防洪水庫(kù)在山區(qū)城市防洪的應(yīng)用研究

黎華東

(陽朔縣國(guó)營(yíng)水庫(kù)工程管理站，廣西 陽朔 541900)

0 引 言

洪水是一種常見的自然災(zāi)害，通過修建防洪水庫(kù)是城市防洪的重要手段，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[1-4]。郭世興等[5]以陜西王瑤水庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)多泥沙河流水庫(kù)的防洪排沙過程進(jìn)行了闡述和優(yōu)化。王方方等通過對(duì)江西省防洪水庫(kù)的調(diào)查研究，建立了防洪調(diào)度優(yōu)化模型，有效提升了防洪水庫(kù)的滯洪削峰能力。頓曉晗等提出了一種防洪庫(kù)容曲線推算方法，評(píng)估了水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)。然而，傳統(tǒng)防洪水庫(kù)常常受到壩址、造價(jià)和生態(tài)等多方面的限制，如建設(shè)成本過高、通過修建防洪水庫(kù)進(jìn)行小流域山洪防洪不切實(shí)際等等。考慮到傳統(tǒng)防洪水庫(kù)的運(yùn)作模式，本文提出一種滯洪削峰水庫(kù)，對(duì)選址范圍要求不高，便于建設(shè)，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，可以滿足小流域山洪防洪的需要。

本文針對(duì)滯洪削峰水庫(kù)的防洪機(jī)理進(jìn)行闡述，與傳統(tǒng)防洪水庫(kù)進(jìn)行區(qū)分，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)比滯洪削峰水庫(kù)與傳統(tǒng)防洪水庫(kù)的洪峰削減效果。同時(shí)，對(duì)滯洪削峰水庫(kù)的設(shè)計(jì)方法和流程進(jìn)行描述，包括最大安全泄洪流量的確定、泄洪底孔和溢洪道尺寸的選擇和堰頂高程的設(shè)計(jì)。

1 滯洪削峰水庫(kù)

1.1 水庫(kù)削減洪峰機(jī)理

修建水庫(kù)來削減洪峰達(dá)到防洪效果，是城市防洪的一種有效手段。洪峰消減機(jī)理則基于水量平衡方程：

ΔV=0.5(Q1+Q2)Δt-0.5(q1+q2)Δt

(1)

其中：ΔV為時(shí)段內(nèi)的蓄水變化量，m3；Q1為初始進(jìn)庫(kù)流量，m3/s；Q2為末段進(jìn)庫(kù)流量，m3/s；Δt為該時(shí)段持續(xù)時(shí)間，s；q1為初始出庫(kù)流量，m3/s；q2為末段出庫(kù)流量，m3/s。

控制入庫(kù)流量和出庫(kù)流量可以改變水庫(kù)蓄水量，通過建設(shè)泄洪設(shè)施，可以在洪水來臨時(shí)限制出庫(kù)流量，以達(dá)到消減洪峰的目的。防洪水庫(kù)的泄洪設(shè)施一般為兩種，分別是無壓溢洪道和有壓泄洪底孔。

無壓溢洪道的泄洪能力計(jì)算公式如下：

Q1=mB(2g)0.5h1.5

(2)

其中：Q1為堰泄水流量，m3/s；m為無量綱的堰流系數(shù)；B為泄洪道的寬度；h為溢洪道高度。

有壓泄洪底孔的泄洪能力計(jì)算公式如下：

Q2=μA(2gH)0.5

(3)

其中：Q2為底孔泄水流量，m3/s；μ為無量綱的孔流系數(shù)；A為泄洪底孔面積，m2；H為上下游水位差，m。

通過式(2)可知，無壓泄洪道的泄洪能力取決于堰頂水頭大小。當(dāng)庫(kù)水位提高時(shí)，能顯著增加下泄能力，不過在洪峰削減方面的作用較為有限。通過式(3)可知，有壓泄洪底孔的泄洪能力取決于H即上下游水位差。當(dāng)水位提升時(shí)，其泄洪能力增加不明顯，但在洪峰削減方面作用較為顯著。因此，結(jié)合有壓泄洪底孔的特點(diǎn)，在防洪時(shí)可先將無法通過有壓泄洪底孔下泄的洪水引導(dǎo)進(jìn)水庫(kù)，以保證下游水位的泄洪安全。同時(shí)，若庫(kù)水位超過設(shè)計(jì)洪水位，通過無壓溢洪道與有壓泄洪底孔聯(lián)合泄洪，以保證大壩的安全性。

1.2 滯洪削峰水庫(kù)的定義

通過預(yù)留防洪庫(kù)容來阻蓄洪水是防洪水庫(kù)的傳統(tǒng)手段，其單位庫(kù)容對(duì)洪峰削減的流量通常為0.03～0.38m3/s，因此對(duì)防洪水庫(kù)庫(kù)容的要求較高。

而在實(shí)際防洪案例中，山洪通常是由于連續(xù)降雨或者暴雨作用導(dǎo)致河道安全泄洪能力無法滿足洪水流量，出現(xiàn)堤防決口或洪水漫頂現(xiàn)象。就防洪工程而言，對(duì)于滿足河道安全泄洪的洪水關(guān)鍵在于洪峰的削減而不是盡可能減少洪水流量。當(dāng)存在完全開放的泄洪底孔時(shí)，較小的洪水可通過泄洪底孔進(jìn)行下泄；洪水較大時(shí)，泄洪底孔下泄能力會(huì)限制泄洪過程，泄洪底孔將從初始的無壓狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成有壓狀態(tài)，部分未通過泄洪底孔下泄的洪水在水庫(kù)中滯蓄。若下游的最大安全泄洪能力等于泄洪底孔下泄的流量，則此時(shí)的水位即為水庫(kù)設(shè)計(jì)水位，也是溢洪道的堰頂高程。若庫(kù)水位大于設(shè)計(jì)水位，則壩頂?shù)囊绾榈缹⑴c泄洪底孔聯(lián)合參與泄洪過程，此時(shí)下泄流量不再滿足下游安全泄洪要求，在下游河道應(yīng)進(jìn)行人員物資轉(zhuǎn)移，實(shí)施避洪預(yù)案。當(dāng)上游流量減少，其水流量小于泄洪底孔的下泄流量，此時(shí)水庫(kù)中的水將通過泄洪底孔下泄到下流河道中去，水庫(kù)水位降低，泄洪底孔的泄洪過程將由有壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o壓狀態(tài)。通過泄洪底孔泄洪從無壓向有壓再到無壓的轉(zhuǎn)化，即為完成一次削減洪峰過程。為了與傳統(tǒng)水庫(kù)進(jìn)行區(qū)別，對(duì)上述這種平時(shí)不蓄水、開放泄洪底孔的水庫(kù)定義為滯洪削峰水庫(kù)。在非洪水時(shí)期，滯洪削峰水庫(kù)可關(guān)閉泄洪底孔進(jìn)行蓄水，對(duì)水資源進(jìn)行利用開發(fā)；在主汛期或者有預(yù)報(bào)暴雨天氣時(shí)，需要對(duì)水庫(kù)進(jìn)行預(yù)先騰空，以滿足防洪需要。

2 滯洪削峰水庫(kù)的大壩設(shè)計(jì)

滯洪削峰水庫(kù)由于其水庫(kù)平時(shí)不進(jìn)行蓄水，因此水庫(kù)庫(kù)容相對(duì)傳統(tǒng)防洪水庫(kù)并不大，但需要在壩底安設(shè)泄洪底孔。遇到超過其泄洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水，壩頂還需要參與到泄洪過程。因此，在滯洪削峰水庫(kù)的設(shè)計(jì)中，不宜采用土石壩作為壩型，多采用混凝土重力壩或漿砌石重力壩作為滯洪削峰水庫(kù)的主要壩型。可結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件就地取材，在保證質(zhì)量的前提下，從經(jīng)濟(jì)角度選取相應(yīng)的壩體類型。

2.1 確定最大安全泄洪流量

確定最大安全泄洪流量是建設(shè)滯洪削峰水庫(kù)的首要目標(biāo)。若下游河道的泄洪能力不能滿足防洪要求，且受到場(chǎng)地、地形限制，無法對(duì)河道進(jìn)行加固以提高其泄洪能力，而建設(shè)傳統(tǒng)防洪水庫(kù)又不現(xiàn)實(shí)，此時(shí)滯洪削峰水庫(kù)就成為比較優(yōu)質(zhì)的選擇。滯洪削峰水庫(kù)的最大安全泄洪流量需通過下游河道的泄洪能力所確定。計(jì)算方法主要有河道流量演進(jìn)法、洪水流量過程線作圖法和等效面積計(jì)算法等。

若在滯洪削峰水庫(kù)下游出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)防洪對(duì)象時(shí)，需分別計(jì)算大壩的安全下泄流量，最小值即為水庫(kù)的最大安全泄洪流量。

2.2 泄洪底孔尺寸和溢洪道堰頂高程

泄洪底孔的尺寸選擇以及溢洪道堰頂高程的確定也是滯洪削峰水庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為此，首先需要計(jì)算水庫(kù)的庫(kù)容曲線，其次對(duì)泄洪底孔的尺寸進(jìn)行假定，再通過洪水過程線進(jìn)行推演，以此來計(jì)算相應(yīng)的泄洪底孔尺寸所對(duì)應(yīng)的滯洪庫(kù)容。再結(jié)合最大下泄流量，對(duì)泄洪底孔的尺寸進(jìn)行確定，再對(duì)該泄洪底孔進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，確定堰頂高程。此外，在泄洪底孔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能保證在常發(fā)的小洪水防控中，使其不淹沒庫(kù)區(qū)農(nóng)田。

2.3 壩頂溢洪道尺寸

考慮到出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況，若出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，壩頂溢洪道也將結(jié)合泄洪底孔參與到泄洪過程，因此溢洪道的設(shè)計(jì)尺寸也需要進(jìn)行確定。溢洪道尺寸的確定可參考《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-1994)，見表1。

表1 校核洪水標(biāo)準(zhǔn)

滯洪削峰水庫(kù)溢洪道尺寸按常規(guī)防洪水庫(kù)溢洪道的確定方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在條件允許時(shí)，可通過物理模型試驗(yàn)對(duì)泄洪底孔和溢洪道的下泄水流進(jìn)行模擬。

3 滯洪削峰水庫(kù)與傳統(tǒng)水庫(kù)削減洪峰比較

某水庫(kù)位于山區(qū)，存在山區(qū)河流，長(zhǎng)期以來，基礎(chǔ)設(shè)施如橋梁、護(hù)岸等防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，特別是老城區(qū)的小河流，河道被侵占的問題尤為突出，大多存在較大的防洪排澇問題。本文結(jié)合水庫(kù)實(shí)際滯洪削峰水庫(kù)案例，比較兩種水庫(kù)削減洪峰流量情況。工程溢洪道堰頂高640m，溢洪道寬10m，泄洪底孔面積5m2，庫(kù)容24.5×104m3。傳統(tǒng)水庫(kù)與滯洪削峰水庫(kù)差距主要在于運(yùn)作方式上，傳統(tǒng)水庫(kù)通常在庫(kù)水位不超過溢洪道高度情況下不進(jìn)行泄洪，而滯洪削峰水庫(kù)則是始終保持泄洪底孔打開。

圖1為滯洪削峰水庫(kù)與傳統(tǒng)水庫(kù)削減洪峰流量的情況。從圖1中可以看出，在洪水流量較小時(shí)，傳統(tǒng)水庫(kù)起始不泄洪，水庫(kù)開始蓄水，流量為零，相對(duì)天然流量降低明顯。而滯洪削峰水庫(kù)在初期天然流量較小時(shí)，未參與防洪，泄洪底孔完全打開且處于無壓狀態(tài)，滯洪削峰水庫(kù)流量與天然流量保持一致。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)水庫(kù)蓄水高度超過堰頂高度，通過溢洪道開始泄洪，此時(shí)泄洪底孔也將打開，傳統(tǒng)水庫(kù)調(diào)洪后的流量與天然流量差異甚微，在洪峰到來時(shí)，經(jīng)傳統(tǒng)水庫(kù)削減，洪峰流量降低7 m3/s，洪峰削減效果不明顯。隨著洪峰的到來，水流量增大，上游流量無法全部通過泄洪底孔流出，滯洪削峰水庫(kù)的泄洪底孔由開始時(shí)的無壓泄洪狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛袎盒购闋顟B(tài)，滯洪削峰水庫(kù)開始蓄水，隨著蓄水增多，當(dāng)蓄水高度超過堰頂高度時(shí)，溢洪道開始參與泄洪。因此，滯洪削峰水庫(kù)在洪峰到來時(shí)，通過泄洪底孔壓力狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，一部分洪水進(jìn)入水庫(kù)，有效削減了洪峰流。從圖1中也可以看出，在洪峰到來時(shí)，滯洪削峰水庫(kù)調(diào)洪后流量為98m3/s，共削減洪峰流量67m3/s，是傳統(tǒng)水庫(kù)洪峰削減效果的近10倍。由于滯洪削峰水庫(kù)在溢洪道參與泄洪時(shí)，明顯使洪峰滯后，因此還發(fā)揮出較大的錯(cuò)峰效應(yīng)。

圖1 滯洪削峰水庫(kù)與傳統(tǒng)水庫(kù)削減洪峰流量比較

此外，由于傳統(tǒng)防洪水庫(kù)在運(yùn)作時(shí)，無水流流出，會(huì)導(dǎo)致下游的河道阻斷和斷流，使河流的連續(xù)性遭到破壞，也會(huì)對(duì)水生物的遷徙和生存環(huán)境造成影響，不利于河流生態(tài)的發(fā)展。而相對(duì)于傳統(tǒng)的防洪水庫(kù)，滯洪削峰水庫(kù)由于泄洪底孔完全打開，水庫(kù)在常規(guī)時(shí)間不進(jìn)行蓄水，不會(huì)影響到下游河道，既能防洪又不對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，因此滯洪削峰水庫(kù)也是一種生態(tài)水庫(kù)。

4 有限元計(jì)算分析

4.1 滯洪削峰水庫(kù)模型建立

通過有限元軟件建立水庫(kù)模型，研究滯洪削峰水庫(kù)滯洪流量和倒灌流量之間的關(guān)系。模型河道長(zhǎng)度設(shè)置為95km，基本囊括水庫(kù)上下游區(qū)域。為在保證計(jì)算精度的前提下兼顧計(jì)算效率，在模型劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)水庫(kù)周邊進(jìn)行局部加密處理，共劃分出312 054個(gè)有限元網(wǎng)格。有限元網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

模型邊界條件有兩種，分別為開邊界條件和閉邊界條件。河流兩岸邊界條件為閉邊界條件，其法向流量為零。上下游徑向?yàn)殚_邊界條件，上游的邊界條件通過流量進(jìn)行控制，下游邊界條件通過水位進(jìn)行控制。初始條件設(shè)置為冷啟動(dòng)，即設(shè)定初始水位，將初始流速場(chǎng)設(shè)置為零流速場(chǎng)。水流通過運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行計(jì)算和控制。

4.2 結(jié)果討論

圖3為滯洪量與倒灌流量過程曲線。

圖3 滯洪量與倒灌流量過程曲線

可以發(fā)現(xiàn)，在初始階段水流較小，滯洪削峰水庫(kù)泄洪底孔完全打開未進(jìn)行滯洪，因此滯洪量與倒灌流量均為零。隨著流量的增加，水庫(kù)開始逐漸發(fā)揮滯洪作用，滯洪量開始增加，而此時(shí)的倒灌流量急劇增加，洪峰到達(dá)時(shí)，倒灌流量也達(dá)到峰值，而水庫(kù)的滯洪量處在上升階段。洪峰過后，水庫(kù)滯洪量達(dá)到峰值，溢洪道開始參與泄洪，此時(shí)的泄洪能力最大，倒灌流量出現(xiàn)減小。滯洪量達(dá)到峰值時(shí)，倒灌流量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。后隨著洪峰遠(yuǎn)離，流量減小，倒灌流量呈現(xiàn)負(fù)值，表示從流入轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒觯鬁榱亢偷构嗔髁块_始逐漸回歸到正常值。

5 結(jié) 論

本文闡述了滯洪削峰水庫(kù)的防洪機(jī)理，對(duì)滯洪削峰水庫(kù)的設(shè)計(jì)方法和流程進(jìn)行了描述。結(jié)合水庫(kù)工程實(shí)例，對(duì)比防洪水庫(kù)滯洪削峰模式與傳統(tǒng)泄洪模式的防洪效果。結(jié)論如下：

1)滯洪削峰水庫(kù)調(diào)洪后流量為98m3/s，共削減洪峰流量67m3/s，是傳統(tǒng)水庫(kù)洪峰削減效果的10倍。此外，滯洪削峰水庫(kù)發(fā)揮出較大的錯(cuò)峰效應(yīng)。

2)滯洪削峰水庫(kù)由于泄洪底孔完全打開，水庫(kù)在常規(guī)時(shí)間不進(jìn)行蓄水，不影響下游河道，既能防洪又不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，是一種生態(tài)水庫(kù)。

3)滯洪削峰水庫(kù)庫(kù)容要求小于常規(guī)防洪水庫(kù)，對(duì)選址范圍要求不高，建設(shè)更為便利。

4)有限元結(jié)果表明，洪峰到達(dá)時(shí)，倒灌流量也達(dá)到峰值，水庫(kù)滯洪量處在上升階段。隨著洪峰遠(yuǎn)離，倒灌流量從流入轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒觯笾饾u恢復(fù)平穩(wěn)。