巖溶地區水庫工程設計洪水分析

羅姍姍，葉人源，何 鳳

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 工程概況

石板灘水庫位于龍里縣北部洗馬鎮石板灘村，水庫所在河流哪磅河為清水河上段落北河二級支流。石板灘水庫正常蓄水位1 337.00 m，相應庫容為318萬m3；校核洪水位1 337.30 m，相應庫容355萬m3；水庫擋水建筑物為單曲砌石拱壩，最大壩高32.0 m，壩頂弧長268.8 m，壩頂寬2.9 m，壩頂高程1 339.00 m；壩頂設溢洪道，溢流堰頂高程為1 337.00 m。

2 流域水文地質條件

水庫及附近區域碳酸鹽巖廣布，夾少量碎屑巖。其中強巖溶層組主要為P1m、P1q和C2hn中厚至厚層塊狀灰巖地層，分布于庫尾正常蓄水位以上及壩址下游，遠離庫盆，溶蝕強烈，洼地眾多，含水豐富。地下水主要以巖溶水和基巖裂隙水賦存，并以溶洞泉形式排出地表，在庫尾上游百花樹一帶發育Ks1、Ks2 2個巖溶大泉，枯流為50～150 L/s，是水庫主要基流補給源。水庫接納壩址以上流域來水及柏花樹洞泉水，水庫控制集水面積為9.5 km2(其中地表明流面積4.9 km2，屬本流域巖溶、洼地，經地下調蓄后進入河道1.0 km2；另外有外流域巖溶、洼地經地下調蓄后以泉水形式進入河道3.6 km2)，主河道長度3.825 km，平均坡降39.67‰，流域形狀系數0.335。

3 暴雨洪水特性

表1 設計流域不同頻率最大24 h、1h設計暴雨成果表 /mm

4 設計洪水

4.1 歷史洪水調查

根據壩上水位雨量遙測站記錄顯示，在2017年6月29，該水庫發生1次大洪水。當日16時18時，水庫水位超過堰頂高程(1 337.00 m)，但未超過壩頂高程(1 338.00 m)；根據當地45歲男子李波描述，歷史上1998年有次大洪水，水庫水位與2017年洪水相比稍大，水位略高，但是未超過防浪墻高程(1 338.70 m)。

2017年洪水水位超過堰頂高程0.68 m，水位達到1 337.68 m。考慮到被調查人對1998年前的洪水難記憶清楚，可靠歷史洪水最遠考證期僅能定在1998年。根據被調查人年齡，本次歷史洪水頻率以暴雨頻率為主，結合周邊站綜合分析。根據龍里氣象站年最大1日暴雨和年最大1 h暴雨系列分析，結合周邊其他氣象站資料，2017年洪水重現期約為20年一遇(下泄流量為58.2 m3/s ，1998年洪水重現期約為50年一遇。

4.2 設計洪水計算

本水庫工程的集水面積有地表和地下2個部分，2部分的產流、匯流條件不同。本次設計洪水采用組合疊加法、全流域分別進行計算。其中明流區洪水采用貴州省特小流域雨洪公式計算，閉流區洪水采用閉流區雨洪公式計算。

(1) 明流區設計洪水

(F≤10 km2)

(1)

式中：Qp為設計頻率P的洪峰流量，m3/s；r1為匯流系數，r1=0.36；f為流域形狀系數，f=F/L2；L為主河道河長，m；J為分水嶺至出口斷面的河道平均比降；F為明流區流域匯水面積，km2；C為洪峰徑流系數，0.825～0.873；SP為設計最大1 h點雨量，mm。

壩址設計洪量按下列公式計算：

W總=0.1·F·(H24p-Hs-△Hs)

(2)

式中：F為明流區流域匯水面積，km2；H24p為設計頻率最大24 h面雨量，mm；Hs為穩定雨損，mm；ΔHs為附加雨損，mm。將水庫壩址各參數代入以上計算公式，計算得水庫壩址不同頻率設計洪水，明流區天然設計洪水計算成果見表2。

表2 石板灘水庫明流區天然設計洪水成果表

(2) 閉流區設計洪水

閉流區集雨面積為4.6 km2，具有一定的調蓄作用[4-5]，因此采用《貴州省特小流域暴雨洪水計算標準》中閉流區洪水計算公式計算。經查看水文地質圖并結合調查，閉流區一次洪水歷時過程15 h，漲水歷時ta和退水歷時(T-ta)的比例可選定為(T-ta)/ta約3～4，則漲水歷時ta約為12 h，退水歷時(T-ta)約為36 h。計算公式為：

Qp閉=0.0231·C·Φ·H24p·A閉/T

(3)

式中：Qp閉為閉流區洪峰流量，m3/s；C為洪峰徑流系數(0.825～0.873)；Φ為暴雨點面折算系數，當F≤25 km2時，Φ=1；H24p為24 h設計面平均雨深，mm；A閉為閉流區流域匯水面積，F=4.6 km2；T為洪水總歷時，48 h。

閉流區設計洪量采用《貴州省特小流域暴雨洪水計算標準》(1993年1月修訂)中閉流區洪量計算公式計算。計算公式為：

Wp閉=C·Φ·H24p·A閉

(4)

式中：Wp閉為閉流區洪水總量, m3/s；C為洪峰徑流系數(0.823～0.875)；Φ為暴雨點面折算系數，當F≤25 km2時，Φ=1；H24p為24 h設計面平均雨深，mm；A閉為閉流區流域匯水面積，F=4.6 km2；石板灘水庫閉流區天然設計洪水成果見表3。

表3 石板灘水庫閉流區天然設計洪水成果表

(3) 設計洪水成果

石板灘水庫明流區和閉流區設計洪水過程線分別采用的概化過程線法計算，明流區取洪水形狀系數ρ=0.2的(三)類概化過程線型[6-9]，漲水面積率取a0=21.9%，采用設計洪量控制。從水庫壩前兩泉水匯流處到壩址處距離約1 km，按照2.5 m/s的洪水河槽演進速度計算，0.2 h達到壩址處，考慮閉流區錯峰0.3 h與明流區洪水疊加(錯峰疊加過程已考慮明流區與閉流區自身匯流時間差)，即為壩址處設計洪水成果。石板灘水庫設計洪水成果見表4。

表4 石板灘水庫天然設計洪水成果表

4.3 設計洪水成果合理性分析

若水庫壩址以上洪水計算考慮全流域產匯流，用暴雨洪水法進行洪水計算。2種方法設計洪水計算成果對比見表5。

表5 兩種方法設計洪水計算成果比較表

從表5可以看出，采用明流+伏流疊加計算和全流域明流計算洪峰成果差異較大，洪水總量差別較小。水庫壩址流域內無實測降雨資料，洪水由暴雨形成。本次設計洪水計算采用雨洪法分析，選取龍里氣象站作為參證站，并結合貴州省短歷時暴雨統計參數等值線圖，確定設計流域暴雨統計參數。本次設計洪水計算20年一遇洪峰流量為59.9 m3/s，成果與2017年6月29號場次洪水下泄流量(58.2 m3/s)接近。由此可見，采用明流+伏流疊加計算設計洪水成果較合理可靠。

5 結 論

巖溶地區水庫壩址以上明流區與伏流區產匯流特性差異巨大，因受到地下水通道和伏流洞調蓄作用，對天然洪水有明顯的削峰滯洪作用，特別是伏流區洪水過程變化較小時，出流較均勻呈基流形式。本文采用明流+伏流疊加和全流域明流2種計算方法，計算設計洪水成果對比分析表明：按全流域考慮設計洪水成果明顯偏大，采用疊加組合分析洪水計算成果與歷史洪水調查成果接近，由此可見疊加組合分析方法更為可行合理。