宋景春，許衍磊

（山東省莒縣水利局，山東 莒縣 276500）

1 引言

水工建筑物在長期使用過程中，會出現(xiàn)不同程度的破損現(xiàn)象，采取加固措施是十分必要的。設(shè)計(jì)洪水位是水庫加固設(shè)計(jì)的一個重要數(shù)據(jù)，可為科學(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)水庫工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-2]。結(jié)合跋山水庫，對設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算和防洪調(diào)節(jié)方案制定進(jìn)行研究。

跋山水庫位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的大（2）型水庫。水庫控制流域面積1782 km2，現(xiàn)狀總庫容5.28 億m3。樞紐工程由土石壩、砌石壩、溢洪道（閘）、放水洞、壩后水電站等建筑物組成，擋水建筑物全長2216 m，最大壩高33.65 m。水庫灌溉面積48.7 萬畝，壩后電站總裝機(jī)容量5640 kW。水庫工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，庫水位179.95 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)10000年一遇，庫水位184.34 m。

2 設(shè)計(jì)洪水分析

2.1 實(shí)測流量資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

跋山水庫上游有一座大型水庫田莊水庫，根據(jù)田莊水庫、跋山水庫1961年～2008年連續(xù)48年實(shí)測水位、蓄水量、出庫流量過程，采用水量平衡方程式分別推求兩座水庫歷年歷次實(shí)測入庫洪水過程。

根據(jù)跋山水庫歷次入庫洪水還原過程，扣除田莊水庫相應(yīng)溢洪流量，即可推算出田莊水庫～跋山水庫區(qū)間（以下簡稱田～跋區(qū)間）歷次洪水過程，集水面積為1358 km2。根據(jù)田莊水庫壩址至跋山水庫壩址河道實(shí)測斷面資料計(jì)算分析，洪峰傳播時間約為6 h。

將田莊水庫歷次入庫洪水過程與田～跋區(qū)間洪水疊加即得跋山水庫天然入庫洪水過程。

田～跋區(qū)間洪水及跋山水庫天然入庫洪水的洪峰流量及時段洪量均采用年最大值選樣方法。洪量的時段分別選取6 h、24 h、72 h。

田～跋區(qū)間及跋山以上全流域洪水逐年最大洪峰流量、時段洪量成果見圖1。

圖1 田～跋區(qū)間及跋山以上全流域洪水逐年最大洪峰流量、時段洪量成果（其中1 代表田～跋區(qū)間成果、2 代表全流域成果）

2.2 歷史洪水重現(xiàn)期論證及時段洪量的確定

2.2.1 歷史洪水調(diào)查資料

跋山水庫壩址處調(diào)查歷史洪水共有4 場，分別為1888年、1908年、1937年和1957年洪水。跋山水庫洪水調(diào)查成果見表1。

表1 跋山水庫歷史洪水調(diào)查成果表

跋山水庫天然洪水系列中，大洪水場次較少，系列中最大的洪峰流量僅為4270 m3/s，洪峰流量大于4000 m3/s 的年份只有1962年、1963年和1984年，調(diào)查的四場歷史洪水洪峰流量均大于實(shí)測系列成果。為了提高成果的可靠性，本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算加入四場歷史洪水成果。

2.2.2 歷史洪水時段洪量的推求

采用跋山水庫1961年～2008年天然洪水系列的年最大洪峰流量分別與其最大6 h、24 h、72 h 洪量建立峰量關(guān)系，根據(jù)相關(guān)方程推求各場歷史洪水的最大6 h、24 h、72 h 時段洪量。跋山水庫各分區(qū)歷史洪水洪量計(jì)算成果見表2。跋山水庫流域內(nèi)有大型水庫一座（田莊水庫）、中型水庫一座（紅旗水庫）、?。?）型水庫28 座。由于這些蓄水工程興建年份不一，其攔蓄水量和用水量對跋山水庫的入庫徑流有一定的影響。為使徑流資料具有較好的一致性，需進(jìn)行天然徑流量還原計(jì)算。在計(jì)算中，考慮蓄水影響程度及水文資料情況，采用劃分單元區(qū)進(jìn)行計(jì)算，劃分田莊水庫以上單元及田莊水庫～跋山水庫單元。

表2 跋山水庫歷史洪水洪量計(jì)算成果表

2.2.3 歷史洪水重現(xiàn)期

1888年為四場歷史洪水的最大值，距今120年。但根據(jù)史料，1730年洪水為1730年～2008年的第一大洪水，1888年洪水為該時期第二大洪水，以此計(jì)算1888年洪水重現(xiàn)期為140年。

2.3 統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析計(jì)算

2.3.1 統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析計(jì)算

根據(jù)加入歷史洪水組成的不連序洪水系列，按矩法估算洪水系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用P-Ⅲ型頻率曲線，取CS=2.5CV進(jìn)行適線，以理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合較好為原則，確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算成果。跋山水庫、田～跋區(qū)間設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表3。

表3 跋山水庫天然入庫洪水、區(qū)間洪水不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量、時段洪量成果表

本次計(jì)算考慮上游田莊水庫的調(diào)蓄影響。跋山水庫的設(shè)計(jì)洪水過程線由田～跋區(qū)間洪水過程線與田莊水庫調(diào)洪后下泄的洪水過程線組成。

設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成采用同頻率地區(qū)組成法。選定田莊～跋山區(qū)間出現(xiàn)與跋山水庫同頻率的洪量，田莊水庫以上相應(yīng)洪量總數(shù)按水量平衡原則推求。田莊水庫相應(yīng)頻率洪水洪峰流量、洪量成果見表4。

表4 田莊水庫相應(yīng)頻率洪峰流量、洪量成果表

2.4 分區(qū)單元設(shè)計(jì)洪水過程線的推求

采用同頻率放大典型洪水過程線法推求田～跋區(qū)間及田莊水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水過程線。

2.4.1 典型洪水過程線的選取

典型洪水過程線應(yīng)選取峰高量大、主峰集中且能代表本流域大洪水特性、對水庫防洪不利的洪水。經(jīng)綜合分析，選取1963年7 月19 日至7 月22 日區(qū)間洪水作為田～跋區(qū)間典型洪水，選取相應(yīng)時間田莊水庫入庫洪水作為田莊水庫典型洪水。

該場洪水峰高、量大，其洪峰流量位于系列中第二位，各時段洪量均為系列中最大值，其3 h、6 h 洪量占24 h 洪量的比例分別為21.6%、42.9%，與不同頻率設(shè)計(jì)洪水3 h、6 h 洪量占24 h洪量的比例接近，因此1963年7 月19 日洪水更能代表本流域洪水特性，田～跋區(qū)間、田莊水庫典型洪水過程見圖2。

圖2 田～跋區(qū)間、田莊水庫典型洪水過程

2.4.2 放大方法

采用分時段同頻率控制法，即用同一個頻率的洪峰流量和各時段的洪量控制放大典型洪水過程線。

2.5 跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線的推求

2.5.1 田莊水庫調(diào)洪

按照以下原則對田莊水庫進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算：起調(diào)水位采用原設(shè)計(jì)汛限水位310.64 m。洪水調(diào)節(jié)計(jì)算按兩級控制，低于20年一遇防洪高水位按600 m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按1000 m3/s 控制下泄，超過50年一遇防洪高水位為自由敞泄。

2.5.2 跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線的推求

跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線由田莊水庫泄流過程線錯時段與田～跋區(qū)間洪水過程線迭加而成。

2.6 設(shè)計(jì)洪水成果修正

跋山水庫流域建有小（1）型水庫28 座，其它?。?）型水庫及塘壩若干座，總控制流域面積236.71 km2，總興利庫容0.396 億m3，總庫容0.74 億m3，分別占跋山水庫總面積、興利庫容、總庫容的13.2%、14.8%、14.0%，其中總庫容占田～跋區(qū)間10000年一遇24h 洪量的9.6%。以上小型水庫均無詳細(xì)的洪水記錄資料，無法就其對跋山水庫入庫洪水的影響作定量分析計(jì)算。但從定性角度分析，小型水庫的攔蓄會影響跋山水庫的入庫洪水水量，特別是中小水年份，攔蓄水量比較多，從而削減了水庫的入庫洪水水量。實(shí)測系列中絕大部分洪水為中小洪水，由此計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果有偏小的可能。另外由于上游小水庫防洪能力較低，跋山水庫發(fā)生校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時，小水庫潰壩的可能性較大。鑒于以上原因，為了水庫防洪安全，應(yīng)對跋山水庫校核標(biāo)準(zhǔn)洪水增加安全修正值。

通過對資料條件、抽樣誤差、上游小型水庫影響程度等進(jìn)行綜合分析，結(jié)合本流域?qū)嶋H情況，確定對跋山水庫校核標(biāo)準(zhǔn)（100年以上）設(shè)計(jì)洪水的洪峰流量和不同時段洪量均增加10%的安全修正值，以確保水庫防洪安全。跋山水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量、不同歷時洪量見表5。跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線成果見圖3。

表5 跋山水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量、不同歷時洪量

圖3 跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線

3 洪水調(diào)節(jié)方案

3.1 水位～庫容～泄量關(guān)系

本次跋山水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)擬對原溢洪閘進(jìn)行改建，溢洪閘16 孔，單孔凈寬10 m，閘底板高程為171.0 m。跋山水庫溢洪閘改建后水位～庫容～泄量關(guān)系見表6。

3.2 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

3.2.1 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算原則

（1）起調(diào)水位

按水量平衡原理對水庫進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，起調(diào)水位采用興利水位178.00 m。

（2）控制運(yùn)用方式

跋山水庫防洪調(diào)度方案按20年一遇、50年一遇兩級控泄。

第一級安全泄流量為2000 m3/s，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，其控制斷面為沂水縣城附近沂河老橋，20年一遇洪水水庫控泄主要是保護(hù)沂河堤防，水庫下游跋山～沂水區(qū)間河道堤防防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀人口15 萬人，耕地20 萬畝。

表6 跋山水庫水位～庫容～泄量關(guān)系表

第二級安全泄流量為3120 m3/s，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，其控制斷面為北社攔河壩，該標(biāo)準(zhǔn)主要是保護(hù)水庫下游沂水縣城。沂水縣城區(qū)現(xiàn)狀人口28 萬，規(guī)劃到2020年人口達(dá)50萬人，水庫下游重要基礎(chǔ)設(shè)施有S229、S335 兩條省道。

根據(jù)水庫1985年測繪“跋山水庫下游洪水淹沒范圍及群眾轉(zhuǎn)移路線圖”，在保證水庫自身防洪安全的前提下，充分發(fā)揮水庫攔蓄洪水、削峰錯峰的作用，跋山水庫管理處編制了“防洪調(diào)度方案”。水庫防汛調(diào)度滿足洪水調(diào)度方案編制要求，此次洪水調(diào)節(jié)按現(xiàn)有的兩級控制計(jì)算。

20年一遇設(shè)計(jì)洪水，按2000 m3/s 控制下泄，得到20年一遇防洪高水位；50年一遇設(shè)計(jì)洪水，低于20年一遇防洪高水位按2000m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按3120 m3/s 控制下泄，得到50年一遇防洪高水位；100年一遇及以上設(shè)計(jì)洪水，低于20年一遇防洪高水位按2000 m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按3120 m3/s 控制下泄，超過50年一遇防洪高水位自由敞泄。

3.2.2 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果

根據(jù)選定的跋山水庫設(shè)計(jì)洪水成果，按洪水調(diào)節(jié)計(jì)算原理及控制原則進(jìn)行調(diào)算。不同頻率設(shè)計(jì)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果見表7。

表7 跋山水庫設(shè)計(jì)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

4 結(jié)論

跋山水庫除險(xiǎn)加固工程中設(shè)計(jì)洪水推求是十分重要工作內(nèi)容，為了計(jì)算出合理的設(shè)計(jì)洪水成果，采用實(shí)測數(shù)據(jù)收集、歷史洪水調(diào)查、參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析等方法，充分考慮了上游田莊水庫及其他?。?）型水庫和塘壩等工程對跋山水庫洪水的影響，得到不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水成果，并對跋山水庫的洪水調(diào)節(jié)方案進(jìn)行分析，可為類似工程提供參考。