叹儿湾水库大坝坝顶高程复核相关研究

丁 郡

叹儿湾水库大坝坝顶高程复核相关研究

丁 郡

一、工程概况

叹儿湾水库位于安徽省凤阳县西南大庙乡叹儿湾村，距离凤阳县城约16km，属淮河流域濠河水系唐河上游，是官沟水库的泄洪通道。水库坝址以上流域面积为101.3km2，上游建有中型水库官沟水库，拦蓄上游来水84km2，官沟水库和叹儿湾水库区间建有官塘（5.1km2）小（Ⅱ）型水库，官沟叹儿湾水库区间控制面积为12.2 km2。叹儿湾水库是一座以灌溉、防洪为主，兼顾养殖和工业用水等综合利用的小（1）型水库。水库社会效益和灌溉效益显著，在当地经济发展中发挥着重要作用。库区所处地貌单元江淮丘陵北部的平原区，地势西北高东南低，地形起伏较大。流域特性数据见表1。

叹儿湾水库位于淮河以南，属丘陵区地形，气候属南北过渡带，梅雨季节明显，雨热同季，降雨集中，冷暖气团交锋频繁、进退多边。降雨时空分布不均，年际和年内降水量变化较大，洪旱灾害频繁，主汛期在7～9月。

根据凤阳县气象站观测资料显示，本地区气候温和、四季分明，实测多年平均气温14.9℃，最高年平均气温20.2℃，最低年平均气温10.5℃。历史日平均气温超过5℃的有264.3天（3月9日～11月27日），超过10℃的有 221.5天（4月 2日～11月 9日），超过15℃的有176.3天（4月27日～10月20日），无霜期长，多年平均初霜期为10月31日，终霜期为4月1日。日照时数长，多年平均日照时数为2250小时，最高的月份为8月，月日照时数为236小时，5～8月日照时数均超过200小时。风向多为偏东风，西北风次之，冬季盛行偏北风，夏季偏南风，多年平均风速为2.7m/s，实测多年平均最大风速为12m/s。

叹儿湾水库流域上游未设水文测站，建库前后均没有任何实测径流和洪水资料。距叹儿湾水库较近的有官沟坝雨量站，根据统计多年平均降水量为937.0mm，最大年降水量为1722.7mm，发生在1991年，最小年降水量为347.0mm，发生在1966年，最大是最小的4.96倍，降水年际变化比较大。月平均降水天数见表2。

水库现状正常蓄水位为46.0m，汛限水位为46.0m。当库水位超过46.0m时，正常溢洪道开始溢流泄洪；当库水位超过46.5m时，非常溢洪道开始启用泄洪。经调洪演算水库的设计洪水位为46.85m，校核洪水位为47.21m。

叹儿湾水库始建于1966年8月，1969年12月底竣工，后经1989年续建达到现有规模。土坝为均质土坝，坝顶全长1120m，坝顶高程49.00～49.96m（废黄河高程系，下同），最大坝高12.80m。

表1 流域特性表

表2 叹儿湾水库月平均降水统计表

二、大坝顶高程复核

此次坝顶高程复核主要是根据大坝、库内风浪作用，通过对水库大坝的具体运用情况与计算风速、地震烈度的分析，按照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL 189-2013）（以下简称《导则》）中计算方法，先计算坝顶超高，再按工程正常蓄水位、设计洪水和校核洪水时的静水位加相应的坝顶超高，取其中最大值，来复核现状坝顶高程是否满足《防洪标准》和有关规范规定的防洪要求。

按照《导则》，永久性挡水建筑物的顶部高程应按工程正常蓄水位、设计洪水和校核洪水时的静水位加相应的顶部超高。顶部超高由波浪爬高和安全加高确定。

顶部超高计算式如下：

式中：y—坝顶在静水位以上的超高（m）；

R—风浪沿着坝坡的最大爬高（m）；

A—安全加高（m），正常运用情况取A=0.50m，非常运用情况取A=0.30m。

1.设计风速W

计算风浪的风速采用水域上空10m高度处的风速值W10（10min平均风速）。叹儿湾水库根据凤阳县气象站的资料，计算中选用多年平均最大风速为12.00m/s。按《导则》第6.1.6条规定，正常运用条件下，采用多年平均最大风速的 1.5倍，W＝12.00×1.5＝18.00m/s；非常运用条件下，采用多年平均最大风速，W＝12.00m/s。

2.风区长度D

由1/10000地形图量得最大风区长度为0.98km，D=0.98km，此次在设计洪水和校核洪水工况下风区长度均采用0.98km。

3.波高和波长

按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）（以下简称《规范》）附录A.1.6规定，叹儿湾水库属于丘陵、平原区水库，且 W＜26.5m/s，D＜7500m，故其波高和波长采用鹤地公式计算：

正常蓄水位情况：计算波高h2%=1.03m

平均波高hm＝0.46m

波长Lm=6.94m

设计洪水位情况：计算波高h2%=1.03m

平均波高hm＝0.46m

波长Lm=6.94m

校核洪水位情况：计算波高h2%=0.56m

平均波高hm＝0.25m

波长Lm=4.63m

4.平均波浪爬高计算

波浪平均爬高按《规范》A.1.12计算

式中：KΔ—斜坡糙率及渗透性系数，根据护面类型选用混凝土护面，KΔ=0.90；

H—水域平均水深，在设计条件下，H=9.67m，在校核条件下，H=10.04m；

m—斜坡的坡度系数，取m=2.00。

Kω—经验系数，由风速W，坡前水深H，重力加速度g所组成的无维量计算值，查表A.1.12-2 得：正常蓄水位条件：Kω=1.07；设计洪水位条件：Kω=1.06；校核洪水位条件：Kω=1.01。

经计算：

正常蓄水位条件：Rm=0.774m

设计洪水位条件：Rm=0.767m

校核洪水位条件：Rm=0.438m

5.设计爬高R值计算

设计爬高R值按4级土石坝取累积概率P=5%爬高值R5%。

6.坝顶超高Y值

正常蓄水位条件：y=1.43+0.50=1.93m

设计洪水位条件：y=1.41+0.50=1.91m

校核洪水位条件：y=0.81+0.30=1.11m

7.地震安全加高复核

根据《中国地震参数图》（GB18306-2015），叹儿湾水库坝址区地震动峰值加速度值为0.10g，相应地震基本烈度为7度，按《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）和《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL 189-2013），水工建筑物抗震计算的上游水位可采用正常最高蓄水位，地震区的地震涌浪高度可根据设计烈度和坝前水深，一般涌浪高度为0.50～1.00m，叹儿湾水库地震涌浪高度取用0.50m，不考虑地震作用的附加沉陷计算。

8.坝顶高程复核

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.3.3条规定，坝顶高程分别按以下运用情况计算，取其最大值：

①正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高：46.00+1.93=47.93m

②设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高：46.85+1.91=48.76m

③校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高：47.21+1.11=48.32m

④正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高：46.00+1.11+0.50=47.61m

取以上条件的最大值，叹儿湾水库计算坝顶高程为48.76m。

三、结语

叹儿湾水库坝顶高程由设计洪水情况控制，要求最小坝顶高程为48.76m。水库现状坝顶高程为49.00～49.96m，坝顶高程满足《防洪标准》和有关规范规定的防洪要求。

凤阳县地处江淮分水岭，目前有在册小水库134座，均属典型的丘陵、平原区水库，这些水库大都建于上世纪五六十年代，因此研究坝顶高程复核对全县在册小水库防洪安全、综合利用水资源和充分发挥工程效益是十分必要的■

（作者单位：安徽省凤阳市水务局233100）

（专栏编辑：顾 梅）