關(guān)于廣東省小(1)型水庫除險加固及信息化建設(shè)工程設(shè)計探討

劉嘉藝

廣州市白云區(qū)南湖水庫管理所 廣東 廣州 510405

為全面貫徹落實黨的十九大精神，以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，積極踐行“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針，緊緊圍繞“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調(diào)，根據(jù)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》（國辦發(fā)〔2021〕8號）《水利部關(guān)于開展小型水庫除險加固攻堅行動的通知》（水建設(shè)〔2020〕90號）《廣東省水利廳關(guān)于開展小型水庫安全運行管理標(biāo)準(zhǔn)化工作的通知》（粵水運管〔2019〕10號）的工作要求，加快推進小型水庫除險加固，及時消除安全隱患，強化小型水庫安全管理，進一步提升小型水庫運行管理水平，守住小型水庫安全底線[1]。

1 水庫現(xiàn)狀及主要問題

沙田水庫位于廣州市白云區(qū)鐘落潭鎮(zhèn)沙田村，帽峰山東北距離廣州市區(qū)約30km，該水庫是攔截流溪河水系鳳尾坑而成，是一座以灌溉為主，兼顧防洪等綜合利用功能的小（1）型水庫。根據(jù)原設(shè)計登記資料，沙田水庫集雨面積5.8km2，死水位66.34m（珠江基面高程系統(tǒng)，下同），相應(yīng)庫容19.57萬m3，正常水位79.84m，按5 0年一遇設(shè)計水位8 0.1 4 m，5 0 0年一遇校核水位80.48m，總庫容512.00萬m3，屬小（1）型水庫，主要建筑物級別為4級。最近一次除險加固為1998年，距今超過20年。

根據(jù)《廣州市白云區(qū)沙田水庫大壩安全評價報告》（廣州市水務(wù)科學(xué)研究院 2017年9月），沙田水庫被評定為二類壩，主要存在的問題如下：

（一）東、西壩防浪墻及防護墻局部均有裂縫；迎水坡混凝土護面表面平整，局部有裂縫；排水設(shè)施正常，馬道局部排水溝表面有剝落情況。

（二）大壩未設(shè)置位移、變形等觀測設(shè)施，安全監(jiān)測設(shè)備不完善，已有滲流觀測設(shè)施已廢，無法正常使用。

（三）輸水涵舊涵洞段大部分管身內(nèi)部沖蝕嚴(yán)重，局部出現(xiàn)混凝土剝落，并有局部存在較為嚴(yán)重的開裂滲水情況。輸水涵閘門存在較為嚴(yán)重的銹蝕情況；止水及密封老化；啟閉設(shè)備為人力螺桿啟閉機，拉桿表面存在銹蝕；閘門、啟閉設(shè)備已超過金屬結(jié)構(gòu)20年的折舊年限，且效率低。

（四）溢洪道邊墻、底板局部有裂縫；控制閘門止水存在老化；控制設(shè)施啟閉機及電機設(shè)備老化。啟閉機啟閉速度較慢，噪聲較大，電動機、啟閉機設(shè)備超折舊年限，耗能高，效率低[2]。

2 水庫建設(shè)的目標(biāo)與任務(wù)

在防洪排澇方面，根據(jù)《廣州市白云區(qū)防洪排澇規(guī)劃》，沙田水庫屬于鳳尾坑分區(qū)，為?。?）型水庫。鳳尾坑分區(qū)位于廣州市白云區(qū)東北部鐘落潭鎮(zhèn)，分區(qū)集雨面積75.80km2（含沙田水庫5.80km2及湴湖圍3.85km2），該流域地面標(biāo)高為17.1～31.3m，河口不設(shè)防洪水閘。沙田水庫作為鳳尾坑起點，其保護對象包括：白云區(qū)鐘落潭鎮(zhèn)及黃埔區(qū)九佛街道，人口約1.2萬人，耕地0.65萬畝，以及京珠高速、廣從路等重要交通干線。[3]在灌溉方面，沙田水庫由于城市化進程的加快，灌溉面積有所減少，目前灌溉面積約為1200畝。在運行管理方面，應(yīng)滿足《廣東省小型水庫安全運行管理標(biāo)準(zhǔn)化工作指引（試行）》的相關(guān)要求及水庫管理單位的相關(guān)需求，完善水庫在運行管理方面所需相關(guān)信息化配套。

因此，工程建設(shè)的主要目標(biāo)是：一是強化水庫攔蓄洪水能力，消減進入下游河道的洪峰流量，減免洪水災(zāi)害，保護下游人民群眾生命、財產(chǎn)安全。二是保障下游約1200畝農(nóng)田的灌溉需求。三是按照小型水庫安全運行管理標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)要求及管理單位實際需求，提升水庫管理區(qū)域在運行管理方面的信息化配套。

主要任務(wù)是：對水庫東、西大壩加固，灌溉及防洪建筑物升級改造，安全監(jiān)測及運行管理信息化建設(shè)。

3 洪水演算

因沙田水庫所在鳳尾坑流域缺乏實測的洪水資料，設(shè)計洪水采用設(shè)計暴雨推求。

3.1 設(shè)計暴雨

由于本工程缺乏實測的洪水資料，因此采用最新頒布的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》（2003年版）查取暴雨參數(shù)來推求設(shè)計洪水[4]。

表1 沙田水庫設(shè)計暴雨參數(shù)表

3.2 流域參數(shù)

集雨面積和河長量算均采用2003年的1：2000的實測地形圖量計。河床坡降J自河口在地形圖上分別量讀各比降變化特征點的等高線高程及相應(yīng)河長，采用加權(quán)平均法計算坡降J及集水區(qū)匯流特征參數(shù)θ：

式中：

Z0、Z1、Z2……Zn——河口至上游河道的等高線高程（m）；

L1、L2、L3……LN——河口至上游河道的相應(yīng)河長(km)；

L——總河長（km）；

水庫壩址處流域參數(shù)的推求成果見下表：

表2 沙田水庫流域參數(shù)表

3.3 設(shè)計洪水

本設(shè)計同時應(yīng)用廣東省綜合單位線方法和推理公式法（1988年修訂）兩種方法計算設(shè)計洪水。

A. 廣東省綜合單位線法

此方法是通過對納西瞬時單位線方法的深入研究分析，汲取國內(nèi)外經(jīng)驗，結(jié)合廣東省實際，提出的一套適合廣東省特點的綜合單位線方法。方法的各項參數(shù)與各流域特性有關(guān)，在“圖表”中查得并用計算機計算。

B. 推理公式法

其公式為：

式中：

Qp—設(shè)計洪峰流量（m3/s）；θ—匯流特征參數(shù)；F—集雨面積（km2）；

Sp—相應(yīng)頻率P的設(shè)計暴雨雨力；np—相應(yīng)頻率p的暴雨遞減指數(shù)；

τ—匯流歷時（小時）；f—平均后損率（mm/h）；m—匯流參數(shù)。

表3 推理公式法和單位線法設(shè)計洪峰計算成果比較

從上表可知，采用綜合單位線法和推理公式法計算所得的沙田水庫洪水總量比較接近，洪峰流量計算結(jié)果相差均不超過20%，符合要求。根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》，當(dāng)兩種方法算得的洪峰流量值相差不超過20%時，應(yīng)選用廣東省綜合單位線方法的計算成果。

4 水庫調(diào)洪演算

4.1 水位庫容曲線

本次重新復(fù)核了水庫水位～庫容關(guān)系，水庫水位～庫容關(guān)系見表4。考慮水庫運行已有60余年，庫容存在較大變化，本次庫容曲線采用新復(fù)核測繪成果。

表4 沙田水庫水位～庫容統(tǒng)計表

4.2 泄流曲線

本工程改建后溢洪道水閘為3孔，單孔凈寬為5.0m，為開敞式正槽河岸控制閘溢洪道，平地板寬頂堰形式，堰頂高程77.04m。

閘門全開時，根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL253-2018），寬頂堰自由溢流計算公式如下。

m——流量系數(shù)；

b ——閘孔凈寬，m；

H——不計入流速水頭的堰上總水頭，m。

本次對溢洪道泄流能力進行計算，水位～泄流能力關(guān)系見表5[5]。

表5 沙田水庫水位～庫容統(tǒng)計表

4.3 調(diào)洪演算成果

根據(jù)三、洪水演算成果、水位庫容曲線及水位泄流曲線，得到各頻率下水庫調(diào)洪演算成果，見表6。

表6 各頻率設(shè)計

5 信息化方案

5.1 大壩變形監(jiān)測

斷面選擇和測點布置

1、觀測橫斷面通常選在最大壩高或原河床處、合龍段、地形突變處、地質(zhì)條件復(fù)雜處，壩內(nèi)埋管及運行有異常反應(yīng)處。

2、壩長100至200m設(shè)置3個監(jiān)測斷面（6個GNSS變形監(jiān)測和12個滲流監(jiān)測點）[6]。

5.2 滲流監(jiān)測

1、斷面選擇和測點布置

壩長100至200m設(shè)置3個監(jiān)測斷面（12個滲流監(jiān)測點）。

2、監(jiān)測設(shè)備選擇

（1）作用水頭小于20m的壩、滲透系數(shù)大于或等于10-4cm/s的土中、滲壓力變幅小的部位、用于監(jiān)視防滲體裂縫等，宜采用測壓管；

（2）本次測壓管水位采用振弦式孔隙水壓力計進行自動測量[6]。

5.3 環(huán)境量監(jiān)測

選點原則

1、庫前水位、降雨量監(jiān)測：目前沙田水庫已建設(shè)庫前水位、降雨量監(jiān)測點，本次不予考慮。

2、下游水位監(jiān)測：通過流量監(jiān)測設(shè)備獲取下游水位。

3、庫水溫監(jiān)測： 通過水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測探頭，獲取庫水溫。

4、氣溫監(jiān)測：大壩壩頂建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)氣象百葉箱，獲取庫區(qū)氣溫數(shù)據(jù)。沙田水庫已建設(shè)氣溫監(jiān)測，磨刀坑水庫建設(shè)一套溫度監(jiān)測設(shè)備。

5、流量監(jiān)測：在輸水涵/溢洪道出水口附近安裝一套流量監(jiān)測設(shè)備。在溢洪道和輸水涵出水口附近各布設(shè)一套流量監(jiān)測設(shè)備[6]。

5.4 水質(zhì)監(jiān)測

建設(shè)點位：建設(shè)2個水質(zhì)監(jiān)測點（入水口和出水口），其中下游出水口水質(zhì)監(jiān)測宜在輸水涵出水口附近布設(shè)1個常規(guī)五要素水質(zhì)監(jiān)測。

5.5 閘門控制系統(tǒng)

在安裝有電動啟閉機的啟閉室安裝閘門控制系統(tǒng)，實現(xiàn)水庫管理房可遠(yuǎn)程操作啟閉室啟閉機運行。沙田水庫安裝2套閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（輸水涵閘和水渠的水閘）。

5.6 視頻控制及廣播

1、視頻點位選取原則：

（1）大壩背水坡。監(jiān)控背水坡整體環(huán)境，包括草是否過長未處理、非法人員闖入、違規(guī)作業(yè)。

（2）大壩壩頂：監(jiān)控大壩壩頂監(jiān)控。

（3）輸水涵/溢洪道監(jiān)控：輸水涵及溢洪道進水、出水口各一個點位，水渠通道間隔50m一個監(jiān)控點位，水渠附近林木遮擋較多時候，適當(dāng)增加點位數(shù)量。

（4）水庫水面情況：分布在水庫兩側(cè)。查看水面情況，岸邊是否有人員滯留、游泳、釣魚等闖入現(xiàn)象。

（5）水工建筑：監(jiān)測溢洪道起閉室、輸水涵起閉室大門及室內(nèi)，主干路。

5.7 識別場景

識別場景如下：人員越界、水面漂浮物、藍(lán)藻、釣魚、非法游泳、黑臭水體、水庫水位、傾倒廢渣、偷排口事件、車牌識別。

廣播點位選擇：在視頻點位安裝IP廣播，及時進行喊話驅(qū)趕。

6 水庫除險加固及信息化建設(shè)

根據(jù)《廣州市白云區(qū)沙田水庫大壩安全評價報告》（廣州市水務(wù)科學(xué)研究院 2017年9月）所列問題，為達(dá)到沙田水庫在防洪、灌溉、管理上的目標(biāo)和任務(wù)，確定本次建設(shè)的主要內(nèi)容：

（一）大壩充填灌漿加固；改建大壩上游面護坡；修復(fù)現(xiàn)狀防浪墻和護墻，更新現(xiàn)狀路燈；壩頂壩頂路面、景觀升級改造；順接混凝土路面等；

（二）溢洪道：改建溢洪道水閘1座，改建后水閘為3孔，單孔凈寬為5.0m；

（三）改建輸水涵及啟閉設(shè)備，并結(jié)合改建的輸水涵對輸水涵出水渠進行改造及新建節(jié)制閘1座；

（四）配電房翻新1座，生產(chǎn)生活用房用房翻新2座，拆除生產(chǎn)生活用房1座；

（五）新建大壩變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、閘門控制、視頻控制及廣播系統(tǒng)等。

7 結(jié)語

沙田水庫除險加固及信息化建設(shè)工程完成后，將消除水庫工程隱患，有效保障水庫工程安全，提升周邊防洪排澇能力，改善灌溉環(huán)境，增加灌區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量，對保障下游人民生命財產(chǎn)安全，維護水庫水環(huán)境、水生態(tài)，促進社會經(jīng)濟穩(wěn)定均衡發(fā)展作出具有極大的貢獻，將產(chǎn)生巨大的社會效益。