大山門水庫安全鑒定防洪能力復核分析

高淑紅

（西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司，陜西 西安710014）

水庫作為蓄水工程，直接關系到當地廣大居民的生活飲水、農業灌溉、水力發電等切身利益，對水庫進行安全鑒定，并進一步進行除險加固工作，不僅僅是水庫安全穩定運行的保障，也是人民生命財產的保護。防洪能力復核的目的是根據收集的水文資料進行設計洪水復核和調洪計算，評價大壩現狀抗洪能力是否滿足現行標準要求。

1 大山門概況

1.1 工程概況

合水縣大山門水庫位于合水縣東部，距縣城38 km，距固城鎮7.5 km，是一座以防洪、灌溉及生態保護為主的?。?）型水庫，工程于1959年4月建成投入運行至今。

大山門水庫坐落于馬蓮河一級支流固城河主河道上，屬?。?）型水庫，均質土壩，壩址以上控制流域面積153 km2，總庫容36.6萬m3，興利庫容17.6萬m3，死庫容5.4萬m3，防洪庫容26.9 m3。上游河道無其他設施建設，距壩軸下游4 km處有一座（1）型新村水庫。該水庫壩體為均質土壩，流域面積167 km2，總庫容411.4萬m3，興利庫容86萬m3，死庫容29萬m3，防洪庫容382.4萬m3，壩高19.5 m，壩頂高程1173 m。

1.2 樞紐概況

樞紐建筑物由大壩、溢洪道、放水臥管三部分組成。

大壩為均質土壩，最大壩高8.0 m，壩頂高程1197.30 m，壩低高程1189.30 m，壩長120 m，壩頂寬6.0 m，迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比為1∶2.0。

溢洪道位于大壩左岸，屬開敞式溢洪道，無閘門控制，堰頂無交通橋，溢洪道總長89 m，最大泄流量7.6 m3/s。溢流段為寬頂堰，矩形斷面，漿砌石結構，堰底高程1194.90 m，堰寬2.3 m，高2.4 m，堰長5.0 m；堰流段后為梯形斷面，混凝土結構，深2.5 m～2.8 m，邊坡坡比為1∶1，梯形渠長84 m。

臥管位于大壩右側，由放水孔、輸水涵洞、泄水明渠等部分組成，臥管共計9臺，臺階高度為0.5 m，為單孔設計，每臺設1個放水孔，直徑為0.4 m，臥管最低放水孔進口高程1192.30 m，下部為消力池，銜接矩形漿砌石輸水無壓涵洞，尺寸為0.8 m×1.0 m，洞全長41 m，出口明渠長10 m，為矩形斷面，輸水涵洞最大下泄流量0.4 m3/s，輸水涵洞進口底檻高程1191.30 m。

2 設計洪水復核

2.1 防護標準復核

大山門水庫規模為?。?）型，工程等級為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。對照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）中的有關規定，5級建筑物設計洪水標準為20年～30年一遇，土石壩校核洪水標準為200年～300年一遇。水庫現狀防洪標準為20年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核，均滿足規范要求，故本次防洪復核仍沿用此標準。

2.2 設計洪水復核

大山門水庫流域內洪水成因主要是暴雨形成，由于本流域沒有實測較大洪水資料，故本次大山門水庫的安全鑒定洪水復核采用2004年出版的《甘肅省暴雨特性研究》中的暴雨參數與1988年出版的《甘肅省暴雨洪水圖集》中的瞬時單位線法、《甘肅省水文圖集》中的經驗公式法進行分析計算。

2.2.1 根據暴雨資料推求設計洪水

（1）點設計暴雨計算

由《甘肅省暴雨洪水圖集》查得水庫流域的CV與CS關系，然后再由圖集中的“水文圖”中分別查出流域中心處1 h、6 h、24 h的暴雨均值Ht及變差系數CV，按照CS=3.5CV由P-Ⅲ型曲線模比系數表查得對應頻率的Kp值，其設計頻率的點暴雨量可由Htp=Kp×Ht求得，根據1 h、6 h相對應頻率的點雨量直線內插或按公式H3=H10.387×H60.613。計算結果見表1。

表1 點設計暴雨計算表

（2）面設計暴雨計算

從《甘肅省暴雨洪水圖集》中的“水文圖”中可查出流域面積F=153 km2時的點面折算系數和流域綜合形狀改正系數，可計算出面設計暴雨，見表2。

表2 面設計暴雨計算表

（3）產流計算

大山門水庫為子午嶺林區，生長著大面積的次生林及人工林，植被較好，平均入滲率f按黃土山（林）區查用表進行產流計算。從《甘肅省暴雨洪水圖集》中可查得該地區的時程分配雨型，選用涇河區3小時主雨峰控制概化雨型，計算出不同設計頻率的設計面暴雨量。計算結果見表3。

表3 壩址處面雨量時程分配及設計凈雨深過程計算成果

在P=5%時，查表進行產流計算得tc=3 h，Ptc=42.5 mm，f=9.42 mm/h，ΔF=f=9.42 mm，產流前第1至第8時段的降雨量之和為初損I0=16.25 mm；在P=0.5%時，查表進行產流計算得tc=3 h，Ptc=67.59 mm，f=12.46 mm/h，ΔF=f×Δt=12.46 mm，產流前第1至第8時段的降雨量之和為初損I0=24.98 mm；產流期以后的雨量亦全部下滲。

（4）匯流計算

采用《甘肅省暴雨洪水圖集》中的瞬間單位線法進行推算，匯流參數m1、m2采用黃土林區的綜合關系。

式中：m1，10=0.9F0.18J-0.33，b=0.28-0.05log F；i為非線性外延臨界凈雨強，i≤15 mm/h；F為壩址以上流域面積，km2；J為壩址以上河道平均比降，‰。

通過上式計算得m1、m2，再根據下述公式計算參數n、k、C：

式中：n、k為瞬時單位線參數；C為換算系數；Δt為計算時段，Δt=1 h。

根據上述公式計算得瞬時單位線法計算參數成果見表4。

表4 瞬時單位線法計算參數成果表

（5）潛、基流疊加

根據地表洪峰流量及匯流面積，查黃土山（林）區潛流表得ξ，Q潛基max=Qm表×ξ，由《甘肅省暴雨洪水圖集》附圖查得基流量均勻加入，Q潛max=Q潛基max-Q基，潛流過程采用等腰三角形，按直線內插得不同t時的潛流量，計算得20年一遇地表洪峰流量為249 m3/s，ζ=1.6%，Q潛基max=3.98 m3/s，Q基=0.85 m3/s；200年一遇地表洪峰流量為510 m3/s，ζ=1.2%，Q潛基max=6.13 m3/s，Q基=0.85 m3/s。將Q表、Q潛、Q基同時序相加得設計洪水過程線見圖1，洪峰流量計算結果見表5。

圖1 水庫洪水過程線

表5 大山門水庫復核洪峰流量表 單位：m3/s

2.2.2 經驗公式法

采用《甘肅省水文圖集》中涇河慶陽至雨落坪區間支流經驗公式進行計算：

式中：Q為相對于某一頻率的設計洪峰流量，m3/s；F為集水面積，km2；q為相對于某一頻率的洪峰流量模數，m3/（s·km2）；C為相對于某一頻率洪峰流量系數。

計算得水庫20年一遇設計洪峰流量為337.54 m3/s，200年一遇設計洪峰流量為873.32 m3/s。

2.2.3 洪水成果分析及選用

經驗公式法主要是《甘肅省水文圖集》根據1973年以前的洪水資料，總結出的一套規律性的經驗公式，缺乏后期洪水資料，且公式計算流域特性，下墊面參數等因素考慮較少，計算精度稍差，本次計算僅為對比參考；瞬時單位線法使用《甘肅省暴雨洪水圖集》總結地區實測暴雨洪水資料分析出來的暴雨-洪水關系進行計算，有一套完整的計算方法，在理論方面比較嚴謹，過程中又采用了本流域的特征值、經驗參數和暴雨資料，計算成果既代表了區域洪水的共性，又突出了計算流域洪水的特性，成果精度相對較高；本次復核采用瞬時單位線法計算成果作為本次鑒定依據，即20年一遇洪峰流量250 m3/s，200年一遇洪峰流量為512 m3/s。

3 調洪計算

3.1 洪水調節方式

大山門水庫是以溢洪道調洪，確保水庫安全。

3.2 基礎資料

（1）起調水位

本次調洪演算，以溢洪道底板高程1194.90 m開始起調，調洪演算采用試算法列表進行。本次以現狀1∶1000測量圖結合五萬分之一地形圖，對大山門水庫容曲線重新進行復核。

（2）水位與庫容曲線見表6。

表6 水庫水位～庫容曲線表

（3）泄流能力曲線

水位與下泄流量關系曲線采用《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）規定的寬頂堰流量公式進行推斷，公式為：

式中：Q為溢流壩泄洪流量，m3/s；m為二元水流寬頂堰流量系數；ε為進口側收縮系數；B為堰頂寬度，B=2.3 m；H0為堰頂水頭，m。

大山門水庫泄流是溢洪道泄流，聯合泄流量與水位關系見表7。

表7 大山門水庫泄流能力復核成果表

3.3 調洪計算成果

調洪計算依據以下計算公式進行試算：

式中：Q1為某一時段來洪泄流量，m3/s；Q2為后一時段來洪流量，m3/s；q1為某一時段泄流量，m3/s；q2為后一時段泄洪流量，m3/s；Δt為時段時間值，s；V1為某時段的水庫庫容，m3；V2為后時段的水庫庫容，m3。

表8 大山門水庫調洪計算成果表

3.4 調洪計算成果分析

根據調洪計算成果，將本次復核成果與《大壩注冊登記表》后成果進行對比，本次復核設計水位為1198.44 m，校核洪水位為1199.20 m，注冊登記表設計水位為1195.30 m，校核洪水位為1196.30 m，壩頂高程為1197.30 m。20年、200年一遇洪水狀況下，本次復核洪水水位結果均高于《大壩注冊登記表》中洪水水位，根據《水電站大壩運行安全評價導則》（DL/T 5313-2014）其防洪安全性評級為C級。

4 結語

水文分析計算作為防洪能力復核的基礎和必要前提條件，直接決定了防洪能力復核結論的準確性和可靠性。防洪能力復核雖然只是水庫大壩安全鑒定的一部分，要對水庫大壩安全狀況進行準確分類，還是應結合工程質量安全、滲流安全、結構安全、金屬結構安全等評價情況，綜合分析水庫狀況?？傊?，只有對水庫進行精準的安全鑒定，才能對接下來的除險加固工作提供正確指導。