般洪水歷時(shí)1 d,多為單峰。

        圖2 鳳凰水文站年最大洪水分布示意

        2.3 鳳凰設(shè)計(jì)洪水

        表1 鳳凰(二)水文站設(shè)計(jì)洪水成果 m3/s

        2.4 烏巢河設(shè)計(jì)洪水

        烏巢河水庫(kù)壩址集雨面積為85.3 km2,距離下游鳳凰(二)水文站36 km。采用水文比擬法和推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。由奪希雨量站1963—2016年長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)最大24 h降雨資料,采用P—Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率計(jì)算24 h設(shè)計(jì)暴雨。根據(jù)《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》中推薦的推理公式法計(jì)算壩址設(shè)計(jì)洪水,公式如下:

        (1)

        τ=0.278/(m×J1/3×Qm1/4)

        (2)

        工程位于暴雨一致性分區(qū)4區(qū),由各時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨推求凈雨過(guò)程,其中初損取I0=25mm,R上/R總=0.64~0.76。自最大凈雨強(qiáng)度開(kāi)始向前后相鄰時(shí)段連續(xù)累加,并除以相應(yīng)的歷時(shí),得出時(shí)段平均最大凈雨強(qiáng)度,點(diǎn)匯~τ相關(guān)線。地下徑流R下=R總-R上,以τ時(shí)刻為地下徑流峰值位置,按照等腰三角形關(guān)系,求地下徑流峰值及地下徑流過(guò)程。地面徑流過(guò)程與地下徑流過(guò)程疊加可得設(shè)計(jì)洪水過(guò)程,地面徑流峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的流量為設(shè)計(jì)洪水洪峰流量。計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表2。

        表2 烏巢河壩址設(shè)計(jì)洪水成果

        P=0.1%、0.2%時(shí):推理公式計(jì)算成果比水文比擬法計(jì)算成果小4.0%;P=1%、4%、5%、50%時(shí):推理公式計(jì)算成果比水文比擬法計(jì)算成果大1.0~22%;水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率洪水(P=2%),推理公式計(jì)算成果比水文比擬法計(jì)算成果大2.0%,推薦采用推理公式法計(jì)算成果。

        3 防洪影響分析

        3.1 防洪體系

        鳳凰縣城市防洪規(guī)劃原則為:城市防洪規(guī)劃與城市建設(shè)和古城保護(hù)總體規(guī)劃相結(jié)合,近期(2010年)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇,遠(yuǎn)景50年一遇。老城區(qū)沿河是旅游景區(qū),無(wú)法新修堤防,防洪主要依靠上游防洪水庫(kù)的削峰;新城區(qū)沿河可以修建堤防,其防洪體系為水庫(kù)+堤防的防洪方案。

        1)城市堤防

        鳳凰古城墻、沿河商鋪、吊腳樓依老城區(qū)的沱江河兩岸修建,老城區(qū)地面高程約為305.5 m,安全泄量約為670 m3/s;新城區(qū)完成了部分堤防建設(shè),堤防的規(guī)劃安全泄量為1 180 m3/s。

        2)長(zhǎng)潭崗水庫(kù)

        長(zhǎng)潭崗水庫(kù)的防洪庫(kù)容為2 310萬(wàn)m3,長(zhǎng)潭崗水庫(kù)防洪調(diào)度方式:

        ① 水庫(kù)從防洪限制水位392.00 m起調(diào),長(zhǎng)潭崗—鳳凰縣城區(qū)間流量小于100 m3/s時(shí),當(dāng)來(lái)流小于570 m3/s時(shí),水庫(kù)來(lái)多少泄多少(泄流能力小于來(lái)水時(shí)按泄流能力下泄),當(dāng)來(lái)流大于570 m3/s時(shí),水庫(kù)控制泄量570 m3/s;

        ② 長(zhǎng)潭崗—鳳凰縣城區(qū)間流量大于或等于100 m3/s時(shí),當(dāng)來(lái)流小于360 m3/s時(shí),水庫(kù)來(lái)多少泄多少(泄流能力小于來(lái)水時(shí)按泄流能力下泄),當(dāng)來(lái)流大于360 m3/s時(shí),水庫(kù)控制泄量為360 m3/s;

        ③ 庫(kù)水位大于防洪高水位為398.00 m時(shí),水庫(kù)開(kāi)閘敞泄,轉(zhuǎn)入保壩的調(diào)度方式。

        長(zhǎng)潭崗水庫(kù)防洪調(diào)度方式見(jiàn)表3。

        表3 長(zhǎng)潭崗水庫(kù)防洪調(diào)度方式

        3)烏巢河水庫(kù)

        汛期4月1日至9月30日,應(yīng)預(yù)留防洪庫(kù)容為500萬(wàn)m3,相應(yīng)防洪限制水位為518.50 m,防洪高水位為525.10 m。洪水來(lái)臨時(shí),利用防洪庫(kù)容錯(cuò)峰,按相應(yīng)控制泄量泄洪;洪水退水期將庫(kù)水位限制在防洪限制水位以迎接下一次洪峰;汛后10月1日允許蓄至正常蓄水位。防洪調(diào)度方式:當(dāng)水庫(kù)來(lái)水小于280 m3/s時(shí),來(lái)多少泄多少;當(dāng)來(lái)流大于280 m3/s時(shí),水庫(kù)控泄280 m3/s;庫(kù)水位至防洪高水位525.10 m后,轉(zhuǎn)入保壩安全防洪調(diào)度,開(kāi)啟閘門按泄流能力下泄。

        3.2 洪水組合分析

        烏巢河水庫(kù)具有防洪作用,其防洪保護(hù)對(duì)象為鳳凰縣城。根據(jù)鳳凰縣城城市防洪規(guī)劃,通過(guò)烏巢河水庫(kù)與長(zhǎng)潭崗水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度達(dá)到縣城的防洪目的。

        根據(jù)烏巢河水庫(kù)與長(zhǎng)潭崗水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度防護(hù)鳳凰縣城的規(guī)劃,對(duì)各區(qū)間洪水進(jìn)行組合分析,3種組合方案如下:① 烏巢河設(shè)計(jì),烏~長(zhǎng)區(qū)間(區(qū)間1)、長(zhǎng)~鳳區(qū)間(區(qū)間2)相應(yīng);② 烏巢河、長(zhǎng)~鳳區(qū)間(區(qū)間2)相應(yīng),烏~長(zhǎng)(區(qū)間1)設(shè)計(jì);③ 烏巢河、烏~長(zhǎng)(區(qū)間1)相應(yīng),長(zhǎng)~鳳區(qū)間(區(qū)間2)設(shè)計(jì)。洪水組合情況見(jiàn)表4,“兩庫(kù)”防洪調(diào)度成果見(jiàn)表5。

        表4 洪水組合

        表5 “兩庫(kù)”(烏巢河、長(zhǎng)潭崗水庫(kù))聯(lián)合調(diào)度成果

        根據(jù)烏巢河水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)、相應(yīng)洪水流量及防洪調(diào)度方式,當(dāng)發(fā)生以烏巢河水庫(kù)上游為主的洪水時(shí)(組合1),烏巢河水庫(kù)削減洪峰流量分別為192 m3/s(P=2%)、93 m3/s(P=5%);當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)~鳳凰縣城為主時(shí)(組合2、3),烏巢河水庫(kù)不控泄。

        3.3 防洪效益分析

        長(zhǎng)潭崗水庫(kù)壩址流域面積占鳳凰縣城流域面積的87.8%,預(yù)留防洪庫(kù)容為2 310萬(wàn)m3,對(duì)鳳凰縣城防洪作用較大,考慮長(zhǎng)潭崗水庫(kù)單庫(kù)防洪作用,可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至約20年一遇。

        本次設(shè)計(jì)上游烏巢河水庫(kù)預(yù)留防洪庫(kù)容為 500萬(wàn)m3,通過(guò)與長(zhǎng)潭崗水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度,當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)上游為主時(shí),可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到約25年一遇;當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)—鳳凰縣城為主時(shí),烏巢河水庫(kù)對(duì)下游防洪作用不明顯。

        3.4 潰壩洪水分析

        壩體為砼砌塊石拱壩,按大壩在校核洪水位下瞬間橫縱向潰壩2/3,估算壩址處潰壩最大流量及水庫(kù)放空時(shí)間。

        最大流量計(jì)算公式:

        (3)

        式中QM為壩址處潰壩最大流量,m3/s;B為潰壩時(shí)水面寬,m;H0為潰壩時(shí)水庫(kù)水深,m;b為局部潰口處寬度,m。

        水庫(kù)泄空時(shí)間:

        (4)

        式中t為水庫(kù)泄空時(shí)間,s;W為可泄總水量,m3;QM為潰壩最大流量,m3/s;K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

        經(jīng)計(jì)算,校核水位為525.10 m時(shí),最大潰壩流量為45 086 m3/s,水庫(kù)放空時(shí)間為1 807 s,約30 min。

        烏巢河水庫(kù)在校核洪水位垮壩時(shí),洪水的沖力是很大的。計(jì)算潰壩時(shí)洪水到長(zhǎng)潭崗水庫(kù)尾水及其壩址的時(shí)間及最大流量時(shí),按下述公式計(jì)算,所得結(jié)果為潰壩時(shí)各斷面增加的設(shè)計(jì)洪水流量。

        (5)

        式中QLM為當(dāng)潰壩最大流量演進(jìn)至距壩址為L(zhǎng)處時(shí),在該處出現(xiàn)的最大流量,m3/s;W為水庫(kù)潰壩時(shí)的庫(kù)容,m3;QM為壩址處的潰壩最大流量,m3/s;L為距壩址的距離,m;v為下游L處河道洪水期斷面最大平均流速,m/s,一般山區(qū)河流可取3.0~5.0 m/s,半山區(qū)可取2.0~3.0 m/s,平原可采用1.0~2.0 m/s,本次取5.0;K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),山區(qū)取1.1~1.5,半山區(qū)取1.0,平原取0.8~0.9,本次取1.5。

        經(jīng)計(jì)算,校核洪水位時(shí)發(fā)生潰壩洪水,潰壩洪水到長(zhǎng)潭崗水庫(kù)尾水處及壩址的最大流量分別為10 514 m3/s、4 846 m3/s。

        潰壩洪水傳播的時(shí)間按下述公式計(jì)算:

        (6)

        式中t2為最大洪量到達(dá)時(shí)間,s;L為距壩址距離,m;H0為壩上游水深,m;hm為最大流量時(shí)平均水深,m;W為可泄總水量,m3;K2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

        當(dāng)校核洪水時(shí)潰壩,最大洪峰到達(dá)長(zhǎng)潭崗水庫(kù)尾水處及壩址的時(shí)間分別為20 min、60 min。

        烏巢河水庫(kù)潰壩時(shí)蓄水量為1 800萬(wàn)m3,到達(dá)長(zhǎng)潭崗壩址處洪峰流量為4 846 m3/s,洪水過(guò)程概化為三角形。長(zhǎng)潭崗水庫(kù)防洪庫(kù)容為2 310萬(wàn)m3,以汛限水位作為起調(diào)水位,不考慮烏巢河~長(zhǎng)潭崗區(qū)間洪水時(shí),考慮上游潰壩時(shí)刻開(kāi)始水庫(kù)預(yù)泄騰庫(kù)。經(jīng)調(diào)洪計(jì)算,庫(kù)水位控制在防洪高水位以下,大壩不漫頂(如圖3所示)。

        圖3 長(zhǎng)潭崗水庫(kù)調(diào)洪結(jié)果示意

        4 結(jié)語(yǔ)

        1)烏巢河水庫(kù)是一座以灌溉、防洪為主,兼顧城鎮(zhèn)供水、灌區(qū)農(nóng)村人畜用水及生態(tài)用水要求的綜合利用水利工程。工程建成后,對(duì)健全區(qū)域灌溉系統(tǒng),提高灌區(qū)灌溉保證率,增加糧食及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水意義重大。

        2)烏巢河與長(zhǎng)潭崗水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度,當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)上游為主時(shí),可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至25年一遇;當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)~鳳凰縣城為主時(shí),烏巢河水庫(kù)對(duì)下游防洪作用不明顯。

        3)烏巢河水庫(kù)位于峽谷地區(qū),最大壩高為 76.5 m,校核水位為525.10 m時(shí),最大潰壩流量達(dá)45 086 m3/s。不考慮烏巢河~長(zhǎng)潭崗區(qū)間洪水時(shí),潰壩洪水至長(zhǎng)潭河壩址洪峰流量為4 846 m3/s,長(zhǎng)潭河水庫(kù)庫(kù)水位可以控制在防洪高水位以下,大壩不漫頂。

        4)烏巢河水庫(kù)地處峽谷地帶,下游有長(zhǎng)潭崗水庫(kù)及鳳凰縣城。工程建設(shè)及運(yùn)行期,須保證工程質(zhì)量及大壩安全檢測(cè)系統(tǒng)、水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)正常運(yùn)行,保證水庫(kù)科學(xué)調(diào)度、安全運(yùn)行。

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