臥龍河水庫大壩安全評價的防洪能力復核

王西瑤

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

0 前 言

水庫大壩包括永久性擋水建筑物以及與其配合運用的泄水、輸水、過船等建筑物。水庫大壩一旦存在質量問題，將會嚴重影響工程效益的發揮和水庫的安全運行，制約下游工農業生產的發展，若造成潰壩其后果更是難以想象。因此，為保護人民生命財產的安全，鞏固和發展水庫的工程效益，根據水電站大壩安全運行管理有關規定，水庫大壩需進行定期安全評價。

1 防洪標準復核

1.1 水文

1.1.1 流域概況

臥龍河發源于老爺嶺山脈，從牡丹江右岸一級支流蛤蟆河左岸由南向北匯入蛤蟆河，為牡丹江二級支流。臥龍河流域北部為牡丹江與蛤蟆河形成的三角平原區，南部為老爺嶺山脈，西鄰牡丹江一級支流馬蓮河，東至蛤蟆河支流八道河。流域地理位置在E129°22'-129°28'，N43°56'-44°10'之間。臥龍河水庫位于寧安市石巖鎮南17km，地理位置位于E129°23'27.17″，N44°03'41.23″，臥龍河水庫壩址以上集水面積120km2。

蛤蟆河流域地處寒溫帶季風氣候區。由于受太平洋季風及西伯利亞高壓影響，夏秋季濕熱多雨，冬春季寒冷干燥，夏季最高氣溫達36.2℃，冬季最低氣溫-40.1℃，多年平均氣溫為3.5℃。臥龍河水庫多年平均降水量為562.6mm，降雨主要集中在6月份-9月份。多年平均蒸發量為658.1mm(樺樹川水庫E601蒸發器)。

1.1.2 水文基本資料

臥龍河流域內只有一處水文站即水庫專用水文站，具有建庫后1977年-2018年實測壩上水位、泄量、降水量等資料，水庫所在流域上游有一處水庫專用雨量站。具有1977年-2018年降雨資料。

新農站位于蛤蟆河中下游，為國家基本水文站，具有1957年-1970年逐日觀測資料。金坑站位于牡丹江一級支流馬蓮河上游，為國家基本水文站，具有1970年-1989年的逐日觀測資料。

1.2 洪水

1.2.1 洪水特征

臥龍河流域受氣候影響，洪水分為春夏兩個汛期：春汛洪水一般發生在4、5月份，由融雪徑流形成，峰量小、歷時短；夏汛洪水一般發生在7、8月份，由暴雨形成，由于該水庫屬山區河流，河道比降陡，水庫上游暴雨量大，其洪水陡漲陡落，峰高量小，歷時較短，一般不足兩天，過程線尖瘦。

1.2.2 設計洪水

1.2.2.1 洪水系列

1)實測洪水

①洪峰流量還原

洪峰還原計算按以下水量平衡公式：

Qm=(V2-V1)/△t+q

(1)

式中：V1、V2為時段始末庫容，據水庫實測壩上逐時水位查庫容曲線確定，m3；Δt為時段長；q為時段平均泄流量，m3/s。

該水庫僅有1987年、1991年兩個大水年的洪水逐時觀測資料，按現有資料還原了這兩個大水年的洪峰流量及其過程線。

②洪量

本站洪量系列可根據水庫還原的逐日平均流量進行統計，計算公式為：

W壩=[±△V+Q+(E+D-P)×10-1×f]
×(1+f/F)

(2)

式中：W壩為壩址天然來水量，104m3；△V為計算時段庫容差，104m3；Q為日出庫流量，包括溢洪道和輸水洞流量，104m3；E為水庫蒸發損失，mm；D為水庫滲漏損失，mm；P為實測降水量，mm；f為計算時段平均庫面面積，km2；F為壩址以上集水面積，km2。

2)洪水系列插補延長

水庫附近各水文站均無與本站同步的1987年-2018年洪量系列，不能進行相關分析，只能利用上述水文站新農站、金坑站按面積比指數并進行暴雨量修正的方法銜接延長洪水系列。具體方案為由新農站、金坑站分別插補1957年—1970年、1971年—1985年的洪峰洪量；大水年用相應年份的最大1d暴雨量修正洪峰與1d洪量，用最大3d與最大1d降水的差值修正3d洪量，用最大3d暴雨量修正7d洪量。上述資料與水庫站還原的1986-2018年洪量組成臥龍河水庫站洪量系列。根據延長的1986年以前的和還原的1987年、1991年峰量系列繪制峰量關系圖，按洪峰與1d洪量關系插補1986年—2018年的洪峰。計算公式如下：

(3)

式中：F為水庫壩址集水面積，km2；F參為新農站、金坑站集水面積，km2；i為洪量時段，i取1、3、7；n為面積比指數，按圖集分析成果，1、3、7d洪量分別為0.83、0.85、0.87；Km為洪峰雨量修正系數；Ki為洪量雨量修正系數。

3)歷史洪水

調查的歷史洪水年份為1928年和1960年，壩址處洪峰流量分別為273m3/s和345.2m3/s。歷史洪水洪量可按水庫站洪峰與1d洪量關系插補而得。

綜上，水庫壩址洪水系列由還原、面積比指數轉換、相關和調查歷史洪水組成62年不連續系列。

1.2.2.2 頻率分析

根據上述洪水樣本系列和處理方案，采用1957年-2018年洪峰、洪量系列和1928年、1960年歷史特大洪水組成不連續系列進行頻率分析，歷史洪水作為特大值進行處理。采用P-Ⅲ型頻率曲線Cs=2.25Cv，盡量照顧點群趨勢，以大、中洪水經驗點據與理論曲線擬合較優為原則進行適線，確定洪水特征值統計參數。洪水成果見表1。

m3/s、104m3

本次洪水復核與原設計洪水成果比較，成果見表2。

從表中可以看出，延長洪水系列至2018年后本次設計洪水成果比原設計洪水洪峰及洪量基本均偏小；從安全角度出發，本次仍采原設計推求的設計洪水值。

1.2.3 設計洪水過程線

設計洪水過程線采用典型洪水過程線按同頻率控制放大。典型年采用1987年水庫實測洪水的還原過程線，洪水歷時3d，時段為2h。以此為典型縮放的設計洪水過程線見圖1。

1.3 調洪計算

1.3.1 工程任務及規模

根據《防洪標準》(GB50201-2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)，該水庫為中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級，山區永久性水工建筑物洪水標準為50a一遇洪水設計，1000a一遇洪水校核。

1.3.2 洪水調度原則

臥龍河水庫下游約3km處有一處村落，其防洪安全問題可由水庫解決。將防洪控制斷面選在此村落下游，20a一遇情況下，區間洪峰為34.1m3/s，因此水庫控制流量采用70m3/s。根據水庫下游防洪要求，調洪按一級控制調度。20a一遇洪水時，水庫控制泄洪，下泄流量不超過70m3/s；50a一遇洪水先按20a一遇洪水操作，當水庫水位超過20a一遇水位時，敞開閘門按泄流能力自由泄流，但水庫的泄流量不能超過入庫的洪峰值，1000a一遇校核洪水調度原則與設計洪水時相同。

表2 臥龍河水庫設計洪水成果對比表

圖1臥龍河水庫設計洪水過程線

1.3.4 泄流曲線

水庫溢洪道泄流能力復核按下式計算：

Q=MBH3/2

式中：M為流量系數(M=1.45)；B為溢洪道凈寬(B=12m)；H為堰頂水頭，m。

1.3.5 起調水位

起調水位采用水庫的汛期限制水位409.65m。

1.3.6 調洪計算

根據上述洪水調度原則和泄洪建筑物泄流能力，進行洪水調節計算，調洪計算實用公式如下：

本次水庫洪水調洪成果見表3。

表3 臥龍河水庫調洪成果表

2 設計洪水評價與調洪結論

與原設計相比，本次的資料系列已延長到2018年，設計洪水計算時，為了保證水庫的安全，洪水參數頻率計算和適線時重點考慮歷史洪水和較大實測洪水年份，通過本次延長系列后計算的設計洪水成果來看，洪峰流量各頻率的設計值比消險加固成果小7.6%；1d洪量各頻率的設計值比消險加固成果小0.6%-2.2%；3d洪量各頻率的設計值比消險加固成果小4.1%-4.7%；7d洪量各頻率的設計值比消險加固成果小7.4%。《中華人民共和國水庫大壩安全評價導則(SL258-2017)條文說明》中規定：“如延長洪水系列后計算結果比原來的更小時，為安全起見，仍采用原設計洪水系列”，故本次設計洪水仍采用原設計成果。由此看來，水庫設計采用的設計洪水是安全的。通過調洪成果對比表可知，本次設計成果與原設計成果基本相同，采用原設計成果。水庫洪水調度運用方式符合臥龍河水庫的特點、滿足大壩安全運行的要求。

3 結 論

防洪能力復核的目的是根據水庫設計階段采用的水文資料和運行期延長的水文資料，并考慮建成大壩后上下游地區人類活動的影響以及水庫工程現狀，進行設計洪水復核和調洪計算，評價大壩現狀防洪能力是否滿足現行有關標準要求。