高州市泗水镇龙胆塘水库防洪能力复核分析

周子宜

（广东河海工程咨询有限公司,广东 茂名 525000）

1 引言

1991 年《水库大坝安全管理条例》公布，要求大坝主管部门建立定期安全检查与鉴定制度；水利部在《水库大坝安全鉴定办法》中进一步规定，大坝应定期进行安全鉴定，首次鉴定在竣工验收后5 年内进行，以后每隔6 年～10 年进行一次。

高州市泗水镇龙胆塘水库兴建于1973 年4 月,距今已运行近五十年,因此对龙胆塘水库进行安全鉴定显得十分必要。其中,防洪是水库所承担的一项重要功能,在水库长期运行过程中由于各种因素,如淤沙沉积、风浪冲刷等会导致水库防洪能力下降,因而,当洪水来临时,水库无法发挥防洪效能,下游人民生命财产安全得不到充分保证[1-3]。

2 工程概况

龙胆塘水库是一座小（1）型水库,位于广东省高州市泗水镇境内,属于鉴江流域袂花江支流小东江泗水河的上游。水库总库容为110.64 万m3,主要任务防洪和农业灌溉,同时兼顾供水和水产养殖等综合效益。水库枢纽由主坝、副坝、溢洪道、输水涵管和管理房屋等建筑物组成,大坝为均质土坝,最大坝高约10.5 m。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）规定,水库大坝设计洪水标准为30 年一遇,校核洪水位为300 年一遇。

3 设计洪水复核计算

3.1 设计洪水计算方法

龙胆塘水库采用综合单位线法与推理公式法计算设计洪峰流量。首先,根据流域参数和关系曲线图推求综合单位线滞时和推理公式汇流参数,利用两种方法分别计算设计洪峰流量,比较后检查推求的综合单位线滞时和推理公式汇流参数是否合理,并根据它们对设计洪峰流量的影响,在允许范围内进行合理调整。必要时,还可以重新选择适当的无因次单位线,以确保两种方法计算得到的设计洪峰流量相差不超过20%。两种设计洪峰流量的计算公式分别如下：

（1）综合单位线法

根据广东省综合单位线法Ⅱ号无因次单位线,得到计算单位线上涨历时以及纵横坐标如下：

式中：tp为上涨历时；m1为综合单位线滞时；Δt 为时间间隔,h；K 为无因次单位线的一阶原点矩；ui、xi为无因次单位线的纵横坐标；qi、ti为时段单位线的纵横坐标；W=F/3.6,相当于1 mm 的净雨所形成的时段单位的总洪量；F 为集水面积,km2。

（2）推理公式法

2012年后，阿4段高达75%的措施有效率引起地质研究人员的重视。他们通过地震资料精细解释及实钻资料分析，首次发现并刻画出阿4段河道砂岩性油气藏，并陆续部署DK32X、DK33H、DK35H、DK37H等井，均实现良好建产。截至2018年10月初，阿4段河道砂岩性油气藏日产油27.8吨，占该油田日产量的42%，已累计产油4.27万吨，累计产气0.47亿立方米。

使用下列两公式联合求解：

式中：Qm为断面设计洪峰流量,m3/s；Sp为暴雨雨力,mm/h；T 为汇流历时,h；np 为相应于设计频率P 的暴雨递减指数；f 为平均损失率,mm/h；L 为干流河长,km；M 为流域汇流参数；J 为河道平均坡降。

3.2 产流和汇流参数

根据相关资料查得龙胆塘水库流域暴雨统计参数见表1。

表1 龙胆塘水库流域暴雨统计参数表

根据 1∶10000 地形图计算有关的地理参数,河道平均坡降J 采用加权平均法计算以及流域特征参数θ与流域汇流参数计算公式如下：

式中：Z0、Z1、Z2……Zn为河口至上游分水岭河道的特征点高程,m；L1、L2、L3……Ln为河口至上游河道的相应河长,km；L 为总河长,km。

根据相关资料,龙胆塘水库坝址以上集雨面积为2.03 km2,总河长为2.66 km,平均坡降为0.026。龙胆塘水库区域产、汇流参数见表2。

表2 龙胆塘水库流域产、汇流参数表

3.3 洪水成果

依据上述确定的水库暴雨参数、产汇流参数,分别推求龙胆塘水库各频率设计洪水,计算成果见表3。由表可知,综合单位线法和推理公式法计算的洪峰流量差异均不超过20%。据《广东省暴雨径流查算图表使用说明》：在参数合理调整的前提下,两种方法计算的设计洪峰流量相差不超过20%时,应选择综合单位线法计算得到的设计洪水结果。

表3 设计洪水计算成果表

4 水库调洪计算

4.1 起调水位

龙胆塘水库溢洪道为开敞式溢洪道,泄洪方式为自由敞泄,溢流面宽度10 m,以溢洪道堰顶高程62.48 m 作为起调水位。

4.2 调洪计算方法

根据求得的设计洪水,在实测龙胆塘水库水位～库容关系、水位～下泄流量关系的基础上,根据水量平衡原理进行计算,计算公式如下：

式中：V1、V2为时段初、时段末水库蓄水量,m3；Q1、Q2为时段初、时段末入库流量,m3/s；q1、q2为时段初、时段末出库流量,m3/s；Δt 为水库调洪时段,h。

4.3 水库水位～库容与水位～下泄流量关系

通过库区地形图重新计算水库水位～库容曲线,见表4。

表4 龙胆塘水库水位～库容关系表

溢洪道宽度为7 m,为宽顶堰,堰顶高程为62.48 m,可按照堰流公式推求水位～下泄流量关系：

式中：Q 为流量,m3/s；ε 为侧收缩系数；m 为流量系数,取 0.36；b 为溢流堰过水净宽,m；g 为重力加速度,m/s2；H0为堰上水头,m。

计算得到龙胆塘水库溢洪道水位～泄量关系见表5。

表5 龙胆塘水库溢洪道水位～泄量关系表

4.4 水库调洪计算成果

根据设计洪水计算结果、水库水位～库容、下泄流量关系曲线,采用水量平衡原理对水库进行调洪计算,水库调洪成果见表6。

表6 龙胆塘水库调洪演算成果表

龙胆塘水库本次复核的特征水位和库容指标分别为：设计洪水位（P=3.33%）64.03 m,相应库容94.37 万m3；校核洪水位（P=0.333%）64.76 m,相应库容110.64 万m3。

5 大坝抗洪能力复核

5.1 坝顶超高计算

龙胆塘水库大坝工程等级为4 级,根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）,坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：

式中：Y 为坝顶超高,m；R 为波浪最大爬高,m；A为安全加高,m,对于4、5 级坝,设计工况取0.5 m,校核工况取0.3 m。

5.2 计算参数的选取

（1）风速。《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）,正常运用条件下,应采用多年平均最大风速的1.5 倍进行设计,而非常运用条件下则采用多年平均最大风速。由于库区没有实测气象资料,所以采用了高州市多年平均年最大风速为15 m/s 作为基准值。在正常运用条件下,设计应采用22.5 m/s 的风速进行计算；而在非常运用条件下,则应采用15 m/s 的风速进行计算。

（2）吹程为400 m。

（3）水域平均深度。设计水位条件下,水库静水位64.03 m,水域平均深度 6.06 m；校核水位条件下,水库静水位64.76 m,水域平均深度 6.79 m；正常水位条件下,水库静水位 62.48 m,水域平均深度 4.51 m。

（4）波浪爬高。根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）,对于4、5 级坝,应先计算平均波浪爬高值Rm,再根据平均波高hm与坝前迎水面水深H 的比值（hm/H）,查得Rp/Rm比值,从而求得累计频率爬高值Rp。龙胆塘水库按正向来波单坡考虑,迎水坡坡度m 为2.15,平均波浪爬高Rm按下式计算：

式中：KΔ为斜坡糙率渗透性系数,对于干砌块石护面取0.75；Kw为经验系数；Lm为平均波长,m。平均波高hm、平均波长Lm采用莆田试验站公式计算。

5.3 坝顶高程复核结论

坝顶高程应考虑不同运行工况的影响,根据不同运行工况计算坝顶高程,并选取计算结果中的最大值,计算结果见表7。高州市所在地区地震基本烈度为Ⅶ度,地震安全加高值取0.5 m。

表7 大坝坝顶高程计算结果

由表7 可知,对水库主坝三种工况进行坝顶高程复核,水库设计工况时,坝顶高程为65.43 m,校核工况时,坝顶高程为65.57 m,地震工况时,坝顶高程为63.51 m。取现状坝顶最低的副坝进行比较,副坝坝顶高程为65.38 m,防浪墙顶高程为 65.58 m。经比较可知,防浪墙顶高程均高于计算坝顶高程,各工况静水位均低于现状坝顶高程,故坝顶高程满足规范要求。

5.4 泄洪安全性复核

5.4.1 泄洪能力复核

龙胆塘水库溢洪道净宽7.0 m,堰顶高程62.48 m,控制段及泄槽段两侧边墙均为混凝土挡墙,挡墙净高约2.2 m。岸墙墙顶高程为65.49 m。经调洪演算,水库最大下泄流量为38.6 m3/s,溢洪道堰上水头2.28 m,相应库水位为64.76 m,岸墙墙顶高程满足校核洪水位+0.3 m 安全加高的要求,因此溢洪道泄洪能力满足规范要求。

5.4.2 泄槽过流能力复核

泄槽总长约90 m,其中缓坡段长约47 m,纵坡为0.01；陡坡段长约43 m,纵坡为0.2。槽身为等宽矩形断面,宽度7.0 m。槽身糙率n=0.02。根据校核洪峰流量,通过水面线计算确定溢洪道边墙高程,为采用计算的水面线加上0.5 m 的安全超高。在陡坡段上游设置宽顶堰,计算水面线时,起始断面应定在陡坡段的起始位置,水深应采用陡坡段起始断面的临界水深。经计算,溢洪道泄水槽在最大泄量38.6 m3/s 时,水面线计算结果见表8。

表8 溢洪道水面线计算成果表

由表8 可知：计算所需墙高为1.50 m～1.93 m,现状墙高为2.20 m,泄槽满足规范要求。因此溢洪道可以安全通过最大泄量。

6 结论

高州市泗水镇龙胆塘水库经防洪标准复核,其防洪标准与复核前保持一致,设计洪水标准为30 年一遇,为67.8 m3/s,校核洪水标准为300 年一遇,为101 m3/s；龙胆塘水库洪水防洪调度为自由敞泄,符合小型水库的特点,且满足大坝安全运行的要求；龙胆塘水库大坝现有坝顶高程满足防洪标准要求；龙胆塘水库溢洪道泄槽侧墙高程满足泄洪要求,泄洪能力满足规范要求。综上所述,根据《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2017）,大坝防洪安全性为B 级。