俄垤水库除险加固工程设计洪水和防洪安全复核分析

代 超，施文俊，郑 红

（1.云南省能源投资集团有限公司,云南 昆明 650228；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650051）

1 工程概况

俄垤水库位于红河县宝华乡东南部的勐龙河上游,勐龙河系红河右岸的一级支流,全长54 km,流域地势南高北低,落差2065 m,河床平均坡降38.2‰,平均高程1420 m。俄垤水库坝址控制流域面积71.7 km2,坝址以上干流总长18.35 km,河道平均比降为44.0‰,流域形状系数为0.208。俄垤水文站位于俄垤水库坝址处,于1978 年7月设立,1989 年3 月撤销；观测项目有水位、流量以及降水等,水文测验精度较高,但实测系列较短。

俄垤水库于1998年7月建成,水库总库容3010 万m3,是一座解决农业灌溉用水并兼顾城乡用水、工业用水、发电等综合利用的中型水库；枢纽工程由拦河大坝（均质土坝）、溢洪道及输水泄洪隧洞组成,最大坝高64.9 m；工程等别为Ⅲ等中型,水库设计洪水标准为50 年一遇,校核洪水标准为1000 年一遇,消能防冲设计洪水标准为30 年一遇。2015 年,经安全评价和鉴定,俄垤水库大坝为“三类坝”,不能正常运行、发挥设计功能,需进行除险加固。

2 设计洪水复核

俄垤水库原设计中未对后汛期洪水进行分析,但在设计中考虑了结合库容,正常蓄水位为1560.68 m,汛限水位为1558.68 m,结合深度2 m,结合库容235.27 万m3,因此俄垤水库除险加固初步设计需要对水库主汛期和后汛期设计洪水进行复核分析,作为调洪计算依据。

2.1 主汛期设计洪水

俄垤水库流域1 h、6 h、24 h暴雨统计参数根据《云南省暴雨统计参数图集》[1]（以下简称《省暴雨图集》）查得：1 h、6 h、24 h暴雨均值分别为37 mm、57 mm、77 mm,变差系数Cv分别为0.42、0.41、0.39,偏态系数Cs=3.5 Cv。基于《省暴雨图集》参数采用瞬时单位线法[2]（根据《云南省暴雨径流查算图表》[3]推求单位线）、推理公式法[4]进行汇流计算推求设计洪水,并基于俄垤水文站1978年8月～1988年3月实测洪水和历史洪水调查资料采用频率分析法,对俄垤水库设计洪水进行复核计算,结果见表1。

表1 俄垤水库不同方法设计洪水结果对比表

三种方法计算结果中,洪峰流量为瞬时单位线法计算结果最大,实测资料法次之,推理公式法最小；24小时洪量为瞬时单位线法计算结果最大,推理公式法次之,实测资料法最小。鉴于推理公式法汇流参数m的确定有一定的任意性,经验公式τ=0.278 L/（mJ1/3Qm1/4）中指数1/3和1/4属经验值,不一定符合本地实际情况；实测资料分析法未考虑1988年以后的洪水情况,并且系列系列太短,无代表性；《省暴雨图集》综合多方面因素作了暴雨地区综合影响平衡,站网密度较大,资料年限较长,且考虑了特大暴雨资料对参数分布和量级变化的影响,参数计算精度和区域代表性较高并充分考虑了空间变异性,能反映流域实际情况。因此,基于《省暴雨图集》暴雨统计参数采用瞬时单位线法推求的设计洪水更合理,作为设计洪水复核采用成果。

本次设计洪水复核采用的成果与初设阶段结果比较见表2,复核的洪峰流量较原设计增加15%以上、24 h洪量增加12%以上,鉴于原设计采用的暴雨、洪水系列值较短,而本次基于《省暴雨图集》的瞬时单位线法采用的暴雨参数系列值更长、计算结果更精确且洪水计算结果更大,因此采用本次复核计算的洪水成果作为除险加固设计依据。

表2 本次复核设计洪水成果与原初步设计成果比较表

2.2 后汛期洪水计算

俄垤水库洪水分为主汛期洪水、后汛期洪水和枯期洪水,其中主汛期为6月初～9月底,后汛期为10月初～11月底,枯期为12月初～翌年5月底。

2.2.1 后汛期设计洪水

从俄垤水文站1979年～1988年实测资料中挑选后汛期最大流量、最大一日洪量资料进行频率计算和适线：洪峰流量均值Qm=19.0 m3/s,Cv=1.5,经适线后采用均值Qm= 19.0 m3/s,Cv=1.35,Cs=4.0Cv；一日洪量均值Wm=70.61 万m3,Cv=1.08,经适线后采用均值Wm=70.61万m3,Cv=0.9,Cs=3.5Cv。根据适线后的参数,计算得各频率设计洪水成果见表3。

表3 俄垤水库后汛期设计洪水计算结果表

2.2.2 后汛期设计洪水抽样误差及安全保证值

俄垤水库后汛期洪水分析使用俄垤水文站1979年～1988年实测10年的洪水资料按P-III型频率曲线计算,设计洪水均值、表3中各频率洪水设计值的抽样误差分别用式（1）、式（2）计算（其中B为Cs和P的函数,由B值诺模图[3]查得）,抽样误差计算结果见表4。

表4 俄垤水库后汛期设计洪水抽样误差表

从表4中可以看到,采用俄垤水文站1979年～1988年实测洪水的参数去代替总体统计参数的抽样误差均较大,P=0.1%～P=3.33%各频率设计洪水值的误差基本都超过了50%。按照规范[3]中“对大型工程或重要的中型工程,用频率分析法计算的非常运用标准的洪水,经分析检查,如成果有偏小的可能时,应加安全保证值（一般不超过计算值的20%）”的规定,虽然俄垤水库下游无重要城镇、工矿区、铁路或其他重要政治经济意义的设施,但鉴于资料系列短,因此在P=0.1%～3.33%洪峰、洪量上增加计算值15%的安全值,最终确定俄垤水库后汛期设计洪水见表5。

表5 俄垤水库后汛期设计洪水成果表

3 调洪计算

俄垤水库上游植被较好,泥沙淤积不严重,库容曲线采用原设计测量的库容曲线；溢洪道和输水泄洪隧洞采用经复核的泄流曲线,与原设计相差不大。主汛期洪水的起调水位为汛限水位1558.68 m,后汛期起调水位为正常蓄水位即1560.68 m,均通过溢洪道和输水泄洪隧洞共同泄洪。本次调洪计算成果与原初步设计成果对比见表6：本次复核的设计洪水位为1561.01 m（后汛期设计洪水调洪确定）,校核洪水位为1562.59 m（主汛期校核洪水调洪确定）,均低于俄垤水库原设计值；考虑到原设计经过审批,经过本次设计洪水和调洪计算复核后,俄垤水库的特征水位仍采用原设计成果,即设计洪水位为1561.66 m,校核洪水位为1562.83 m。

表6 俄垤水库调洪计算成果表

4 坝顶高程复核

俄垤水库位于山区峡谷地区,按《水利水电工程等级划分及洪水标准》[3]和《碾压式土石坝设计规范》[5]要求,坝顶高程不得低于水库校核洪水位,土质防渗体的顶高程应不低于校核洪水位；坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程,坝顶在水库静水位以上的超高由三部分组成,即波浪爬高、风壅水面高度和安全加高,计算公式如下：

式中：Y为坝顶在静水位以上的超高,m；R为风浪沿着坝坡的最大爬高,m；e为最大风壅水面高度,m；A为安全加高,m。

俄垤水库大坝坝顶超高计算结果见表7,正常运用条件下所需的防浪墙顶高程为1563.66 m,非常运用条件下所需的防浪墙顶高程为1564.06 m（校核洪水位工况）。现状防浪墙顶高程为1564.90 m,防浪墙顶高程满足规范要求；现状坝顶高程（1563.90 m）高于非常运用条件下静水位（校核洪水位1562.83 m）,故坝顶高程亦满足规范要求。

表7 俄垤水库大坝坝顶高程计算结果

5 结论

设计洪水复核计算和防洪安全复核是水库除险加固设计的重要内容和基本依据[6],对设置了汛限水位的水库应合理确定分期设计洪水。在红河县俄垤水库除险加固工程初步设计中,采用多种方法计算主汛期设计洪水,最终采用基于《省暴雨图集》统计参数瞬时单位线法计算结果,并与原设计比较后采用本次复核成果；基于邻近水文站主汛期、后汛期洪水关系,考虑抽样误差推求后汛期洪水；经采用主汛期、后汛期洪水进行调洪计算,水库特征水位维持原初步设计,并进行坝顶高程复核,现状坝顶高程满足防洪要求。本文的计算分析可为类似水库除险加固工程提供参考。