基于大壩安全評(píng)價(jià)的紅邦水庫防洪能力復(fù)核計(jì)算

鄧賓賓

(福建韓江工程咨詢有限公司,福建 龍巖 364000)

1 工程背景

福建省龍巖市紅邦水庫位于雁石溪流域，地處龍巖市蘇坂鎮(zhèn)紅邦村境內(nèi)，流域?qū)偾鹆晟絽^(qū)，植被覆蓋良好，距蘇坂鎮(zhèn)約10 km，距離雁石鎮(zhèn)政府約7 km，其主壩壩址位于莆永高速公路橋下游約200 m處，交通較方便。龍巖市紅邦水電站位于新羅區(qū)蘇坂鎮(zhèn)紅邦村上游約3.3 km，壩址以上集雨面積1278 km2，主河道長(zhǎng)79 km，河道平均坡降4.1‰。攔河壩壩型為C10細(xì)石混凝土砌石重力壩堰頂掛閘，由重力擋水壩、溢流堰堰頂掛閘段、沖砂閘段和進(jìn)水口段組成，壩頂高程218.4 m，最大壩高20.4 m，壩頂寬3.5 m，最大壩底厚度18.9 m，壩頂全長(zhǎng)147.2 m。水庫正常蓄水位215.00 m，總庫容745.0萬m3，是一座以發(fā)電為主的水利工程，屬小(1)型水庫。

2 水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

2.1 水庫防洪能力復(fù)核洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—94)和《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)的規(guī)定，本工程為Ⅳ等工程，其主要建筑物大壩按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，其洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇至50 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇至500 a一遇洪水校核、20 a一遇洪水消能防沖[1]。初步設(shè)計(jì)階段及2014年安全鑒定階段洪水標(biāo)準(zhǔn)采用Ⅳ等工程洪水標(biāo)準(zhǔn)低限，即30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核，符合規(guī)范要求。本次復(fù)核計(jì)算洪水標(biāo)準(zhǔn)仍沿用2014年安全鑒定階段選定的洪水標(biāo)準(zhǔn)，即30 a一遇洪水設(shè)計(jì)、200 a一遇洪水校核。

2.2 水位～庫容曲線計(jì)算

福建省龍巖市紅邦水庫庫區(qū)周邊的植被覆蓋率較高，庫區(qū)底部淤積現(xiàn)象并不嚴(yán)重，沒有對(duì)原始設(shè)計(jì)庫容造成較大的影響。同時(shí)，因水庫現(xiàn)已蓄水，復(fù)核庫容曲線難度較大，故本次采用初設(shè)階段庫容曲線[2]，具體結(jié)果如表1所示，水位～庫容曲線如圖1所示。

表1 水庫水位～庫容關(guān)系表

圖1 紅邦水庫水位庫容曲線

2.3 泄水建筑物水位～泄量關(guān)系曲線

紅邦水電站水庫泄水建筑物為攔河壩中段的溢洪道和壩身左右岸沖沙孔。溢洪道的溢流堰堰型為WES實(shí)用堰，堰頂高程208.0 m，堰頂掛6孔9 m×7 m(寬×高)閘門，溢流凈寬54 m，其泄流能力按式(1)、式(2)計(jì)算[3]：

(1)

σc=1-kNH0/b

(2)

式中：Q為下泄流量，m3/s；σs為淹沒系數(shù)，取1.0；σc為側(cè)收縮系數(shù);m0為流量系數(shù)，取0.49；B為溢流凈寬，為54 m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；H0為堰頂作用總水頭，m；k為墩型收縮系數(shù)，取0.01；N為側(cè)收縮邊數(shù)，為12；b為每孔凈寬，為9 m。

左岸沖砂孔底板高程202.5 m，右岸沖沙孔底板高程204.0 m，沖沙孔出口尺寸均為5 m×4 m(寬×高)，在自有出流和淹沒出流條件下的泄流能力計(jì)算公式分別為式(3)和式(4)：

(3)

μ=0.93-0.3D/H1

(4)

(5)

式中：μ為流量系數(shù)；A為出口斷面面積，為20 m2；D為孔口高度，為4 m；H1為孔口中心以上壩前作用水頭，m；H2為孔口中心以上壩后作用水頭，m。

從工程安全角度考慮，本次計(jì)算不計(jì)行進(jìn)流速水頭。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合本工程實(shí)際情況，合理取用參數(shù)[4]。經(jīng)分析計(jì)算，紅邦水電站水庫泄洪設(shè)施水位泄量關(guān)系成果見表2。

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，復(fù)核計(jì)算中選擇2010年6月15日洪水。根據(jù)水文部門分析，該場(chǎng)洪水相當(dāng)于15 a一遇至20 a一遇，實(shí)測(cè)洪峰流量為2264 m3/s，相應(yīng)水位為215.41 m(未打開沖砂孔泄洪)。根據(jù)溢洪道泄流公式及溢洪道參數(shù)，計(jì)算求得水位215.41 m時(shí)下泄流量為2264 m3/s。由此說明，溢洪道泄流能力計(jì)算成果合理。

2.4 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

本次調(diào)洪演算采用雙輔助線法(半圖解法)，就是根據(jù)水量平衡來計(jì)算的[5]。水庫所容納的蓄水量也就是來水和泄水的差值，出、入庫流量之差。用水庫蓄泄方程來表示動(dòng)力方程，泄洪設(shè)施的規(guī)模和水庫的蓄水位決定著水庫泄量的大小：

(6)

式中：V1為t時(shí)段始水庫庫容，萬m3；V2為t時(shí)段末水庫庫容，萬m3；Q1為t時(shí)段始入庫流量，m3/s；Q2為t時(shí)段末入庫流量，m3/s；q1為t時(shí)段始出庫流量，m3/s；q2為t時(shí)段末出庫流量，m3/s。

表2 水庫泄洪設(shè)施水位-泄量關(guān)系計(jì)算結(jié)果

根據(jù)電站壩址設(shè)計(jì)洪水過程、水庫庫容曲線及泄洪設(shè)施泄流能力曲線等，對(duì)水庫各頻率洪水進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，采用程序電算[6]，當(dāng)堰頂閘門和沖沙孔全開時(shí)，計(jì)算成果見表3。各頻率設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪過程線如圖2所示。

表3 水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

圖2 壩址設(shè)計(jì)洪水過程線

3 壩頂高程復(fù)核

3.1 壩頂高程復(fù)核

由于水庫壩址缺乏實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，本次壩頂高程復(fù)核計(jì)算風(fēng)速采用龍巖氣象站實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，即正常運(yùn)用情況風(fēng)速取21 m/s，非常運(yùn)用情況取14 m/s，吹程為1000 m[7]。根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 25—2006)要求，非溢流壩的壩頂高程應(yīng)考慮波浪爬高、風(fēng)壅增高和安全超高，壩頂至水庫靜水位的高度按式(7)計(jì)算：

△h=hb+hz+hc

(7)

式中：hb為波高，m；hz為波浪中心線超出水庫靜水位的風(fēng)壅高度，m；hc為安全超高，m。

波浪要素按官?gòu)d水庫公式計(jì)算，具體如式(8)、式(9)：

(8)

(9)

式中：Lm為平均波長(zhǎng)，m；D為吹程，m；v0為計(jì)算最大風(fēng)速，m/s。

波浪中心線至水庫靜水位的高度hz按式(10)計(jì)算：

(10)

按上式，分別計(jì)算以下兩種工況，并取其最大值作為壩頂高程。

(1) 正常蓄水位加正常運(yùn)用情況。

(2) 校核洪水位加非常運(yùn)用情況。

壩頂高程復(fù)核計(jì)算成果如表4所示。由復(fù)核計(jì)算結(jié)果可知，攔河壩擋水段所需的壩頂高程為219.38 m，現(xiàn)有壩頂防浪墻高程為219.60 m，滿足防洪要求。攔河壩溢流段所需的壩頂高程為218.06 m，現(xiàn)有壩頂高程為218.40 m，滿足防洪要求。

表4 壩頂高程復(fù)核計(jì)算成果表

3.2 閘門頂超高復(fù)核

閘門頂超高復(fù)核計(jì)算成果見表5。由表5可知，大壩溢流堰工作閘閘頂高程為215.30 m，大壩正常水位為215.00 m，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)要求，閘門頂高程應(yīng)符合下列工況。目前閘門頂高程為215.30 m，擋水時(shí)所需閘門頂高程為215.30 m，滿足規(guī)范要求；泄水時(shí)，所需閘門頂高程為218.46 m，閘門全開時(shí)閘門頂高程為222.6 m，滿足規(guī)范要求。

表5 閘門頂高程復(fù)核計(jì)算成果表

3.3 消能防沖復(fù)核

本工程泄洪消能屬底流消能，選用寬尾墩消力池聯(lián)合消能工。設(shè)計(jì)上采用P=3.33%設(shè)計(jì)洪水、P=0.5%校核核洪水和P=5%消能防沖三種情況進(jìn)行消能計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，三種情況均不會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，故在溢流反弧段不設(shè)置消力墩。采用水利部松遼水利委員會(huì)科學(xué)研究院劉新紀(jì)、范寶山編寫的《寬尾墩消力池聯(lián)合消能工的應(yīng)用》計(jì)算方法設(shè)計(jì)異型寬尾墩，異型寬尾墩設(shè)置在反弧段最深處，寬尾墩墩尾高度a=2.0 m，單寬墩收縮比л=0.80。

大壩溢流堰采用底流消能，堰后布置24 m長(zhǎng)的護(hù)坦以加強(qiáng)下游面的防沖能力，根據(jù)水文復(fù)核計(jì)算成果設(shè)計(jì)單寬流量為40.28 m3/s·m，校核單寬流量為59.96 m3/s·m，消能防沖單寬流量為36.41 m3/s·m。

根據(jù)武漢大學(xué)水利水電學(xué)院李煒主編的《水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)》，進(jìn)行水力計(jì)算判斷水流銜接狀態(tài)，公式如式(11)、式(12)：

(11)

式中：E0為以下游河床面為基準(zhǔn)面的泄水建筑物上游總水頭，m；q為收縮斷面處的單寬流量，m3/s·m；g為重力加速度，m/s2；φ為流速系數(shù)。

(12)

表6 消能防沖復(fù)核計(jì)算結(jié)果 m

4 結(jié) 論

(1)本次復(fù)核的30 a一遇設(shè)計(jì)洪水位為215.52 m，200 a一遇校核洪水位為218.06 m。

(2)經(jīng)復(fù)核計(jì)算，攔河壩擋水段所需的壩頂高程為219.38 m，現(xiàn)有壩頂防浪墻高程為219.60 m，溢流段所需的壩頂高程為218.06 m，現(xiàn)有壩頂高程為218.40 m，滿足防洪要求。

(3)經(jīng)復(fù)核計(jì)算，在設(shè)計(jì)、校核及消能防沖洪水情況下，為淹沒水躍，不會(huì)危及大壩安全，下游的消能防沖是安全的。

(4)綜上所述，根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的規(guī)定，大壩防洪能力為B級(jí)。