岩溶地区水库工程设计洪水分析

罗姗姗，叶人源，何 凤

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

1 工程概况

石板滩水库位于龙里县北部洗马镇石板滩村，水库所在河流哪磅河为清水河上段落北河二级支流。石板滩水库正常蓄水位1 337.00 m，相应库容为318万m3；校核洪水位1 337.30 m，相应库容355万m3；水库挡水建筑物为单曲砌石拱坝，最大坝高32.0 m，坝顶弧长268.8 m，坝顶宽2.9 m，坝顶高程1 339.00 m；坝顶设溢洪道，溢流堰顶高程为1 337.00 m。

2 流域水文地质条件

水库及附近区域碳酸盐岩广布，夹少量碎屑岩。其中强岩溶层组主要为P1m、P1q和C2hn中厚至厚层块状灰岩地层，分布于库尾正常蓄水位以上及坝址下游，远离库盆，溶蚀强烈，洼地众多，含水丰富。地下水主要以岩溶水和基岩裂隙水赋存，并以溶洞泉形式排出地表，在库尾上游百花树一带发育Ks1、Ks2 2个岩溶大泉，枯流为50～150 L/s，是水库主要基流补给源。水库接纳坝址以上流域来水及柏花树洞泉水，水库控制集水面积为9.5 km2(其中地表明流面积4.9 km2，属本流域岩溶、洼地，经地下调蓄后进入河道1.0 km2；另外有外流域岩溶、洼地经地下调蓄后以泉水形式进入河道3.6 km2)，主河道长度3.825 km，平均坡降39.67‰，流域形状系数0.335。

3 暴雨洪水特性

表1 设计流域不同频率最大24 h、1h设计暴雨成果表 /mm

4 设计洪水

4.1 历史洪水调查

根据坝上水位雨量遥测站记录显示，在2017年6月29，该水库发生1次大洪水。当日16时18时，水库水位超过堰顶高程(1 337.00 m)，但未超过坝顶高程(1 338.00 m)；根据当地45岁男子李波描述，历史上1998年有次大洪水，水库水位与2017年洪水相比稍大，水位略高，但是未超过防浪墙高程(1 338.70 m)。

2017年洪水水位超过堰顶高程0.68 m，水位达到1 337.68 m。考虑到被调查人对1998年前的洪水难记忆清楚，可靠历史洪水最远考证期仅能定在1998年。根据被调查人年龄，本次历史洪水频率以暴雨频率为主，结合周边站综合分析。根据龙里气象站年最大1日暴雨和年最大1 h暴雨系列分析，结合周边其他气象站资料，2017年洪水重现期约为20年一遇(下泄流量为58.2 m3/s ，1998年洪水重现期约为50年一遇。

4.2 设计洪水计算

本水库工程的集水面积有地表和地下2个部分，2部分的产流、汇流条件不同。本次设计洪水采用组合叠加法、全流域分别进行计算。其中明流区洪水采用贵州省特小流域雨洪公式计算，闭流区洪水采用闭流区雨洪公式计算。

(1) 明流区设计洪水

(F≤10 km2)

(1)

式中：Qp为设计频率P的洪峰流量，m3/s；r1为汇流系数，r1=0.36；f为流域形状系数，f=F/L2；L为主河道河长，m；J为分水岭至出口断面的河道平均比降；F为明流区流域汇水面积，km2；C为洪峰径流系数，0.825～0.873；SP为设计最大1 h点雨量，mm。

坝址设计洪量按下列公式计算：

W总=0.1·F·(H24p-Hs-△Hs)

(2)

式中：F为明流区流域汇水面积，km2；H24p为设计频率最大24 h面雨量，mm；Hs为稳定雨损，mm；ΔHs为附加雨损，mm。将水库坝址各参数代入以上计算公式，计算得水库坝址不同频率设计洪水，明流区天然设计洪水计算成果见表2。

表2 石板滩水库明流区天然设计洪水成果表

(2) 闭流区设计洪水

闭流区集雨面积为4.6 km2，具有一定的调蓄作用[4-5]，因此采用《贵州省特小流域暴雨洪水计算标准》中闭流区洪水计算公式计算。经查看水文地质图并结合调查，闭流区一次洪水历时过程15 h，涨水历时ta和退水历时(T-ta)的比例可选定为(T-ta)/ta约3～4，则涨水历时ta约为12 h，退水历时(T-ta)约为36 h。计算公式为：

Qp闭=0.0231·C·Φ·H24p·A闭/T

(3)

式中：Qp闭为闭流区洪峰流量，m3/s；C为洪峰径流系数(0.825～0.873)；Φ为暴雨点面折算系数，当F≤25 km2时，Φ=1；H24p为24 h设计面平均雨深，mm；A闭为闭流区流域汇水面积，F=4.6 km2；T为洪水总历时，48 h。

闭流区设计洪量采用《贵州省特小流域暴雨洪水计算标准》(1993年1月修订)中闭流区洪量计算公式计算。计算公式为：

Wp闭=C·Φ·H24p·A闭

(4)

式中：Wp闭为闭流区洪水总量, m3/s；C为洪峰径流系数(0.823～0.875)；Φ为暴雨点面折算系数，当F≤25 km2时，Φ=1；H24p为24 h设计面平均雨深，mm；A闭为闭流区流域汇水面积，F=4.6 km2；石板滩水库闭流区天然设计洪水成果见表3。

表3 石板滩水库闭流区天然设计洪水成果表

(3) 设计洪水成果

石板滩水库明流区和闭流区设计洪水过程线分别采用的概化过程线法计算，明流区取洪水形状系数ρ=0.2的(三)类概化过程线型[6-9]，涨水面积率取a0=21.9%，采用设计洪量控制。从水库坝前两泉水汇流处到坝址处距离约1 km，按照2.5 m/s的洪水河槽演进速度计算，0.2 h达到坝址处，考虑闭流区错峰0.3 h与明流区洪水叠加(错峰叠加过程已考虑明流区与闭流区自身汇流时间差)，即为坝址处设计洪水成果。石板滩水库设计洪水成果见表4。

表4 石板滩水库天然设计洪水成果表

4.3 设计洪水成果合理性分析

若水库坝址以上洪水计算考虑全流域产汇流，用暴雨洪水法进行洪水计算。2种方法设计洪水计算成果对比见表5。

表5 两种方法设计洪水计算成果比较表

从表5可以看出，采用明流+伏流叠加计算和全流域明流计算洪峰成果差异较大，洪水总量差别较小。水库坝址流域内无实测降雨资料，洪水由暴雨形成。本次设计洪水计算采用雨洪法分析，选取龙里气象站作为参证站，并结合贵州省短历时暴雨统计参数等值线图，确定设计流域暴雨统计参数。本次设计洪水计算20年一遇洪峰流量为59.9 m3/s，成果与2017年6月29号场次洪水下泄流量(58.2 m3/s)接近。由此可见，采用明流+伏流叠加计算设计洪水成果较合理可靠。

5 结 论

岩溶地区水库坝址以上明流区与伏流区产汇流特性差异巨大，因受到地下水通道和伏流洞调蓄作用，对天然洪水有明显的削峰滞洪作用，特别是伏流区洪水过程变化较小时，出流较均匀呈基流形式。本文采用明流+伏流叠加和全流域明流2种计算方法，计算设计洪水成果对比分析表明：按全流域考虑设计洪水成果明显偏大，采用叠加组合分析洪水计算成果与历史洪水调查成果接近，由此可见叠加组合分析方法更为可行合理。