賀 超

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江西 吉安 343400)

0 前 言

水庫(kù)在我國(guó)水利工程項(xiàng)目中占據(jù)著重要位置,對(duì)于減少自然災(zāi)害破壞、維持地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的意義重大。而洪水是水庫(kù)運(yùn)行過程中不容忽視的自然災(zāi)害,根據(jù)洪災(zāi)大小展開調(diào)節(jié)對(duì)于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有積極影響。但是不容忽視的是,水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)具有復(fù)雜性,其調(diào)節(jié)方案受到諸多因素的影響。為解決該問題,則需要深入探索不同因素對(duì)水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)策略的影響,完善管理對(duì)策,這也是文章研究的主要目的。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

早元水庫(kù)位于泰和縣螺溪鎮(zhèn)早元村,距泰和縣城約30km。該工程坐落于贛江水系禾水支流牛吼江-早元水上,壩址以上控制流域面積2.84km2(本次復(fù)核),水庫(kù)總庫(kù)容26.91萬(wàn)m3(本次復(fù)核),是一座以灌溉為主,兼有防洪,養(yǎng)殖等的小(2)型水庫(kù)。水庫(kù)工程于1957年建成,受到當(dāng)時(shí)施工技術(shù)以及施工條件等因素的影響,導(dǎo)致工程項(xiàng)目存在一定的質(zhì)量問題。在2013—2014年間對(duì)水庫(kù)進(jìn)行維修加固改造升級(jí)。

根據(jù)本次案例工程項(xiàng)目的實(shí)際情況,為解決制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的危險(xiǎn)因素,水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)方案應(yīng)該與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展情況相匹配。同時(shí)該項(xiàng)目中河道彎曲,風(fēng)浪水流沖刷導(dǎo)致部分位置岸坡坍塌,一旦遭遇較大洪水會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田與房屋淹沒。當(dāng)?shù)睾恿鲀砂抖噢r(nóng)田村莊,在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)體系中占據(jù)著重要作用,關(guān)系到周圍居民的日常生活。通過完善水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算不僅可以在一定程度上降低洪澇災(zāi)害的危險(xiǎn),也能保障當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展,具有深遠(yuǎn)影響。

2 設(shè)計(jì)洪水

2.1 暴雨洪水特性分析

根據(jù)項(xiàng)目前期的自然氣候調(diào)查結(jié)果可知,水庫(kù)所在地的暴雨天氣系統(tǒng)主要為鋒面雨,并且在7至9月份受到臺(tái)風(fēng)等氣候影響導(dǎo)致當(dāng)?shù)亟邓靠焖僭龆?。該?xiàng)目從每年的3月份開始進(jìn)入雨季,4～9月為汛期,主汛期集中在4～6月份。根據(jù)當(dāng)?shù)厝罩镜慕y(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,當(dāng)?shù)赜昙境霈F(xiàn)在5～9月份的概率為66.8%,出現(xiàn)在3～4月份的概率為29.1%。從當(dāng)?shù)氐匦翁卣鱽砜?流域主要集中在山區(qū),下墊層面植被生長(zhǎng)情況良好,受到當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯纫蛩赜绊?會(huì)導(dǎo)致水流出現(xiàn)明顯的洪水漲落迅速特征,一次洪水過程不足一天。

2.2 設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)

在本次設(shè)計(jì)中參照當(dāng)?shù)?986年1/萬(wàn)航測(cè)圖量算流域特征參數(shù),流域面積F=2.84km2,L=3.3km,J=12.85‰。

2.3 推算洪水洪峰流量

根據(jù)相關(guān)規(guī)定,當(dāng)集水面積>50km3時(shí),流域洪水計(jì)算中可以采用瞬時(shí)單位線法展開計(jì)算,而當(dāng)積水面積不足30km3的流域可通過推理公式法展開計(jì)算。并且當(dāng)水庫(kù)性質(zhì)較為重要,并且對(duì)設(shè)計(jì)洪水過程線提出嚴(yán)格要求時(shí),可參照瞬時(shí)單位線法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)前文的研究結(jié)果,案例水庫(kù)的集水面積不足30km3,因此在數(shù)據(jù)計(jì)算中可采用推理公式法展開計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 推理公式法的計(jì)算結(jié)果

2.4 設(shè)計(jì)洪水合理性

通過與鄰近河流已建成水庫(kù)的綜合對(duì)比結(jié)果,在該水庫(kù)項(xiàng)目中采用推理公式法對(duì)各個(gè)頻率設(shè)計(jì)綜合系數(shù)展開評(píng)估,結(jié)果顯示項(xiàng)目處于所列工程居中位置[1];在評(píng)估單對(duì)數(shù)據(jù)上各工程的設(shè)計(jì)洪峰流量與集水面積的關(guān)系時(shí),按照其中的分布線性關(guān)系展開分析,最終結(jié)果顯示該水庫(kù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)分布于關(guān)系線周圍,詳細(xì)資料如表2所示。

表2 案例水庫(kù)與周圍水庫(kù)的綜合對(duì)比結(jié)果

2.5 入庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

入庫(kù)洪水調(diào)節(jié)的重點(diǎn)包括:

1)入庫(kù)站控制集水面積偏大,根據(jù)建庫(kù)前后的觀測(cè)資料,通過入庫(kù)站洪峰流量與壩址洪峰流量相關(guān)關(guān)系,和建庫(kù)后的入庫(kù)站洪峰流量與入庫(kù)洪峰流量相關(guān)關(guān)系,采用數(shù)據(jù)對(duì)比的方法,建庫(kù)前后的匯流條件無(wú)明顯變化,在計(jì)算中可根據(jù)上述關(guān)系線確定壩址洪峰流量與入庫(kù)洪峰流量值。

2)當(dāng)水庫(kù)建庫(kù)前在庫(kù)尾附近沒有水文站,或上游有站但控制面積太小,不足以建立入庫(kù)站洪峰與壩址洪峰之間的關(guān)系時(shí),在數(shù)據(jù)計(jì)算中通過分別建立壩址洪水的峰值與數(shù)量值,通過與建庫(kù)后的洪水量對(duì)比結(jié)果,若發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間洪水量在建庫(kù)前后的數(shù)據(jù)不顯著,通過上述兩種關(guān)系可以計(jì)算出壩址洪峰與入庫(kù)洪峰數(shù)值等[2]。

3)若上述方法不太理想,在數(shù)據(jù)計(jì)算中可以根據(jù)當(dāng)?shù)貕沃焚Y料以及建庫(kù)前后的單位線變化情況,計(jì)算出入庫(kù)洪水的變化情況,確定數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。通過上述計(jì)算方法可以獲得入庫(kù)洪水調(diào)節(jié)數(shù)據(jù),為調(diào)節(jié)洪水奠定基礎(chǔ)。

3 分期洪水

3.1 施工洪水標(biāo)準(zhǔn)

為保證水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)方案的合理性,在本次水庫(kù)加固中充分考慮到洪水對(duì)水庫(kù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,按照《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容,案例水庫(kù)在加固過程中按5a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)展開計(jì)算。

3.2 施工期設(shè)計(jì)洪水與徑流分析

因?yàn)榘咐?xiàng)目無(wú)實(shí)測(cè)的水文數(shù)據(jù),因此在本次設(shè)計(jì)計(jì)算中參照周圍水文站所檢測(cè)的徑流數(shù)據(jù)展開計(jì)算,統(tǒng)計(jì)10月份～次年3月份的平均徑流量,通過面積比一次方換算統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的徑流情況,從10月～次年3月時(shí)間中,其徑流維持在0.032～0.050m3/s之間,其中最低值出現(xiàn)在12月,最高值出現(xiàn)在次年3月份。

3.3 施工期設(shè)計(jì)洪水位變化

從案例項(xiàng)目的實(shí)際情況來看,大壩壩體、壩基位置的施工工期主要集中在11月份～次年2月之間,按照水庫(kù)庫(kù)容曲線以及項(xiàng)目洪水期的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,施工期的水位集中在85.90～87.40m之間。

4 洪水調(diào)節(jié)思路分析

4.1 調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)

因?yàn)樵撍畮?kù)為小(2)型水庫(kù),為均質(zhì)土壩,其最高值為5.68m,按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》以及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)內(nèi)容,水庫(kù)樞紐主體的級(jí)別為Ⅴ級(jí),設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇。

4.2 調(diào)洪計(jì)算方法

結(jié)合水庫(kù)實(shí)際情況,實(shí)現(xiàn)水庫(kù)調(diào)洪平衡的關(guān)鍵點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)水量平衡與動(dòng)力平衡,其中水量平衡可以表示為水庫(kù)水量平衡方式,則動(dòng)力平衡主要通過水庫(kù)蓄洪方程來觀察其中的數(shù)據(jù)變化,在確定洪水起調(diào)后,根據(jù)時(shí)間變化求解。因?yàn)榘咐畮?kù)的面積小,在調(diào)洪庫(kù)容計(jì)算中按照靜態(tài)庫(kù)容的標(biāo)準(zhǔn),調(diào)洪計(jì)算中參照瞬態(tài)法進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算方法如公式(1)所示。

(1)

式中:Q1、Q2為每一時(shí)段的來水量;q1與q2為不同時(shí)間段的下泄流量;v1為此時(shí)刻的庫(kù)容量;v2為下一時(shí)刻的庫(kù)容量;t為時(shí)間。

在公式(1)的基礎(chǔ)上采用單輔助曲線法進(jìn)行計(jì)算,本次項(xiàng)目中的調(diào)洪計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 調(diào)洪計(jì)算結(jié)果

在數(shù)據(jù)計(jì)算過程中,應(yīng)根據(jù)水工建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與下游防洪標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算洪水流量過程線,在數(shù)據(jù)計(jì)算中的已知條件包括:①入庫(kù)洪水過程:下游允許水庫(kù)下泄的最大流量;②水庫(kù)汛期防洪限制水位;③泄洪建筑物的形式和尺寸。

在計(jì)算水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)量中,應(yīng)關(guān)注:①攔蓄洪水庫(kù)容與水庫(kù)的水位變化;②下泄洪水過程線[3]。

根據(jù)上述要求,數(shù)據(jù)的計(jì)算步驟包括:①通過已知的水庫(kù)水位容積關(guān)系曲線以及泄流建筑物方案,通過水力學(xué)公式計(jì)算庫(kù)容與下泄流量的關(guān)系曲線值;②在選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算時(shí)間段t值后,以秒為單位計(jì)算相關(guān)數(shù)值;③在確定計(jì)算時(shí)刻與此時(shí)刻的q1值與v1值之后,根據(jù)列表內(nèi)容計(jì)算數(shù)據(jù)。計(jì)算中需要核對(duì)每一計(jì)算時(shí)段的q2與v2值,其中先假定一個(gè)q2值之后,按照水量平衡方程計(jì)算出v2值,之后根據(jù)該數(shù)據(jù)查出q2,若此時(shí)查出的q2與假定數(shù)值不同,則需要重新假定一個(gè)q2值,再重復(fù)上述計(jì)算過程。通過反復(fù)進(jìn)行上述計(jì)算,直至兩個(gè)q2相同或者十分接近為止。(4)通過將計(jì)算的結(jié)果繪制成曲線,方便隨時(shí)查閱。

4.3 水庫(kù)泄洪能力分析

該水庫(kù)按照兩級(jí)控泄標(biāo)準(zhǔn),其中第一級(jí)安全泄流量為2000m3/s,相應(yīng)的防控標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇,其目的是保護(hù)周圍農(nóng)田以及其他經(jīng)濟(jì)作用種植區(qū);二級(jí)安全泄流量超過3000m3/s,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇,其標(biāo)準(zhǔn)是保護(hù)水庫(kù)下游的城市。

水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)與建筑物自身泄流能力存在密切關(guān)系,主要是指泄洪建筑物在水頭下的泄流能力,一般針對(duì)無(wú)閘溢洪道,該水頭下的泄流量與泄流能力是相同的;而針對(duì)有閘泄洪道,當(dāng)閘門全開時(shí)二者是相同的。從水工建筑物本身來看,當(dāng)泄洪道的尺寸與類型既定后,其泄流能力會(huì)隨著水頭變化而出現(xiàn)變化,其中可以用公式(2)計(jì)算溢洪道的泄流能力。

(2)

式中:q溢為溢洪道的泄流能力,m3/s;H0為行進(jìn)流速的堰頂水頭,一般可將看似等于堰頂水深,m;B為溢流堰的凈寬度,m;M1為溢流系數(shù),與堰體的類型有關(guān)。

而對(duì)于存在泄洪洞的水庫(kù),在計(jì)算中可以參照有壓管流公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算方法如公式(3)所示。

(3)

式中:q洞為泄洪洞的泄流能力,m3/s;H0為考慮行近流速v的堰頂水頭,非淹沒出流時(shí),H等于庫(kù)水位與洞口中心高程之差,淹沒出流時(shí),H為上下游水位之差,m;M2為流量系數(shù);ω為泄洪洞洞口位置的過水?dāng)嗝婷娣e,m2。

在數(shù)據(jù)計(jì)算中,針對(duì)特定的泄洪建筑物與水庫(kù),為簡(jiǎn)化調(diào)洪計(jì)算流程,相關(guān)學(xué)者通常將溢洪道與泄洪洞的泄流能力公式展開計(jì)算。根據(jù)公式(2)與公式(3)的相關(guān)內(nèi)容,當(dāng)行進(jìn)流速水頭不計(jì)時(shí),q為單值函數(shù)。

5 結(jié)果修正方案

因?yàn)闅夂驐l件復(fù)雜性的影響,在本次水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算中難以對(duì)入庫(kù)洪水的影響做定量與定性分析,但是從定性分析的角度來看,該水庫(kù)的攔蓄會(huì)直接影響洪水水量,尤其是在中小洪水年份,水庫(kù)的攔截水量多,導(dǎo)致入庫(kù)洪水水量異常。而根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可知,該水庫(kù)中所阻攔的大部分洪水為中小洪水,這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小。除此之外,因?yàn)樯嫌涡∷畮?kù)防洪能力較低,案例水庫(kù)發(fā)生校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),小水庫(kù)潰壩的可能性較大。鑒于以上原因,為了水庫(kù)防洪安全,應(yīng)對(duì)案例水庫(kù)校核標(biāo)準(zhǔn)洪水增加安全修正值。

所以在對(duì)資料條件以及抽樣誤差等關(guān)鍵數(shù)據(jù)展開綜合分析后,根據(jù)流域?qū)嶋H情況對(duì)水庫(kù)校核標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水洪峰流量,并在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上增加約10%的修正值,這種計(jì)算方法可以確保水庫(kù)防洪安全。

6 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算可以切實(shí)滿足水庫(kù)安全管理的要求,通過文章的計(jì)算結(jié)果可以計(jì)算出科學(xué)合理的洪水調(diào)節(jié)控制方案,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及歷史洪水調(diào)查方案等,可以在保證水庫(kù)蓄水功能的基礎(chǔ)上保護(hù)水庫(kù)下游的農(nóng)田與城市安全。文章的研究結(jié)果對(duì)于類似小型水庫(kù)的洪水調(diào)節(jié)管理有一定的指導(dǎo)作用,值得關(guān)注。