高州市泗水鎮龍膽塘水庫防洪能力復核分析

周子宜

（廣東河海工程咨詢有限公司,廣東 茂名 525000）

1 引言

1991 年《水庫大壩安全管理條例》公布，要求大壩主管部門建立定期安全檢查與鑒定制度；水利部在《水庫大壩安全鑒定辦法》中進一步規定，大壩應定期進行安全鑒定，首次鑒定在竣工驗收后5 年內進行，以后每隔6 年～10 年進行一次。

高州市泗水鎮龍膽塘水庫興建于1973 年4 月,距今已運行近五十年,因此對龍膽塘水庫進行安全鑒定顯得十分必要。其中,防洪是水庫所承擔的一項重要功能,在水庫長期運行過程中由于各種因素,如淤沙沉積、風浪沖刷等會導致水庫防洪能力下降,因而,當洪水來臨時,水庫無法發揮防洪效能,下游人民生命財產安全得不到充分保證[1-3]。

2 工程概況

龍膽塘水庫是一座小（1）型水庫,位于廣東省高州市泗水鎮境內,屬于鑒江流域袂花江支流小東江泗水河的上游。水庫總庫容為110.64 萬m3,主要任務防洪和農業灌溉,同時兼顧供水和水產養殖等綜合效益。水庫樞紐由主壩、副壩、溢洪道、輸水涵管和管理房屋等建筑物組成,大壩為均質土壩,最大壩高約10.5 m。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）規定,水庫大壩設計洪水標準為30 年一遇,校核洪水位為300 年一遇。

3 設計洪水復核計算

3.1 設計洪水計算方法

龍膽塘水庫采用綜合單位線法與推理公式法計算設計洪峰流量。首先,根據流域參數和關系曲線圖推求綜合單位線滯時和推理公式匯流參數,利用兩種方法分別計算設計洪峰流量,比較后檢查推求的綜合單位線滯時和推理公式匯流參數是否合理,并根據它們對設計洪峰流量的影響,在允許范圍內進行合理調整。必要時,還可以重新選擇適當的無因次單位線,以確保兩種方法計算得到的設計洪峰流量相差不超過20%。兩種設計洪峰流量的計算公式分別如下：

（1）綜合單位線法

根據廣東省綜合單位線法Ⅱ號無因次單位線,得到計算單位線上漲歷時以及縱橫坐標如下：

式中：tp為上漲歷時；m1為綜合單位線滯時；Δt 為時間間隔,h；K 為無因次單位線的一階原點矩；ui、xi為無因次單位線的縱橫坐標；qi、ti為時段單位線的縱橫坐標；W=F/3.6,相當于1 mm 的凈雨所形成的時段單位的總洪量；F 為集水面積,km2。

（2）推理公式法

2012年后，阿4段高達75%的措施有效率引起地質研究人員的重視。他們通過地震資料精細解釋及實鉆資料分析，首次發現并刻畫出阿4段河道砂巖性油氣藏，并陸續部署DK32X、DK33H、DK35H、DK37H等井，均實現良好建產。截至2018年10月初，阿4段河道砂巖性油氣藏日產油27.8噸，占該油田日產量的42%，已累計產油4.27萬噸，累計產氣0.47億立方米。

使用下列兩公式聯合求解：

式中：Qm為斷面設計洪峰流量,m3/s；Sp為暴雨雨力,mm/h；T 為匯流歷時,h；np 為相應于設計頻率P 的暴雨遞減指數；f 為平均損失率,mm/h；L 為干流河長,km；M 為流域匯流參數；J 為河道平均坡降。

3.2 產流和匯流參數

根據相關資料查得龍膽塘水庫流域暴雨統計參數見表1。

表1 龍膽塘水庫流域暴雨統計參數表

根據 1∶10000 地形圖計算有關的地理參數,河道平均坡降J 采用加權平均法計算以及流域特征參數θ與流域匯流參數計算公式如下：

式中：Z0、Z1、Z2……Zn為河口至上游分水嶺河道的特征點高程,m；L1、L2、L3……Ln為河口至上游河道的相應河長,km；L 為總河長,km。

根據相關資料,龍膽塘水庫壩址以上集雨面積為2.03 km2,總河長為2.66 km,平均坡降為0.026。龍膽塘水庫區域產、匯流參數見表2。

表2 龍膽塘水庫流域產、匯流參數表

3.3 洪水成果

依據上述確定的水庫暴雨參數、產匯流參數,分別推求龍膽塘水庫各頻率設計洪水,計算成果見表3。由表可知,綜合單位線法和推理公式法計算的洪峰流量差異均不超過20%。據《廣東省暴雨徑流查算圖表使用說明》：在參數合理調整的前提下,兩種方法計算的設計洪峰流量相差不超過20%時,應選擇綜合單位線法計算得到的設計洪水結果。

表3 設計洪水計算成果表

4 水庫調洪計算

4.1 起調水位

龍膽塘水庫溢洪道為開敞式溢洪道,泄洪方式為自由敞泄,溢流面寬度10 m,以溢洪道堰頂高程62.48 m 作為起調水位。

4.2 調洪計算方法

根據求得的設計洪水,在實測龍膽塘水庫水位～庫容關系、水位～下泄流量關系的基礎上,根據水量平衡原理進行計算,計算公式如下：

式中：V1、V2為時段初、時段末水庫蓄水量,m3；Q1、Q2為時段初、時段末入庫流量,m3/s；q1、q2為時段初、時段末出庫流量,m3/s；Δt 為水庫調洪時段,h。

4.3 水庫水位～庫容與水位～下泄流量關系

通過庫區地形圖重新計算水庫水位～庫容曲線,見表4。

表4 龍膽塘水庫水位～庫容關系表

溢洪道寬度為7 m,為寬頂堰,堰頂高程為62.48 m,可按照堰流公式推求水位～下泄流量關系：

式中：Q 為流量,m3/s；ε 為側收縮系數；m 為流量系數,取 0.36；b 為溢流堰過水凈寬,m；g 為重力加速度,m/s2；H0為堰上水頭,m。

計算得到龍膽塘水庫溢洪道水位～泄量關系見表5。

表5 龍膽塘水庫溢洪道水位～泄量關系表

4.4 水庫調洪計算成果

根據設計洪水計算結果、水庫水位～庫容、下泄流量關系曲線,采用水量平衡原理對水庫進行調洪計算,水庫調洪成果見表6。

表6 龍膽塘水庫調洪演算成果表

龍膽塘水庫本次復核的特征水位和庫容指標分別為：設計洪水位（P=3.33%）64.03 m,相應庫容94.37 萬m3；校核洪水位（P=0.333%）64.76 m,相應庫容110.64 萬m3。

5 大壩抗洪能力復核

5.1 壩頂超高計算

龍膽塘水庫大壩工程等級為4 級,根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）,壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：

式中：Y 為壩頂超高,m；R 為波浪最大爬高,m；A為安全加高,m,對于4、5 級壩,設計工況取0.5 m,校核工況取0.3 m。

5.2 計算參數的選取

（1）風速。《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）,正常運用條件下,應采用多年平均最大風速的1.5 倍進行設計,而非常運用條件下則采用多年平均最大風速。由于庫區沒有實測氣象資料,所以采用了高州市多年平均年最大風速為15 m/s 作為基準值。在正常運用條件下,設計應采用22.5 m/s 的風速進行計算；而在非常運用條件下,則應采用15 m/s 的風速進行計算。

（2）吹程為400 m。

（3）水域平均深度。設計水位條件下,水庫靜水位64.03 m,水域平均深度 6.06 m；校核水位條件下,水庫靜水位64.76 m,水域平均深度 6.79 m；正常水位條件下,水庫靜水位 62.48 m,水域平均深度 4.51 m。

（4）波浪爬高。根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）,對于4、5 級壩,應先計算平均波浪爬高值Rm,再根據平均波高hm與壩前迎水面水深H 的比值（hm/H）,查得Rp/Rm比值,從而求得累計頻率爬高值Rp。龍膽塘水庫按正向來波單坡考慮,迎水坡坡度m 為2.15,平均波浪爬高Rm按下式計算：

式中：KΔ為斜坡糙率滲透性系數,對于干砌塊石護面取0.75；Kw為經驗系數；Lm為平均波長,m。平均波高hm、平均波長Lm采用莆田試驗站公式計算。

5.3 壩頂高程復核結論

壩頂高程應考慮不同運行工況的影響,根據不同運行工況計算壩頂高程,并選取計算結果中的最大值,計算結果見表7。高州市所在地區地震基本烈度為Ⅶ度,地震安全加高值取0.5 m。

表7 大壩壩頂高程計算結果

由表7 可知,對水庫主壩三種工況進行壩頂高程復核,水庫設計工況時,壩頂高程為65.43 m,校核工況時,壩頂高程為65.57 m,地震工況時,壩頂高程為63.51 m。取現狀壩頂最低的副壩進行比較,副壩壩頂高程為65.38 m,防浪墻頂高程為 65.58 m。經比較可知,防浪墻頂高程均高于計算壩頂高程,各工況靜水位均低于現狀壩頂高程,故壩頂高程滿足規范要求。

5.4 泄洪安全性復核

5.4.1 泄洪能力復核

龍膽塘水庫溢洪道凈寬7.0 m,堰頂高程62.48 m,控制段及泄槽段兩側邊墻均為混凝土擋墻,擋墻凈高約2.2 m。岸墻墻頂高程為65.49 m。經調洪演算,水庫最大下泄流量為38.6 m3/s,溢洪道堰上水頭2.28 m,相應庫水位為64.76 m,岸墻墻頂高程滿足校核洪水位+0.3 m 安全加高的要求,因此溢洪道泄洪能力滿足規范要求。

5.4.2 泄槽過流能力復核

泄槽總長約90 m,其中緩坡段長約47 m,縱坡為0.01；陡坡段長約43 m,縱坡為0.2。槽身為等寬矩形斷面,寬度7.0 m。槽身糙率n=0.02。根據校核洪峰流量,通過水面線計算確定溢洪道邊墻高程,為采用計算的水面線加上0.5 m 的安全超高。在陡坡段上游設置寬頂堰,計算水面線時,起始斷面應定在陡坡段的起始位置,水深應采用陡坡段起始斷面的臨界水深。經計算,溢洪道泄水槽在最大泄量38.6 m3/s 時,水面線計算結果見表8。

表8 溢洪道水面線計算成果表

由表8 可知：計算所需墻高為1.50 m～1.93 m,現狀墻高為2.20 m,泄槽滿足規范要求。因此溢洪道可以安全通過最大泄量。

6 結論

高州市泗水鎮龍膽塘水庫經防洪標準復核,其防洪標準與復核前保持一致,設計洪水標準為30 年一遇,為67.8 m3/s,校核洪水標準為300 年一遇,為101 m3/s；龍膽塘水庫洪水防洪調度為自由敞泄,符合小型水庫的特點,且滿足大壩安全運行的要求；龍膽塘水庫大壩現有壩頂高程滿足防洪標準要求；龍膽塘水庫溢洪道泄槽側墻高程滿足泄洪要求,泄洪能力滿足規范要求。綜上所述,根據《水庫大壩安全評價導則》（SL 258-2017）,大壩防洪安全性為B 級。