天子崗水庫抬高汛限水位的影響分析

毛才傳1，李靈軍2，臧振濤

(1.浙江省安吉縣天子崗水庫管理站,浙江 安吉 313310；2.水利部綜合事業局，北京 100053；3.浙江水院勘測設計研究有限公司，浙江 杭州 310018)

1 水庫概況

天子崗水庫位于浙江省安吉縣西北部黃土丘陵地區，西苕溪支流渾泥港北源泥河上游，壩址位于天子湖鎮上游2 km處。水庫集雨面積23.80 km2，總庫容1 801萬m3，主要功能為供水、灌溉，并發揮防洪、發電，水庫規模為中型水庫。該水庫按100 a一遇洪水設計，設計洪水位25.37 m(85高程，下同)，相應庫容1 497.10萬m3；按2000年一遇洪水校核，校核洪水位26.34 m，相應庫容1 801萬m3；正常蓄水位23.16 m，相應庫容935.30萬m3；死水位16.66 m，死庫容38.60萬m3。

天子崗水庫現狀汛限水位為23.16 m，相應庫容935.30萬m3，由于該地區受雨季影響較大，汛期降雨豐富、汛后雨量減少，使得水庫汛期棄水量大，汛后可蓄水量少，造成水資源的大量浪費，沒有發揮中型水庫應有的效益。蓄水量不足的問題也對該地區的經濟、社會發展起到阻礙作用，為此，擬將該水庫的汛限水位從目前的23.16 m抬高到24.16 m。文章結合汛限水位抬高后大壩運行條件發生變化的情況，分別從防洪安全、大壩滲流與結構安全等角度分析論證汛限水位抬高后對大壩安全影響，進而為汛限水位抬高提供技術支撐。

2 對水庫防洪安全影響分析

2.1 防洪標準

天子崗水庫為中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別3級。根據本工程的規模，依據《防洪標準》《水利水電工程等級劃分及洪水標準》有關規定和天子崗水庫的原設計及安全鑒定成果，水庫設計洪水標準為100年一遇(P=2%)、校核洪水標準為2000年一遇(P=0.05%)。

天子崗水庫汛限水位抬高后工程現狀沒有改變，調度原則仍按新調汛限水庫為24.16 m，臺汛期24.16 m，正常水位24.16 m進行調控。

2.2 設計洪水

天子崗水庫最大暴雨雨型按《浙江省短歷時暴雨圖集》計算。最大一日排在第二天，第一天為(H三日-H24)的60%，第三天為(H三日-H24)的40%。時段分配系數運用暴雨衰減指數法推求，按照2003年版《浙江省短歷時暴雨》中規定，由暴雨圖集求得的各歷時設計暴雨求得暴雨衰減指數；產流采用蓄滿產流的簡易扣損法，初損Io=20 mm，后損為1 mm/h；匯流計算應用浙江省推理公式法，匯流參數m與流域的幾何特征和植被條件有關，采用浙江省匯流參數綜合公式計算。

經計算，天子崗水庫2000年一遇洪水洪峰流量為668 m3/s，洪量為1 213×104 m3。他頻率設計洪水成果見表1。

2.3 防洪影響分析計算結果

采用寬頂堰泄流公式(如式1)計算溢洪道泄流能力，溢洪道下泄流量與水庫水位由調洪計算確定。調洪計算成果見表2。

表1 設計洪水成果表

(1)

式(1)中:Q—下泄流量(m3/s)；B—溢流堰總凈寬(m)，取15.00 m；m—二元水流寬頂堰流量系數；ε—閘墩側收縮系數；H0—計入行進流速水頭的堰上總水頭。

表2 調洪計算成果表

采用能量方程，用分段求和法計算溢洪道排水渠水面線。計算工況為：①水庫設計洪水位(p=1%)為25.37 m時，溢洪道相應下泄流量為62.90 m3/s；②水庫校核洪水位(p=0.05%)為26.34 m時，溢洪道相應下泄流量為108.40 m3/s。計算結果如表3。正常溢洪道泄流曲線圖如圖1，而相應的庫容一水位曲線圖如圖2。

表3 正常溢洪道排水渠水面線計算成果表

圖1 正常溢洪道泄流曲線圖

圖2 庫容-水位曲線圖

根據汛限水位抬高后的調度原則進行調洪計算，水庫集水面積為23.80 km2，設計洪水的產流計算中采用初損后損法，而匯流計算采用推理公式法。在產流計算時認為流域內土壤最大含水量為100 mm，土壤前期含水量為80 mm，則初損為20 mm，降雨期間蒸發量(即后損)為1 mm/h。

將本次洪水成果與2016年洪水復核成果進行比較，比較結果見表4。

表4 天子崗水庫不同階段設計洪水成果比較表

由表4中有關天子崗水庫不同階段設計洪水成果可知，頻率為0.05%、0.10%、0.20%、1%、2%的洪峰流量總體接近，相對誤差<5%；頻率為5%、和10%的洪峰流量分別為6.15%和9.67%，考慮到設計暴雨的成果存在偏差，以及在匯流計算時采用了不同的匯流時間等誤差因素，綜合認為抬高汛限水位后的洪水計算成果是合理可靠的，抬高汛限水位對水庫防洪安全基本沒造成新的影響。

3 對水庫大壩安全影響分析

3.1 對大壩穩定影響分析

依據水庫汛限水位由23.16 m抬高到24.16 m后的工況條件，采用加拿大軟件GEO-SLOPE有限元分析系統中SLOPE程序計算，根據《碾壓式土石壩設計規范》規定，壩坡穩定分析主要考慮以下幾種工況：施工期的上、下游壩坡穩定性；上游為設計水位，下游無水時下游壩坡的穩定性；上游為校核水位，下游無水時下游壩坡的穩定；水庫水位由校核水位降落到正常蓄水位時上游壩坡的穩定性。計算結果見表5。

表5 主壩穩定分析計算結果表

從計算結果知上、下游壩坡抗滑穩定的安全系數均大于《碾壓式土石壩設計規范》要求，即水庫抬高汛限水位后，主壩上、下游壩坡的穩定仍滿足規范要求。

3.2 對庫水頭及水位驟降工況發生變化的安全影響。

對水庫上游庫水位在1 h內由正常蓄水位24.16降低到死水位16.66 m，下游水位為19.00 m工況下的上游壩坡穩定性進行分析。計算時取總歷時200×10′ s，分200步計算。結果顯示，在庫水位驟降工況下，上游壩坡安全系數呈先降低，后逐漸增大的趨勢。在非飽和穩定滲流基礎上分析水位驟降工況下，上游壩坡安全系數呈先下降，由1.81逐漸降至1.41，后又緩慢增大至1.66的趨勢。但在庫水頭驟降工況發生變化時，水庫大壩安全系數均滿足規范要求。

4 抬高汛限水位效益與社會影響分析

4.1 對水庫興利的影響分析

針對天子崗水庫汛期棄水量大、汛后蓄水不足的問題，考慮到抬高汛限水位，充分發揮水庫汛期蓄水功能，能夠有效增加水庫的興利庫容，有效提高水庫的興利效果。水庫設計時的汛限水位為23.16 m，按徑流長系列至2019年計，水庫供水1 200萬m3，生態供水500萬m3，結合目前該區域的用水量，可知水庫長年處于缺水現狀。當將汛限水位抬高至24.16 m后，能夠使水庫庫容至1 200萬m3，增加庫容264.70萬m3，約為原庫容的28.30%，能夠使區域經濟增加近70萬元/年。由此可知，抬高汛限水位，將大大緩解天子崗水庫汛期棄水量大、汛后蓄水不足的問題，可有效促進區域的經濟增長、社會發展。

4.2 對移民征地的影響分析

天子崗水庫抬高汛限水位至24.16 m后，會使得上游淹沒范圍增加。但增加的淹沒范圍皆設計洪水位以下，考慮到水庫校核洪水位范圍內的土地內均已確權，因此，將水庫汛限水位由23.16 m抬高至24.16 m將不涉及移民征地等相關問題。

4.3 對下游防洪的影響分析

由于水庫汛限水位的抬高幅度不大，對水庫的防洪排澇影響很小，使得水庫下泄流量仍小于下游的20 a一遇標準洪水的下泄流量，對下游的防洪排澇功能并沒有造成不利影響。

5 結論

考慮到天子崗水庫存在汛期棄水量大、汛后蓄水不足以及該地區對水資源的需求量逐漸增加的問題，將該水庫的汛限水位由原來的23.16 m抬高至24.16 m，相應的庫容由935.30 m3提高至1 200 m3，增加庫容約264.70萬m3，約為原庫容的28.30%。結合抬高汛限水位后的水庫工況，從水庫防洪安全、水庫大壩安全、水庫周邊經濟及社會效益等方面，分析抬高汛限水位的影響程度。經分析可知，抬高該水庫的汛限水位至24.16 m，對水庫的防洪安全、水庫大壩安全沒有影響，同時也不涉及水庫周邊征地問題，對水庫下游防洪排澇的影響也極小。考慮到抬高汛限水位后對地區帶來的經濟、社會及水生態等效益，天子崗水庫抬高汛限水位至24.16 m是有必要的、可行的。