勝金臺水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水分析

肖 雄

（新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 838000）

0 引言

勝金臺水庫位于吐魯番市勝金鄉(xiāng)西南2.5 km處排孜瓦提村，南臨312 國道,水庫地處吐魯番盆地中央隆起帶的火焰山北翼，屬低山丘陵地貌，海拔高程110 m～156 m，總體地勢西北高南東低，該水庫已運(yùn)行10年以上，該區(qū)域無水文資料，因進(jìn)行除險(xiǎn)加固，需對水庫的洪水進(jìn)行分析。

1 概況

勝金臺水庫屬山前河間洪積平原地下水溢出帶，由泉水溝形成的天然洼地，地形為東北高西南低，洼地寬約0.3 km～1.0 km，該水庫為人工攔河筑壩而成。水庫于1959 年10 月修建，壩長350 m，壩頂高程101.00 m，正常蓄水位100.50 m，總庫容118.66×104m3，屬于小（Ⅰ）型灌注式水庫，工程等別為Ⅳ等，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇。該水庫主要是攔蓄勝金臺庫區(qū)以上勝金鄉(xiāng)排孜阿瓦提村的冬季閑水（泉水）,為緩解下游二堡鄉(xiāng)、三堡鄉(xiāng)多來年春季干旱缺水狀況。該庫為人工攔河筑壩而成，屬典型的“三邊”工程，現(xiàn)無任何施工圖紙和資料，目前上游混凝土護(hù)坡存在不同程度的沉降，混凝土臺階因凍漲導(dǎo)致破壞；閘井閘啟閉機(jī)螺桿損壞；水庫庫區(qū)淤積嚴(yán)重，致使水庫興利調(diào)節(jié)能力降低，嚴(yán)重影響了水庫興利庫容發(fā)揮，不滿足下游農(nóng)業(yè)灌溉的用水要求。據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，水庫大壩存在壩基滲漏與壩間滲漏，經(jīng)專家評審，大壩安全評價(jià)為三類壩，屬病險(xiǎn)水庫，必須除險(xiǎn)加固。

2 水庫水源分析

勝金臺水庫入庫水屬火焰山水系的山前溢出泉水，沿火焰山北緣分布。水庫周邊分布著數(shù)條坎兒井和泉眼，其中勝金鄉(xiāng)排孜阿瓦提村1 #、2 #和排孜阿瓦提3 #的冬季閑水引入水庫，水庫上游泉水年平均流量為0.426 m3/s,年徑流量為1343.434 萬m3，其中年均入庫水量為879×104m3。勝金臺庫區(qū)周邊泉水多在上游0.1 km～3 km處出露，泉水經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后穿過吐魯番市著名風(fēng)景區(qū)—火焰山進(jìn)入下游二堡鄉(xiāng)和三堡鄉(xiāng)平原灌區(qū)。泉水溝形成的天然洼地周邊土壤巖性以粘性土為主，局部土壤夾砂礫石，屬中等透水～弱透水層。地下潛水由北向南徑流，與地形傾向基本一致，庫區(qū)地下水埋深3.50 m～6.00 m。水庫周圍有少量蘆葦、農(nóng)田和草甸。

3 暴雨成因及特性

勝金臺水庫區(qū)域緊靠火焰山，該區(qū)域降雨稀少，多年平均降水量16.6 mm，而蒸發(fā)量達(dá)2284 mm～3608 mm，夏季干燥酷熱，冬季嚴(yán)寒多風(fēng)，屬極度干旱區(qū)。但當(dāng)遭遇大尺度的天氣過程時(shí)，所形成暴雨過程降水量大，雨區(qū)范圍廣，持續(xù)時(shí)間長，常常形成區(qū)域性暴雨洪水。中小尺度天氣系統(tǒng)形成的暴雨，降水歷時(shí)短，降水量集中，強(qiáng)度大，降水籠罩面積小，這類暴雨在局部區(qū)域時(shí)有發(fā)生。如1958 年8 月11 日、1960 年 6 月 18 日、1984 年 6 月 17 日、2006 年 7 月 4 日和2007 年8 月等幾次大降水，大多是低渦系統(tǒng)影響所致。據(jù)調(diào)查，該區(qū)域平均每一年就發(fā)生一次較大暴雨降水過程，同時(shí)在戈壁荒漠區(qū)形成洪水，匯集后穿越勝金臺鄉(xiāng)村公路橋涵進(jìn)入勝金臺水庫。

4 暴雨洪水分析

勝金臺水庫區(qū)域?qū)贌o水文資料區(qū)域，本次分析計(jì)算僅有1984 年 3 月、2007 年 7 月 4 日、2008 年 2 月 21 日和 3 月 1 日吐魯番水文局4 次調(diào)查的一些資料。其中包括一些調(diào)查訪問資料。

4.1 歷史洪水調(diào)查

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，進(jìn)入勝金臺水庫洪水溝只有一條，洪水入庫調(diào)查斷面位置E89°38′34.5″，N42°56′25.5″。該洪溝位于勝金臺鄉(xiāng)村公路東北方向，洪水主要產(chǎn)自于勝金臺以北鐵路線以下63 km2的戈壁荒漠區(qū)。

4.2 設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算

因工程區(qū)域無暴雨和洪水資料，加之上游洪溝溝口至入庫斷面區(qū)域戈壁漫灘嚴(yán)重，人文活動(dòng)影響較多，未能找到明顯的洪水影子、洪水?dāng)嗝婧秃樗圹E，無法正常進(jìn)行洪水調(diào)查。

無資料區(qū)域根據(jù)周邊水文資料條件采用不同的計(jì)算方法。在一般情況下，采取多種途徑計(jì)算，綜合分析論證和合理選用成果，本次洪水主要以洪峰模數(shù)法、調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法和推理公式法推求水庫上游洪水淹沒區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果，經(jīng)幾種方法比選后推薦最終確定勝金臺水庫入庫設(shè)計(jì)洪水成果。

4.2.1 洪峰、洪量模數(shù)法

根據(jù)臨近長系列站煤窯溝站洪峰流量和時(shí)段洪量為樣本，基于安全考慮，采用以面積比指數(shù)因子修正的洪峰、洪量模數(shù)法估算勝金臺水庫設(shè)計(jì)洪水成果，結(jié)果見表1。

表1 勝金臺水庫以上區(qū)域設(shè)計(jì)洪水成果（洪峰模數(shù)法）

4.2.2 調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法

勝金臺水庫上游只有蘇倫溝和勝金鄉(xiāng)雨量站2013 年～2017 年降水量和2017 年最大一次降水量資料，由于資料年限短缺，無法做頻率計(jì)算。因此，本次用周邊河流煤窯溝長系列站作為參證站。

（1）參證站最大1 日和最大24 小時(shí)設(shè)計(jì)雨量計(jì)算

用煤窯溝站1978 年～2018 年實(shí)測最大1 日和最大24 時(shí)點(diǎn)降水量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，得出多年平均最大1 日和最大24 小時(shí)降雨量、CV、CS及各頻率設(shè)計(jì)值（見表2）。頻率曲線圖見圖1。

表2 煤窯溝最大1日和24小時(shí)降雨量頻率計(jì)算成果表

圖1 煤窯溝站最大1日和24小時(shí)點(diǎn)降水量頻率曲線圖

（2）勝金臺水庫以上區(qū)域最大24 小時(shí)設(shè)計(jì)點(diǎn)、面雨量計(jì)算

根據(jù)勝金臺水庫上游現(xiàn)有雨量資料顯示，蘇侖溝雨量站一次最大降水量為20.6 mm，勝金鄉(xiāng)雨量站一次最大降水量為9.7 mm，該水庫離勝金鄉(xiāng)雨量站只有2 km，區(qū)域點(diǎn)降水量10 mm左右。

再根據(jù)1956 年～2010 年吐魯番盆地降雨量等值線圖查看，該水庫區(qū)域也基本分布于10 mm～25 mm降雨量等值線區(qū)內(nèi)，接近10 mm降水量等值線。

以《新疆可能最大暴雨圖集》為依據(jù)查暴雨圖集和周圍氣象站近幾年實(shí)測雨量資料，水庫上游中心多年平均24 h暴雨均值H24=10.0 mm。

因此，可以確定該水庫上游最大24小時(shí)雨量平均值為10 mm。用煤窯溝站最大24 小時(shí)設(shè)計(jì)頻率參數(shù)CV=0.7，CV/CS=4.0，計(jì)算勝金臺水庫區(qū)域點(diǎn)雨量設(shè)計(jì)暴雨成果，再根據(jù)《新疆短缺資料中小河流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算應(yīng)用方法》一書表5-2 點(diǎn)面降雨量折算系數(shù)參考表中吐哈地區(qū)折算系數(shù)1.263，可計(jì)算出面雨量設(shè)計(jì)值，結(jié)果見表3。

表3 勝金臺水庫以上區(qū)域點(diǎn)面降雨量設(shè)計(jì)值

（3）產(chǎn)流計(jì)算

以《新疆短缺資料中小河流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算應(yīng)用方法》一書表5-21 新疆各分區(qū)最大24 小時(shí)概化雨型分配比例表，見表4。

表4 吐哈片最大24小時(shí)概化雨型分配比例表

依據(jù)最大24 小時(shí)逐時(shí)雨量過程分配比，計(jì)算設(shè)計(jì)流域最大24 小時(shí)設(shè)計(jì)面雨量逐時(shí)分配。

（4）匯流計(jì)算

根據(jù)面雨量時(shí)程分配過程和勝金臺水庫以上面積91.7 km2，以此試算凈雨總量、徑流系數(shù)和洪峰流量、時(shí)段洪量和洪水過程，結(jié)果見表5。

表5 勝金臺水庫上游設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果表

（5）洪水過程線的推求

先計(jì)算出各種頻率產(chǎn)流期的平均凈雨強(qiáng)度i凈=R凈/tc，因?yàn)樵诟鞣N設(shè)計(jì)條件下的雨強(qiáng)較大，因此主凈雨到峰現(xiàn)的時(shí)差tm可以近似等于0，則調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法的漲洪時(shí)段為n-1，選擇匯流計(jì)算時(shí)段Δt=2，便可求出調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法的各種頻率公比 b=（T0-0.5Δt）/（T0+0.5Δt）及首項(xiàng)退水比u1=1-b，進(jìn)而推求退水公比為b的無窮遞減等比級數(shù)。

計(jì)算出整個(gè)單位線的u值。將各Δt時(shí)段的凈雨量換算成凈雨流量Ii，I=FR/（3.6×Δt），其中R為Δt時(shí)段內(nèi)凈雨量，求出i凈后乘以u值依次疊加便得出地面徑流過程（基流等于0），同時(shí)推求出24 h洪量，見圖2。

圖2 勝金臺水庫設(shè)計(jì)洪水過程線圖

4.2.3 推理公式法

根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 44-2006）及《水利水電設(shè)計(jì)洪水計(jì)算手冊》等參考技術(shù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合該流域下墊面條件，分別選用不同的參數(shù)，采用推理公式法，推算出勝金臺水庫設(shè)計(jì)洪峰流量。

集水面積91.7 km2、主河溝長度30 km，平均坡降67.3‰。

根據(jù)《新疆短缺資料中小河流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算應(yīng)用方法》一書推薦參數(shù)，吐哈地區(qū)點(diǎn)、面折算系數(shù)為1.263。

暴雨指數(shù)：為了準(zhǔn)確確定暴雨遞減指數(shù)，以周邊煤窯溝站2012 年～2018 年實(shí)測降水摘錄表，統(tǒng)計(jì)1 h、6 h和24 h雨量，經(jīng)計(jì)算n1-6在 0.37～1.0 之間，n6-24在 0.66～0.98 之間，從地理位置來分析n1-6、n6-24暴雨遞減指數(shù)與表5.4-6 中天山南坡西段n1-6、n6-24遞減指數(shù)基本吻合，因此，本次以煤窯溝站實(shí)測資料計(jì)算的n6-24均值0.78 作為勝金臺水庫以上區(qū)域暴雨遞減指數(shù)。

土壤損失系數(shù)R和土壤損失指數(shù)r分別為0.9 和0.62；下墊面類型為3 類。

式中：QMP為設(shè)計(jì)洪峰流量，ms/s；Sp為設(shè)計(jì)雨量，mm/h；τ為流域匯流歷時(shí)，h：α為洪峰徑流系數(shù)；F為流域面積，km2；0.278 為單位換算系數(shù)。

采用推理公式法計(jì)算成果見表6。洪水過程線和時(shí)段洪水總量分別按五邊形法估算,見表6、圖3。

表6 勝金臺水庫設(shè)計(jì)洪峰流量成果表（推理公式法）

圖3 勝金臺水庫設(shè)計(jì)洪水過程線圖（五邊形法）

通過以上幾種方法計(jì)算比較可以看出，成果相差比較大，分析原因：

（1）勝金臺水庫是泉水注入為主，其水庫上游與煤窯溝站集水面積相差較大、洪水特性也有所不同，由于水庫上游受人文影響無法找到洪水痕跡，據(jù)了解前幾年當(dāng)?shù)匾舶l(fā)生過降雨入庫（水庫未受災(zāi)）。

（2）調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)法和推理公式法較多參數(shù)需確定且無實(shí)測資料，各種參數(shù)存在不確定性。

調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)法是無水文資料的中小流域設(shè)計(jì)洪水一種適用的方法，要通過圖表查算、產(chǎn)流試算、匯流計(jì)算來完成，計(jì)算較為繁雜，且存在圖表查算缺乏唯一性的缺憾（時(shí)段洪量只算1 日和3 日）。

推理公式法選用相鄰流域參證站—煤窯溝站的最大1 日、最大24 小時(shí)降水量和暴雨圖集資料進(jìn)行設(shè)計(jì)流域的洪水計(jì)算，資料系列可靠，代表性較好，在暴雨遞減指數(shù)、土壤損失等參數(shù)的選用上，主要參考設(shè)計(jì)洪水計(jì)算常用方法中提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（時(shí)段洪量只算1 日）。

綜合考慮，推薦采用調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)成果，作為勝金臺水庫入庫設(shè)計(jì)洪水。成果見表7。

表7 勝金臺水庫入庫設(shè)計(jì)洪水成果（最終）

5 結(jié)語

勝金臺水庫入庫水源主要是泉水和冬閑時(shí)的坎兒井水、自流井水。本流域無水文、氣象資料，為了水庫除險(xiǎn)加固需要，本次分析充分利用了本區(qū)域以及以往收集到的實(shí)測水文資料，并結(jié)合洪水調(diào)查，對洪水采用推理公式法和調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行了計(jì)算，從安全角度出發(fā)，推薦采用調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行計(jì)算。