关于广东省小(1)型水库除险加固及信息化建设工程设计探讨

刘嘉艺

广州市白云区南湖水库管理所 广东 广州 510405

为全面贯彻落实党的十九大精神，以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针，紧紧围绕“水利工程补短板，水利行业强监管”水利改革发展总基调，根据《国务院办公厅关于切实加强水库除险加固和运行管护工作的通知》（国办发〔2021〕8号）《水利部关于开展小型水库除险加固攻坚行动的通知》（水建设〔2020〕90号）《广东省水利厅关于开展小型水库安全运行管理标准化工作的通知》（粤水运管〔2019〕10号）的工作要求，加快推进小型水库除险加固，及时消除安全隐患，强化小型水库安全管理，进一步提升小型水库运行管理水平，守住小型水库安全底线[1]。

1 水库现状及主要问题

沙田水库位于广州市白云区钟落潭镇沙田村，帽峰山东北距离广州市区约30km，该水库是拦截流溪河水系凤尾坑而成，是一座以灌溉为主，兼顾防洪等综合利用功能的小（1）型水库。根据原设计登记资料，沙田水库集雨面积5.8km2，死水位66.34m（珠江基面高程系统，下同），相应库容19.57万m3，正常水位79.84m，按5 0年一遇设计水位8 0.1 4 m，5 0 0年一遇校核水位80.48m，总库容512.00万m3，属小（1）型水库，主要建筑物级别为4级。最近一次除险加固为1998年，距今超过20年。

根据《广州市白云区沙田水库大坝安全评价报告》（广州市水务科学研究院 2017年9月），沙田水库被评定为二类坝，主要存在的问题如下：

（一）东、西坝防浪墙及防护墙局部均有裂缝；迎水坡混凝土护面表面平整，局部有裂缝；排水设施正常，马道局部排水沟表面有剥落情况。

（二）大坝未设置位移、变形等观测设施，安全监测设备不完善，已有渗流观测设施已废，无法正常使用。

（三）输水涵旧涵洞段大部分管身内部冲蚀严重，局部出现混凝土剥落，并有局部存在较为严重的开裂渗水情况。输水涵闸门存在较为严重的锈蚀情况；止水及密封老化；启闭设备为人力螺杆启闭机，拉杆表面存在锈蚀；闸门、启闭设备已超过金属结构20年的折旧年限，且效率低。

（四）溢洪道边墙、底板局部有裂缝；控制闸门止水存在老化；控制设施启闭机及电机设备老化。启闭机启闭速度较慢，噪声较大，电动机、启闭机设备超折旧年限，耗能高，效率低[2]。

2 水库建设的目标与任务

在防洪排涝方面，根据《广州市白云区防洪排涝规划》，沙田水库属于凤尾坑分区，为小（1）型水库。凤尾坑分区位于广州市白云区东北部钟落潭镇，分区集雨面积75.80km2（含沙田水库5.80km2及湴湖围3.85km2），该流域地面标高为17.1～31.3m，河口不设防洪水闸。沙田水库作为凤尾坑起点，其保护对象包括：白云区钟落潭镇及黄埔区九佛街道，人口约1.2万人，耕地0.65万亩，以及京珠高速、广从路等重要交通干线。[3]在灌溉方面，沙田水库由于城市化进程的加快，灌溉面积有所减少，目前灌溉面积约为1200亩。在运行管理方面，应满足《广东省小型水库安全运行管理标准化工作指引（试行）》的相关要求及水库管理单位的相关需求，完善水库在运行管理方面所需相关信息化配套。

因此，工程建设的主要目标是：一是强化水库拦蓄洪水能力，消减进入下游河道的洪峰流量，减免洪水灾害，保护下游人民群众生命、财产安全。二是保障下游约1200亩农田的灌溉需求。三是按照小型水库安全运行管理标准化相关要求及管理单位实际需求，提升水库管理区域在运行管理方面的信息化配套。

主要任务是：对水库东、西大坝加固，灌溉及防洪建筑物升级改造，安全监测及运行管理信息化建设。

3 洪水演算

因沙田水库所在凤尾坑流域缺乏实测的洪水资料，设计洪水采用设计暴雨推求。

3.1 设计暴雨

由于本工程缺乏实测的洪水资料，因此采用最新颁布的《广东省暴雨参数等值线图》（2003年版）查取暴雨参数来推求设计洪水[4]。

表1 沙田水库设计暴雨参数表

3.2 流域参数

集雨面积和河长量算均采用2003年的1：2000的实测地形图量计。河床坡降J自河口在地形图上分别量读各比降变化特征点的等高线高程及相应河长，采用加权平均法计算坡降J及集水区汇流特征参数θ：

式中：

Z0、Z1、Z2……Zn——河口至上游河道的等高线高程（m）；

L1、L2、L3……LN——河口至上游河道的相应河长(km)；

L——总河长（km）；

水库坝址处流域参数的推求成果见下表：

表2 沙田水库流域参数表

3.3 设计洪水

本设计同时应用广东省综合单位线方法和推理公式法（1988年修订）两种方法计算设计洪水。

A. 广东省综合单位线法

此方法是通过对纳西瞬时单位线方法的深入研究分析，汲取国内外经验，结合广东省实际，提出的一套适合广东省特点的综合单位线方法。方法的各项参数与各流域特性有关，在“图表”中查得并用计算机计算。

B. 推理公式法

其公式为：

式中：

Qp—设计洪峰流量（m3/s）；θ—汇流特征参数；F—集雨面积（km2）；

Sp—相应频率P的设计暴雨雨力；np—相应频率p的暴雨递减指数；

τ—汇流历时（小时）；f—平均后损率（mm/h）；m—汇流参数。

表3 推理公式法和单位线法设计洪峰计算成果比较

从上表可知，采用综合单位线法和推理公式法计算所得的沙田水库洪水总量比较接近，洪峰流量计算结果相差均不超过20%，符合要求。根据《广东省暴雨径流查算图表使用手册》，当两种方法算得的洪峰流量值相差不超过20%时，应选用广东省综合单位线方法的计算成果。

4 水库调洪演算

4.1 水位库容曲线

本次重新复核了水库水位～库容关系，水库水位～库容关系见表4。考虑水库运行已有60余年，库容存在较大变化，本次库容曲线采用新复核测绘成果。

表4 沙田水库水位～库容统计表

4.2 泄流曲线

本工程改建后溢洪道水闸为3孔，单孔净宽为5.0m，为开敞式正槽河岸控制闸溢洪道，平地板宽顶堰形式，堰顶高程77.04m。

闸门全开时，根据《溢洪道设计规范》（SL253-2018），宽顶堰自由溢流计算公式如下。

m——流量系数；

b ——闸孔净宽，m；

H——不计入流速水头的堰上总水头，m。

本次对溢洪道泄流能力进行计算，水位～泄流能力关系见表5[5]。

表5 沙田水库水位～库容统计表

4.3 调洪演算成果

根据三、洪水演算成果、水位库容曲线及水位泄流曲线，得到各频率下水库调洪演算成果，见表6。

表6 各频率设计

5 信息化方案

5.1 大坝变形监测

断面选择和测点布置

1、观测横断面通常选在最大坝高或原河床处、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处，坝内埋管及运行有异常反应处。

2、坝长100至200m设置3个监测断面（6个GNSS变形监测和12个渗流监测点）[6]。

5.2 渗流监测

1、断面选择和测点布置

坝长100至200m设置3个监测断面（12个渗流监测点）。

2、监测设备选择

（1）作用水头小于20m的坝、渗透系数大于或等于10-4cm/s的土中、渗压力变幅小的部位、用于监视防渗体裂缝等，宜采用测压管；

（2）本次测压管水位采用振弦式孔隙水压力计进行自动测量[6]。

5.3 环境量监测

选点原则

1、库前水位、降雨量监测：目前沙田水库已建设库前水位、降雨量监测点，本次不予考虑。

2、下游水位监测：通过流量监测设备获取下游水位。

3、库水温监测： 通过水质监测设备的监测探头，获取库水温。

4、气温监测：大坝坝顶建设标准气象百叶箱，获取库区气温数据。沙田水库已建设气温监测，磨刀坑水库建设一套温度监测设备。

5、流量监测：在输水涵/溢洪道出水口附近安装一套流量监测设备。在溢洪道和输水涵出水口附近各布设一套流量监测设备[6]。

5.4 水质监测

建设点位：建设2个水质监测点（入水口和出水口），其中下游出水口水质监测宜在输水涵出水口附近布设1个常规五要素水质监测。

5.5 闸门控制系统

在安装有电动启闭机的启闭室安装闸门控制系统，实现水库管理房可远程操作启闭室启闭机运行。沙田水库安装2套闸门远程控制系统（输水涵闸和水渠的水闸）。

5.6 视频控制及广播

1、视频点位选取原则：

（1）大坝背水坡。监控背水坡整体环境，包括草是否过长未处理、非法人员闯入、违规作业。

（2）大坝坝顶：监控大坝坝顶监控。

（3）输水涵/溢洪道监控：输水涵及溢洪道进水、出水口各一个点位，水渠通道间隔50m一个监控点位，水渠附近林木遮挡较多时候，适当增加点位数量。

（4）水库水面情况：分布在水库两侧。查看水面情况，岸边是否有人员滞留、游泳、钓鱼等闯入现象。

（5）水工建筑：监测溢洪道起闭室、输水涵起闭室大门及室内，主干路。

5.7 识别场景

识别场景如下：人员越界、水面漂浮物、蓝藻、钓鱼、非法游泳、黑臭水体、水库水位、倾倒废渣、偷排口事件、车牌识别。

广播点位选择：在视频点位安装IP广播，及时进行喊话驱赶。

6 水库除险加固及信息化建设

根据《广州市白云区沙田水库大坝安全评价报告》（广州市水务科学研究院 2017年9月）所列问题，为达到沙田水库在防洪、灌溉、管理上的目标和任务，确定本次建设的主要内容：

（一）大坝充填灌浆加固；改建大坝上游面护坡；修复现状防浪墙和护墙，更新现状路灯；坝顶坝顶路面、景观升级改造；顺接混凝土路面等；

（二）溢洪道：改建溢洪道水闸1座，改建后水闸为3孔，单孔净宽为5.0m；

（三）改建输水涵及启闭设备，并结合改建的输水涵对输水涵出水渠进行改造及新建节制闸1座；

（四）配电房翻新1座，生产生活用房用房翻新2座，拆除生产生活用房1座；

（五）新建大坝变形监测、渗流监测、环境量监测、水质监测、闸门控制、视频控制及广播系统等。

7 结语

沙田水库除险加固及信息化建设工程完成后，将消除水库工程隐患，有效保障水库工程安全，提升周边防洪排涝能力，改善灌溉环境，增加灌区农作物产量，对保障下游人民生命财产安全，维护水库水环境、水生态，促进社会经济稳定均衡发展作出具有极大的贡献，将产生巨大的社会效益。