防洪排導工程設計流量計算方法分析

李天宇，葉 雷

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

當前水土保持行業技術規范主要有GB 50433—2008《開發建設項目水土保持技術規范》(全文簡稱《08技術規范》)、GB 51018—2014《水土保持工程設計規范》(全文簡稱《14設計規范》)、SL 575—2012《水利水電工程水土保持技術規范》以及其他地方性行業性規范等[1]。各版本技術規范中關于防洪排導設計流量的計算方法存在一定差異，相應計算成果及其應用適用性方面存在不同[2]。為確保設計洪水計算成果與工程實際具有較高匹配性，優選工程實踐應用較多的《08技術規范》和《14設計規范》兩個規范中關于截排水設計流量計算方法為基礎，以桐梓縣巖門子水庫棄渣場截排水設計流量為例，分別計算重現期3年一遇、5年一遇、10年一遇和15年一遇的截排水設計流量，并對比分析計算成果的差異性及變化趨勢。通過探索不同計算方法的特點和適用范圍，為水土保持工程設計提供技術指導[3- 4]。

1 工程概況

桐梓縣巖門子水庫位于貴州省桐梓縣夜郎鎮，水庫作為“三位一體”及“貴州省水利建設三大會戰”水利規劃項目之一，工程任務為桐梓煤電鋁加工一體化產業園、周邊集鎮規劃及下游灌溉主要供水水源。水庫正常蓄水位692m，總庫容1073萬m3，中型水庫，為Ⅲ等工程。工程區屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫14.8℃，全年≥10℃有效積溫5315℃，多年平均降水量1065.1mm。棄渣場位于大壩下游2.2km處夜郎河右岸有一深切槽谷，堆渣高程585.00～603.00m，渣體外坡1∶2.0，渣場容量約45萬m3，占地約5.08hm2。棄渣場上游以坡耕地及灌木林地為主，植被覆蓋率65%以上，集雨面積約2.28km2。

2 設計流量計算

2.1 《08技術規范》

規范中防洪排導工程部分的洪峰流量計算函數表達為[5]：

Q=0.278k·i·F

(1)

式中，Q—設計洪峰流量，m3/s；k—徑流系數，根據《08技術規范》巖門子水庫所在地取0.6；i—不同頻率平均1h降雨強度，mm/h；F—集雨面積，棄渣場上游集雨面積約2.28km2。根據“貴州省短歷時暴雨等值線圖”有關等值線圖查算，巖門子水庫所在地貴州省桐梓縣1h暴雨均值42.00mm，Cv=0.42，Cs=3.5Cv。根據適線法計算可得各頻率1h降雨強度，見表1。

表1 各頻率1h降雨強度(i)

2.2 《14設計規范》

規范水文部分的設計流量計算函數表達為[6]：

Q=16.67Φ·q·F

(2)

式中，Q—設計洪峰流量，m3/s；Φ—徑流系數，根據《14設計規范》巖門子水庫所在地取0.6；F—集雨面積，棄渣場上游集雨面積約2.28km2；q—設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度，mm/min，其函數表達為：

q=Cp·Ct·qP，10

(3)

式中，Cp—重現期轉換系數，為設計重現期降雨強度qp同標準重現期降雨強度q10的比值，查表得巖門子水庫所在地貴州省桐梓縣重現期3年一遇Cp=0.86、5年一遇Cp=1.00、10年一遇Cp=1.17、15年一遇Cp=1.27；Ct—降雨歷時轉換系數，為降雨歷時t降雨強度qt同10min降雨歷時降雨強度q10的比值，查表得巖門子水庫所在地貴州省桐梓縣不同頻率10min轉換系數C10均值為1.00；qP，10—不同重現期和10min降雨歷時的標準降雨強度，mm/min；根據“貴州省短歷時暴雨等值線圖”有關等值線圖查算，10min暴雨均值16.00mm，Cv=0.40，Cs=3.5Cv，根據適線法分析可得各頻率降雨強度計算成果，見表2。

表2 各重現期10min短歷時降雨強度

根據表2適線法計算成果可知：q3，10=1.73mm/min、q5，10=2.05mm/min、q10，10=2.46mm/min、q15，10=2.68mm/min。將計算值代入公式(3)分析得各重現期10min歷時平均降雨強度計算成果，見表3。

表3 各重現期10min歷時平均降雨強度

3 設計流量對比分析

3.1 計算結果

根據《08技術規范》設計流量計算方法，按公式(1)分析得不同重現期設計流量計算成果，見表4。

表4 《08技術規范》各重現期設計流量(Q)計算成果

根據《14設計規范》設計流量計算方法，按公式(2)分析得不同重現期設計流量計算成果，見表5。

表5 《14設計規范》各重現期設計流量(Q)計算成果

3.2 計算結果分析

采用《08技術規范》和《14設計規范》兩種方法分別計算巖門子水庫棄渣場截排水工程不同重現期降雨設計流量，不同之處在于《08技術規范》采用歷時1h降雨強度，而《14設計規范》采用歷時10min平均降雨強度。根據表4和表5計算成果對比分析可知：

(1)重現期為3年一遇時Q2014/Q2008=1.96、重現期為5年一遇時Q2014/Q2008=2.27、重現期為10年一遇時Q2014/Q2008=2.63和重現期為15年一遇時Q2014/Q2008=2.84。從變化趨勢上分析，隨著重現期加長設計流量對比有逐漸變大趨勢。

(2)造成《08技術規范》和《14設計規范》兩種計算方法相同重現期設計流量計算成果具有較大差異的主要原因為：降雨強度歷時選擇不同，重現期相同條件下降雨強度10min短歷時暴雨暴漲暴落，而1h降雨強度則相對均勻。

(3)根據《08技術規范》和《14設計規范》設計流量計算成果特點，結合貴州山區降雨暴漲暴落特點，筆者建議防洪標準重現期要求為10年一遇及以下重現期時，宜選用《14設計規范》進行設計流量計算；而當防洪標準重現期大于10年一遇時，宜選用《08技術規范》進行設計流量計算。

(4)由于設計流量計算成果差異，將導致防洪排導工程結構尺寸設計存在不同。若采用的設計流量值過小，則防洪排導水工建筑物結構性能可能存在安全隱患；而采用的設計流量過大，則可能造成防洪排導水工建筑物結構尺寸設計經濟性較差。因此，應根據工程實際特性，合理選擇設計流量計算方法。

3.3 巖門子水庫棄渣場設計流量選擇

巖門子水庫棄渣場容量45萬m3，下游為綦江右岸一級支流夜郎河，基于后期防洪排導工程運行安全性考慮，綜合分析選擇《14設計規范》重現期10年一遇洪峰流量標準設防。根據試算排洪溝采用M7.5漿砌石修砌，結構形式采用梯形斷面(邊坡系數0.5)，設計底寬2.00m，設計水深1.55m，設計底坡10%，排洪溝過流能力68.20m3/s大于設計洪峰流量65.64m3/s。

4 結論

(1)《08技術規范》和《14設計規范》作為目前水土保持行業正在施行的主要技術規范，防洪排導設計流量計算結果存在較大差異，其采用的設計流量值會直接影響到防洪排導工程結構斷面的安全性和經濟性。

(2)巖門子水庫棄渣場防洪排導工程設計選用《14設計規范》，設計斷面安全性相對較高，防洪排導水工建筑物結構性能較好。

(3)目前水土保護行業不同規范中關于洪峰流量計算方法各有特點，就全國范圍而言不同地域不同降雨重現期設計流量計算方法的合理選擇，還有待廣大水土保持工作從業者通過更多工作實踐和技術總結進行優選，以便為防洪排導工程安全、經濟設計提供借鑒參考。