天子岗水库抬高汛限水位影响测算及分析

毛才传

(浙江省安吉县天子岗水库管理站, 浙江 安吉 313310)

1 水库概况

天子岗水库位于浙江省安吉县西北部黄土丘陵地区，西苕溪支流浑泥港北源泥河上游，坝址位于天子湖镇上游2 km处。水库集雨面积23.8 km2，总库容1 801 万m3，主要功能为供水、灌溉，并发挥防洪、发电功能，水库规模为中型水库。该水库按100年一遇洪水设计，设计洪水位25.37 m(85高程，下同)，相应库容1 497.1 万m3；按2 000年一遇洪水校核，校核洪水位26.34 m，相应库容1 801 万m3；正常蓄水位23.16 m，相应库容935.3 万m3；死水位16.66 m，死库容38.6 万m3。

天子岗水库现状汛限水位为23.16 m，相应库容935.3 万m3，由于该地区受雨季影响较大，汛期降雨丰富、汛后雨量减少，使得水库汛期弃水量大，汛后可蓄水量少，造成水资源的大量浪费，没有发挥中型水库应有的效益。蓄水量不足的问题也对该地区的经济、社会发展起到阻碍作用，为此，拟将该水库的汛限水位从目前的23.16 m抬高到24.16 m。研究结合汛限水位抬高后大坝运行条件发生变化的情况，分别从防洪安全、大坝渗流与结构安全等角度分析论证汛限水位抬高对大坝安全的影响，进而为汛期洪水资源利用提供技术支撑。

2 对水库防洪安全影响分析

2.1 防洪标准

天子岗水库为中型水库，工程等级为Ⅲ级，主要建筑物级别3级。根据本工程的规模，依据《防洪标准》(GB50201—2014)[1]、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2017)[2]有关规定和天子岗水库的原设计及安全鉴定成果，水库设计洪水标准为100年一遇(P=2%)、校核洪水标准为2 000年一遇(P=0.05%)。天子岗水库汛限水位抬高后工程现状没有改变，调度原则仍按新调汛限水位24.16 m，台汛期24.16 m，正常水位24.16 m进行调控。

2.2 设计洪水

天子岗水库最大暴雨雨型按《浙江省短历时暴雨图集》计算。最大一日排在第2天，第1天为H3d-H24的60%，第3天为H3d-H24的40%。时段分配系数运用暴雨衰减指数法推求[3]，按照2003年《浙江省短历时暴雨》中规定，由暴雨图集求得的各历时设计暴雨计算暴雨衰减指数；产流采用蓄满产流的简易扣损法[4]，初损Io=20 mm，后损为1 mm/h；汇流计算应用浙江省推理公式法[5]，汇流参数m与流域的几何特征和植被条件有关，采用浙江省汇流参数综合公式计算[6]。

经计算，天子岗水库2 000年一遇洪水洪峰流量为668 m3/s，洪量为1 213×104 m3。其他频率设计洪水成果(见表1)。

表1 设计洪水成果

2.3 防洪影响分析计算结果

采用宽顶堰泄流公式(1)计算溢洪道泄流能力，溢洪道下泄流量与水库水位由调洪计算确定,调洪计算成果(见表2)。

表2 调洪计算成果表

(1)

式(1)中:Q—下泄流量，m3/s；

B—溢流堰总净宽,m，B=15.00 m；

m—二元水流宽顶堰流量系数；

ε—闸墩侧收缩系数；

H0—计入行进流速水头的堰上总水头,m。采用能量方程[7]，用分段求和法[8]计算溢洪道排水渠水面线。计算工况为：(1)水库设计洪水位(P=1%)为25.37 m时，溢洪道相应下泄流量为62.9 m3/s；(2)水库校核洪水位(p=0.05%)为26.34 m时，溢洪道相应下泄流量为108.4 m3/s。计算结果(见表3)。正常溢洪道泄流曲线图(见图1)，而相应的库容-水位曲线图(见图2)。

图1 正常溢洪道泄流曲线

表3 正常溢洪道排水渠水面线计算成果表

图2 库容-水位曲线

根据汛限水位抬高后的调度原则进行调洪计算，水库集水面积为23.8 km2，设计洪水的产流计算中采用初损后损法，而汇流计算采用推理公式法。在产流计算时认为流域内土壤最大含水量为100 mm，土壤前期含水量为80 mm，则初损为20 mm，降雨期间蒸发量(即后损)为1 mm/h。将本次洪水成果与2016年洪水复核成果进行比较，比较结果(见表4)。

由表4中天子岗水库不同阶段设计洪水成果可知，频率为0.05%、0.1%、0.2%、1%、2%的洪峰流量总体接近，相对误差小于5%；频率为5%和10%的洪峰流量分别为6.15%和9.67%，考虑到设计暴雨的成果存在偏差，以及在汇流计算时采用了不同的汇流时间等误差因素，综合认为抬高汛限水位后的洪水计算成果是合理可靠的，抬高汛限水位对水库防洪安全基本没造成新的影响。

表4 天子岗水库不同阶段设计洪水成果比较表

3 对水库大坝安全影响分析

3.1 对大坝稳定影响分析

依据水库汛限水位由23.16 m抬高到24.16m后的工况条件，采用加拿大软件GEO-SLOPE有限元分析系统中SLOPE程序计算，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)[9]规定，坝坡稳定分析主要考虑以下几种工况：(1)施工期的上、下游坝坡稳定性；(2)上游为设计水位，下游无水时下游坝坡的稳定性；(3)上游为校核水位，下游无水时下游坝坡的稳定；(4)水库水位由校核水位降落到正常蓄水位时上游坝坡的稳定性，计算结果(见表5)。

表5 主坝稳定分析计算结果

从表5计算结果可知，上、下游坝坡抗滑稳定的安全系数均大于《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求，即水库抬高汛限水位后，主坝上、下游坝坡的稳定仍满足规范要求。

3.2 对库水头及水位骤降工况发生变化的安全影响

对水库上游库水位在1 h内由正常蓄水位24.16 m降低到死水位16.66 m，下游水位为19.0 m工况下的上游坝坡稳定性进行分析。计算时取总历时200×10 s，分200步计算。结果显示，在库水位骤降工况下，上游坝坡安全系数呈先降低，后逐渐增大的趋势。在非饱和稳定渗流基础上分析水位骤降工况下分析上游坝坡安全系数，其由1.809逐渐降至1.413，后又缓慢增大至1.661。但在库水头骤降工况发生变化时，水库大坝安全系数均满足规范要求。

4 抬高汛限水位效益与社会影响分析

4.1 对水库兴利的影响分析

针对天子岗水库汛期弃水量大、汛后蓄水不足的问题，考虑到抬高汛限水位，充分发挥水库汛期蓄水功能，能够有效增加水库的兴利库容，有效提高水库的兴利效益。水库设计时的汛限水位为23.16 m，按径流长系列至2019年计，水库供水1 200 万m3，生态供水500 万m3，结合目前该区域的用水量，可知水库长年处于缺水状态。当将汛限水位抬高至24.16 m后，能够使水库库容增至1 200万m3，增加库容264.7 万m3，约为原库容的28.3%，能够使区域经济增加近70 万元/a。由此可知，抬高汛限水位将大大缓解天子岗水库汛期弃水量大、汛后蓄水不足的问题，可有效促进区域的经济增长、社会发展。

4.2 对移民征地的影响分析

天子岗水库抬高汛限水位至24.16 m后会使得上游淹没范围增加。但增加的淹没范围皆位于设计洪水位以下，考虑到水库校核洪水位范围内的土地均已确权，因此，将水库汛限水位由23.16 m抬高至24.16 m将不涉及移民征地等相关问题。

4.3 对下游防洪的影响分析

由于本次水库汛限水位的抬高幅度不大，对水库的防洪排涝影响很小，使得水库下泄流量仍小于下游的20年一遇标准，对下游的防洪排涝功能并没有造成不利影响。

5 结 论

考虑到天子岗水库存在汛期弃水量大、汛后蓄水不足以及该地区对水资源的需求量逐渐增加的问题，将该水库的汛限水位由原来的23.16 m抬高至24.16 m，相应的库容由935.3 m3提高至1 200 m3，增加库容约264.7 万m3，约为原库容的28.3%。结合抬高汛限水位后的水库工况，从水库防洪安全、水库大坝安全、水库周边经济及社会效益等方面，分析抬高汛限水位的影响程度。经分析可知，抬高该水库的汛限水位至24.16 m，对水库的防洪安全、水库大坝安全没有影响，同时也不涉及水库周边征地问题，对水库下游防洪排涝的影响也极小。考虑到抬高汛限水位后对地区带来的经济、社会及水生态等效益，天子岗水库抬高汛限水位至24.16 m是有必要的、可行的。