水庫除險加固設計中洪水推求分析及運用

席 鵬，黃陽杰，包宵波

（浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310000）

1 前言

現有部分水庫建設年代已久,由于早期基礎條件匱乏,部分工程無配套的相關監測設施、設備及水文監測設施,因此部分工程缺少相關雨量雨情等實測水文資料。隨著國民經濟發展、時代進步,加之工程年久失修,部分水庫已無法滿足現有運行觀測需求且存在諸多安全隱患,已不能安全運行,工程不僅不能發揮很好的效益,而且對其下游人民的生命和財產安全威脅很大,因此需要對水庫進行除險加固以滿足相關需求。在除險加固設計中,如若缺乏相關水庫水文資料,是無法確定相應設計標準下的洪水位及壩頂高程。因此本文以程家垅水庫為例,針對流域內無水文測站、缺少入庫實測洪峰流量、暴雨資料等的情況下,如何推求設計暴雨、設計洪水,并對計算結果進行合理性分析。

2 工程概況

2.1 流域概況

程家垅水庫位于江西省南昌市安義縣喬樂鄉馬溪村,距安義縣城約25 km。壩址控制流域面積0.25 km2,主河長0.73 km,河床平均坡降51.167‰,水庫總庫容13.55萬m3,灌溉面積230畝,是一座以灌溉為主的?。?）型水庫。

2.2 氣象特征

流域內氣候溫和、雨量豐沛、四季分明,為冬冷、春寒、秋干氣候。據安義縣氣象站統計：歷年平均氣溫17.1℃,歷年極端最高氣溫40.3℃,極端最低氣溫-15.2℃,多年平均相對濕度80%,最小相對濕度為4%,多年平均風速2.6 m/s,最大風速19.7 m/s,年最大風速多年平均值為13.2 m/s,多年平均日照小時數1853 h,多年平均無霜期257 d。

2.3 水文資料

距離壩址25 km處有安義縣氣象站,距離31 km處有潦河控制水文站萬家埠站,前者具1959 年至今的歷年最大1日及最大24小時雨量,1998年至今的3小時及6小時時段降雨量,而后者具1955年至今的1小時、3小時、6小時及24小時完整的時段雨量。兩站歷年最大24小時時段雨量相差較小,控制在±10%以內,資料精度可靠,可用作實測雨量資料作為本次設計依據。

3 設計暴雨

3.1 暴雨洪水特性

水庫汛期開始較早,一般從3月～4月即有暴雨出現,5月～7月大雨連綿不斷,尤其是6月份暴雨出現機會較多。以萬家埠站1955年～2003年共49年資料統計,歷年實測最大24小時暴雨出現在6月份有19次,占39%；7月份出現有7次占14%；5月份出現11次占22%。暴雨最早發生時間為1959年4月22日,最遲出現為1983年10月5日。歷年最大24小時暴雨最大值為294.3 mm（1955年6月21日）。本流域洪水由暴雨形成,發生時間與暴雨相應,年最大洪水出現在5月～7月,以6月份居多。程家垅水庫集雨面積較小,主河道較短,匯流迅速,洪水陡漲陡落,一次洪水歷時18 h～24 h。

3.2 設計暴雨復核

由于本流域無實測水文資料,因此,將采用暴雨途徑推求壩址設計洪水。水庫流域設計暴雨分別采用當地實測暴雨系列推求和地區綜合法推求[1],經比較分析后最終確定采用成果用于推求壩址設計洪水。

3.2.1 由實測資料推求設計暴雨

本次采用安義縣氣象站,萬家埠水文站的雨量觀測資料用于分析當地實測暴雨參數。根據各個雨量觀測站的實測暴雨量,按年最大值選樣法分別選取最大1 h、6 h、24 h時段降水量,分別組成暴雨系列進行頻率計算,按P-Ⅲ型曲線進行適線,確定各站實測暴雨均值、各設計頻率設計暴雨量和CV值,其計算結果見表1。

表1 流域各時段設計暴雨參數表

3.2.2 由《江西省暴雨洪水查算手冊》推求設計暴雨

根據《江西省暴雨洪水查算手冊》（以下簡稱手冊）中的H1、H6、H24的平均值及相應的CV等值線圖,取CS=3.5 CV,求得流域中心的設計點暴雨見表1。

3.2.3 設計暴雨成果分析

本次兩種方法推求的各時段頻率設計暴雨成果見圖1及表1、表2。從表中可以看出：安義縣氣象站及萬家埠站各時段暴雨統計參數基本小于《手冊》查算的成果,考慮《手冊》成果綜合反映了本流域內外的地形和暴雨特性等因素,其各時段暴雨統計參數相對較合理,從水庫防洪保安角度出發,本次設計取用《手冊》法[2]推求的設計暴雨法作為推求設計洪水的依據。程家垅水庫各時段設計暴雨成果見表2。

表2 查手冊法各頻率設計暴雨成果表 單位：mm

圖1 萬家埠水文站24小時暴雨頻率曲線圖

4 設計洪水

4.1 流域參數復核

本次采用萬分之一地形圖對水庫壩址以上集水面積[3],主河長及平均比降進行復核。復核成果見表3。

表3 程家垅水庫流域特征參數復核成果表

4.2 歷史洪水

水庫流域屬低山丘陵地貌,總體地勢較平緩,但當地群眾對大洪水沒有印象,當地文獻也無歷史洪水記載,從水庫運行以來,以1975年、1998年洪水較大,但也屬常規洪水。

4.3 由設計暴雨推求設計洪水

程家垅水庫無實測流量資料[4],設計洪水根據《手冊》使用說明,對于集雨面積小于50 km2大于30 km2的流域,推薦采用推理公式法及瞬時單位線法計算設計洪水,而小于30 km2推薦采用推理公式法計算設計洪水,所以本次設計只采用推理公式法推求設計洪水。

由產流分區圖可知,該工程在第Ⅷ區,流域最大蓄水量IM=110 mm,前期土壤含水量Pa=80 mm。根據《手冊》推薦的以1 h為時段的暴雨雨型進行暴雨時程分配。程家垅水庫在推理公式分區圖中屬Ⅷ區,地面徑流過程按推理公式法推求[5]：

即：Qτ=（0.278θ/mτ）

匯流參數：m=0.121θ0.434=0.345

洪水總量：W=0.1 h·F

洪水線歷時：T=9.67W/Qm

式中：h為地面凈雨,據手冊查算；τ為匯流時間,s；F為流域面積,m2；Q流量m3/s；L為主河長,m；J為河道平均坡降；m為匯流參數。

地下洪峰流量按QM地下=RF·F /3.6 T,地下徑流過程采用以QM地下為頂點的等腰三角形,底寬為二倍的地面徑流過程時間,RF為地下徑流深；T為地面徑流過程底寬,設計洪水過程線為五點概化。推理公式法推求程家垅水庫設計洪水成果見表4及圖2。

表4 程家垅水庫推理公式法計算洪水成果表

圖2 水庫洪水過程線

5 成果分析

為檢驗本次設計洪水成果的合理性,將水庫設計洪水成果與相近流域集雨面積在50 km2以下的已建水庫設計洪水成果進行比較分析[6],可以看出本工程洪峰模數在合理范圍內,本次設計洪水成果合理可行,具體比較成果見表5。

表5 洪峰模數比較成果表

6 結論

在除險加固設計中,缺乏相關水庫水文資料,無法確定相應設計標準下的洪水位及壩頂高程。本文以程家垅水庫為例,針對流域內無水文測站、缺少入庫實測洪峰流量、暴雨資料等的情況下推求設計暴雨、設計洪水及結果進行合理性分析。結果表明對于集雨面積小于30 km2、流域內無實測水文資料的水庫工程,可先采用《手冊》法查算成果,推求出設計暴雨,再以此為依據,采用推理公式法推求設計洪水。經過成果分析,設計洪水成果合理,該方法可行,可進行應用推廣。研究結果可為類似工程建設及運用提供參考。