興義市毛栗寨水庫洪水調洪演算分析

唐大友

（貴州省黔西南州興義市水務局七舍片區水務站,貴州 興義 562400）

1 引言

防洪是水庫工程的一個重要功能,在水庫除險加固設計階段對水庫調洪演算進行分析是十分必要的[1-3]。根據水庫實際情況以及防洪需求,經過調洪演算確定水庫規模,可為后續工程設計提供參考。

2 工程概況

毛栗寨水庫為小（1）型水庫,復核后總庫容為174 萬m3,壩型為均值土壩,根據《防洪標準》（GB 50201-2014）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）有關規定,水庫工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4 級建筑物,次要建筑物為5 級建筑物,水庫設計洪水標準50 年一遇（P=2%）,校核洪水標準500 年一遇（P=0.2%）,滿足現行規范要求,設計仍按原設計的洪水標準進行,即本次水庫洪水標準為：設計洪水標準P=2%,校核洪水標準P=0.2%。

3 水位～下泄流量關系

毛栗寨水庫溢洪道位于大壩右岸,為右岸開敞式溢流堰,堰型為寬頂堰,溢流堰頂高程1447 m,溢流堰凈寬6.6 m（3 孔×2.2 m）,由于工程在運行過程中（特別是1960 年～1981 年期間）,大壩曾多次出現管涌和塌坑險情,經過多次臨時搶險處理,并根據省水利廳專家意見,從溢洪道中孔堰頂切槽降低水庫蓄水位,中孔泄槽深1.9 m,寬1 m,洪水來臨時,首先通過溢洪道中孔泄槽泄水。中孔泄槽底板高程為1445.10 m,此水位為本水庫防洪限制水位, 汛期水庫蓄水位控制在1445.10 m 運行。水庫下泄流量按下式進行計算：

式中：q 為堰上出流流量,m3/s；M 為綜合堰流系數；取M=1.55；n 為堰流孔數；B 為溢流堰頂寬,m；H 為堰上水頭,m。

毛栗寨水庫溢流堰由中孔泄槽+開敞式溢流堰組成,當洪水位（以1445.1 m 起算）在0～1.9 m 時由中孔泄槽泄流,當水位高于1447 m 時由中孔泄槽+開敞式溢流堰共同泄流,通過計算,毛栗寨水庫水位～下泄流量關系曲線成果見圖1。

圖1 毛栗寨水庫水位～下泄流量關系曲線圖

4 水庫調洪演算

4.1 汛期限制水位

毛栗寨水庫溢洪道位于大壩右岸,為右岸開敞式溢流堰,堰型為寬頂堰,溢洪堰頂高程1447 m,溢流堰凈寬6.6 m,根據工程現在運行狀況,按原省水利廳專家意見從溢洪道中孔堰頂切槽降低水庫蓄水位,中孔泄槽深1.9 m,寬1 m,將水庫汛期防洪限制水位確定為1445.10 m（中孔泄槽底板高程）。毛栗寨水庫汛期嚴格按照確定的防洪限制水位控制蓄水,即汛期嚴格將水庫蓄水位控制在1445.10 m 運行。洪水調節計算壩址的起調水位為防洪限制水位1445.1 m,起調庫容103.98 萬m3。

4.2 下游防護對象防洪標準及防洪汛限時段

毛栗寨水庫是一座以下游農田灌溉和城市防洪為主的小型水庫工程,設計灌溉面積2500 畝（其中水田500 畝,旱地2000 畝）,水庫防洪保護對象為木賈街道辦事處毛栗寨村、東貢村、木賈村等、黃草街道辦沿灣塘河城區一帶、下五屯街道辦事處上五屯火石坡至下五屯開發區,桔山和豐都街道辦事處桔山開發區至響水一帶,總人口約22 萬人。根據興義市城市防洪規劃,毛栗寨水庫所屬灣塘河流域防洪標準為50 年一遇（P=2%）,本次防洪高水位為50 年一遇洪水經調洪演算后對應水位。

根據毛栗寨水庫所屬灣塘河流域的暴雨特性,并結合興義氣象站歷年最大日降水量,5 月～9 月發生暴雨的頻率為98%以上,雖10 月也曾發生過暴雨,但量級較小,根據水庫流域暴雨洪水特性,并結合興利、防洪內容,毛栗寨水庫汛期限制水位的時段（以下簡稱汛限時段）確定為5 月～9 月,相應的10 月～次年4 月為非汛限時段。

4.3 洪水調度原則

毛栗寨水庫具有防洪功能,下游防護對象的洪水標準為50 年一遇,結合前述防洪汛限時段：汛限時段為5 月～9 月,非汛限時段為10 月～次年4 月,水庫泄洪設施為中孔泄槽（B×H=1×1.9 m）+溢流堰（3 孔×2.2 m）,汛限時段5 月～9 月水庫控制在汛限水位1445.1 m 以下運行,非汛限時段為10 月～次年4 月水庫控制在正常蓄水位1447 m 運行,汛限時段5 月～9 月,當洪水來臨時,首先通過中孔泄槽泄洪,當水位超過中孔泄槽高度1.9m 后通過中孔泄槽+表孔溢流堰組合的方式泄洪,洪水過后,水位消落至汛限水位1445.1 m；非汛限時段為10 月～次年4 月,由于中孔泄槽閘門關閉,保證水庫興利庫容,洪水通過表孔溢流堰自由泄洪,直至洪水回落到正常蓄水位1447 m。汛限時段及非汛限時段應注意控流,保證中孔泄槽）+溢流堰總泄量不超過入庫洪峰流量。

4.4 調洪方式

毛栗寨水庫防洪汛限時段分為汛限時段及非汛限時段,調洪方式分別按兩時段進行調洪。汛限時段為5 月～9 月,該時段起調水位為防洪限制水位1445.1 m,起調庫容為103.98 萬m3,調洪方式采用中孔泄槽+表孔溢流堰組合；非汛限時段為10 月～次年4 月,該時段起調水位為正常蓄水位1447 m,起調庫容為145 萬m3,調洪方式采用表孔溢流堰自由泄流。

洪水調節計算公式采用水量平衡公式,水量平衡公式如下：

式中：Q1、Q2為時段始末來水流量,m3/s；q1、q2為時段始末總下泄流量,m3/s；Δt 為時段長,h；V1為時段初水庫庫容,萬m3；V2為時段末水庫庫容,萬m3。

4.5 洪水調節計算成果

根據設計洪水過程線、水位庫容曲線及堰上水位～下泄流量關系成果采用水量平衡方程式進行洪水調節計算。

（1）汛限時段為5 月～9 月：以汛限水位1445.1 m 起調,起調庫容為103.98 萬m3,其調洪演算成果見表1。

表1 汛限時段5 月～9 月洪水調節成果表

由表1 可知,汛限時段為5 月～9 月,以汛限水位1445.1 m起調,起調庫容為103.98萬m3,毛栗寨水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.14 m, 相應庫容為148.2 萬m3, 下泄流量為4.67 m3/s；校核標準下（P=0.2%）庫水位為1447.69 m,相應的庫容為161.3 萬m3,下泄流量為9.90 m3/s。

（2）非汛限時段為10 月～次年4 月,以水位正常蓄水位1447 m 起調,起調庫容為145 萬m3,其調洪演算成果見表2。

表2 非汛限時段10 月～次年4 月洪水調節成果表

由表2 可知,非汛限時段為10 月～次年4 月,以正常蓄水位1447 m 起調,起調庫容為145 萬m3,毛栗寨水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.87 m,相應的庫容為166 萬m3,下泄流量為8.8 m3/s；校核標準下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,相應的庫容為174 萬m3,下泄流量為13.2 m3/s。

通過汛限時段5 月～9 月、非汛限時段10 月～次年4 月調洪演算成果,汛限時段5 月～9 月：以汛限水位1445.1 m起調,起調庫容為103.98萬m3,毛栗寨水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.14 m,相應的庫容為148.2 萬m3,下泄流量為4.67 m3/s；校核標準下（P=0.2%）庫水位為1447.69 m,相應的庫容為161.3 萬m3,下泄流量為9.90 m3/s。非汛限時段10 月～次年4 月：以正常蓄水位1447m 起調,起調庫容為145 萬m3,毛栗寨水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.87 m,相應的庫容為166 萬m3,下泄流量為8.8 m3/s；校核標準下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,相應的庫容為174 萬m3,下泄流量為13.2 m3/s。根據不同時段調洪成果,結合毛栗寨水庫所屬灣塘河流域防洪標準為50 年一遇（P=2%）,確定毛栗寨水庫防洪高水位為1447.87 m,防洪庫容為62.02 萬m3,設計洪水位、校核洪水位等特征數據取兩時段外包線,得到毛栗寨水庫特征水位參數表見表3。

表3 毛栗寨水庫特征水位參數表

根據《興義市毛栗寨水庫大壩安全評價》設計暴雨參數取值,安全評價采用的是興義氣象站63 年（1957 年～2019 年）最大一日暴雨系列,設計暴雨參數取值為H24h=107.2 mm,Cv=0.40,Cs=3.5 Cv；H1h=48.4 mm,Cv=0.38,Cs=3.5 Cv。本次除險加固設計同樣采用興義氣象站63 年（1957 年～2019 年）最大一日暴雨系列,通過復核,設計暴雨參數取值為H24h=107.2 mm,Cv=0.40,Cs=3.5 Cv；H1h=48.4 mm,Cv=0.38,Cs=3.5 Cv。通過壩址處設計洪水復核計算成果,壩址處P=2%設計洪水為49.8 m3/s,P=0.2%校核洪水為70.5 m3/s,兩階段壩址處設計洪水成果完全一致。

安全評價階段洪水調節成果采用的是全年洪水以汛限水位1445.1m 起調,安全評價成果經調節后采用成果為：毛栗寨水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.14 m,相應的庫容為148.2 萬m3,下泄流量為4.67 m3/s；校核標準下（P=0.2%）庫水位為1447.69 m,相應的庫容為161.3 萬m3,下泄流量為9.90 m3/s。水庫總庫容為161.3 萬m3,防洪高水位為1447.14 m。

除險加固設計階段采用分期洪水調節計算,通過分析,水庫劃分為汛限時段5 月～9 月、非汛限時段10 月～次年4 月,汛限時段5 月～9 月：以汛限水位1445.1 m 起調,起調庫容為103.98 萬m3,毛栗寨水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.14 m,相應的庫容為148.2 萬m3,下泄流量為4.67 m3/s；校核標準下（P=0.2%）庫水位為1447.69 m,相應的庫容為161.3 萬m3, 下泄流量為9.90 m3/s。非汛限時段10 月～次年4 月：以正常蓄水位1447 m 起調,起調庫容為145 萬m3,毛栗寨水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.87 m,相應的庫容為166 萬m3,下泄流量為8.8 m3/s；校核標準下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,相應的庫容為174 萬m3,下泄流量為13.2 m3/s。根據不同時段的調洪成果,結合毛栗寨水庫所屬灣塘河流域防洪標準為50 年一遇（P=2%）,確定毛栗寨水庫防洪高水位為1447.87 m,防洪庫容為62.02 萬m3,水庫總庫容為174 萬m3。

通過與安全評價階段對比,本次除險加固較安全評價采用分時段劃分水庫汛限時段及分汛限時段進行調洪演算的成果較為合理,本次除險加固成果采用本次復核后的成果,即水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.87m,校核標準下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,水庫總庫容174 萬m3,防洪高水位為1447.87 m,防洪庫容為62.02 萬m3。

5 結論

（1）根據毛栗寨水庫所屬灣塘河流域的暴雨特性,汛限時段為5 月～9 月,非汛限時段為10 月～次年4 月。汛限時段及非汛限時段應注意控流,保證中孔泄槽）+溢流堰總泄量不超過入庫洪峰流量。

（2）水庫設計標準下（P=2%）庫水位為1447.87 m,校核標準下（P=0.2%）庫水位為1448.18 m,水庫總庫容174 萬m3,防洪高水位為1447.87 m,防洪庫容為62.02 萬m3。