龙态河流域水库洪水计算及调洪设计_杨天祥.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 079龙态河流域水库洪水计算及调洪设计杨天祥(丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118001)摘要水库的洪水计算成果对于雨季防洪有着重要的指导意义。为能够科学指导水库调洪工作，以辽宁省东港市龙态河上游合隆、范家山、黄家岗三座水库作为分析对象，根据当地水文资料相关成果计算水库的设计暴雨成果，并依据公式和“经验概化法”得出设计洪水过程线。同时，利用“半图法”求解出三座水库调洪情况，并且有针对性地对水库进行了除险加固，使它们满足了 10 a 一遇洪水的调节需要，可为相关管理工作提供科学的参考依据。关键词水库;设计洪水;水量平衡方程;下泄洪水中图分类号TV122+3文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0232 02收稿日期2022 07 26作者简介杨天祥(1982 )，男，河南濮阳人，高级工程师，主要从事水利水电工程规划设计方面工作。0引言水库设施是最常见的防洪灌溉工程形式之一，其关键参数与当地洪水情况直接相关，通过对洪水计算才能估算出其防洪风险问题。辽宁地区处于温带半湿润和半干旱地区，夏季洪水爆发频率高、损失大，而且众多水库工程建设于上世纪 50 年代，保证其运行安全尤为重要。1项目区概况龙态河是辽宁省东港市中部地区较大的一条河流，发源于合隆镇北龙头山、东尖山南麓，向南流经合隆、东尖山、马家店、北井子等乡镇。流域现有合隆、范家山、黄家岗 3 座中、小型水库，控制面积 52 17 km2，总库容 1 915 58 万 m3，兴利库容 1 000 49 万 m3，上述水库全部用于农业灌溉，现有水库工程具体情况见表 1。表 1龙态河流域现有水库具体情况表水库名称集雨面积/km2总库容/万 m3兴利库容/万 m3设计灌溉面积/亩兴建年份合隆水库40 01 47976230 0001944范家山水库2 2246 5835 81 0501964黄家岗水库9 95390202 697 19019572水库设计洪水计算2 1暴雨洪水特征形成本流域暴雨的天气系统主要有华北气旋、台风、低压冷峰和高空槽等。这类天气系统一般出现 1 3 d 的暴雨天气。龙态河流域暴雨比较集中，多发生在七、八月份，一次洪水过程一般在 3 d 左右，属于陡涨陡落的山区性河流。一次洪水过程的洪量主要集中于 1 3 d 之中。2 2设计暴雨计算依据辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法，该地区属2水文分区，分别由各时段暴雨均值等值线图和暴雨变差系数等值线图查得各时段暴雨的均值和变差系数 Cv，取 Cs=3 5Cv 进行各频率设计暴雨计算，计算成果分别见表 2 所示1。表 2合隆、黄家岗、范家山水库各时段设计暴雨成果表名称计算时段均值/mmCvKF各设计频率 kp 及降雨量/mmkp/20%P/20%kp/10%P/10%合隆水库黄家岗水库范家山水库1 h410 546 h800 5824 h1300 6三 d1720 61 h420 56 h780 5524 h1300 6三 d1700 61 h420 556 h800 624 h1320 6三 d1730 60 9960 9961 001 3454 71 7169 81 35107 61 75139 41 35174 81 77229 21 35231 31 77303 21 3255 21 6669 41 34104 11 72133 61 35174 81 77229 21 35228 61 77299 71 3456 31 7272 21 35108 01 77141 61 35178 21 77233 61 35233 61 77306 22 3各水库洪水计算根据龙态河流域上游 1:10 000 地形图测算，合隆、黄家岗和范家山三座水库主要地理参数见表 3 所示2。表 3合隆、黄家岗、范家山三座水库基本资料表水库集雨面积/km2河流长度/km河流比降/水文分区汇流系数 r汇流历时 合隆4010 659 5黄家岗9 956 215 61范家山2 222 164 720 362 371 940 962 3 1合隆水库坝址以上洪水合隆水库集水面积为 40 km2，设计频率洪峰流量 Qmp计算见公式(1)3。Qmp=0 234r0 848f0 331J0 221F0 834 CSp1 143(1)2322023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3式中:f 为流域形状系数，取值 0 5;J 为主河道加权平均坡降，取值 5 0;F 为流域面积;C 为洪峰径流系数，取值0 72;Sp为设计频率最大 1 h 暴雨量。2 3 2黄家岗、范家山水库坝址以上洪水黄家岗、范家山水库集水面积分别为 6 21 km2、2 16km2，设计频率洪峰流量 Qmp计算见公式(2)。通过计算，得出三处水库洪水成果见下表 4 所示。Qmp=0 481r0 571f0 223J0 149F0 890CSp1 143(2)表 4合隆、黄家岗、范家山水库洪水成果P(%)计算参数单位合隆水库黄家岗水库范家山水库p=20%p=10%p=20%p=10%p=20%p=10%洪峰流量 Qmpm3/s258 73 349 671 5596 4925 4934 95洪量 Wmp万 m324234570 286 423 832 92 4各水库设计洪水过程线计算在此采用“经验概化法”来求龙态河流域上游合隆、黄家岗和范家山 3 座水库的设计洪水过程线，主要步骤如下:(1)根据各水库设计洪水总量、洪峰、暴雨洪水形成特点等资料，得到最初设计时段净雨过程;(2)利用该地区现有的“水库汇流模型”得到大致洪水过程线;(3)利用“同频率放大法”处理洪峰、洪量等洪水参数达到标准要求，并将其与上一步得到的大致洪水过程线通过调节该时段净雨过程进行拟合，直到拟合效果满意为止4。本项目水库设计洪水过程线成果见表 5(部分)和图 1 所示。表 5合隆、黄家岗、范家山水库设计洪水过程线 m3/s时段/h合隆水库黄家岗水库范家山水库p=20%p=10%p=20%p=10%p=20%p=10%01 11 50 30 40 10 199 213 62 13 10 70 9216 89 21 72 40 10 230259 8351 171 896 925 635 04016 922 83 14 70 40 6506 88 51 11 70 20 3603 75 00 51 00 10 1722 63 60 40 70 10 1图 1各水库设计洪水过程线3龙态河流域水库调洪设计分析龙态河干流洪水主要由合隆、黄家岗、范家山三座水库的下泄水量与各支流的洪水相组合，其中平原、丘陵区支流直接按基流的形式加入，山区 河 流 与 干 流 进 行 错 峰 后 组合5。在此主要计算水库泄流洪水情况。3 1水库调洪计算步骤分析水库调洪可以拦蓄洪水、削减洪峰，延长泄洪时间，使洪水能够安全通过下游河道。在此以水库水量平衡方程(见公式(3)和图 2 所示)6为依据来设计龙态河上游三个水库调洪规格。本次利用“半图法”来计算分析各水库调洪情况，基本步骤如下:12(Qt+Qt+1)t 12(qt+qt+1)t=Vt+1+Vt(3)式中:t 为计算时段长度，min;Qt、Qt+1为计算时段初、末的入库流量，m3/s;qt、qt+1为计算时段初、末的出库流量，m3/s;Vt、Vt+1为计算时段初、末的水库蓄水量，m3/s。图 2水库水量平衡示意图(1)根据水库资料绘制各水库“水位 容积(Z V)”关系曲线，并根据泄洪孔口类型和尺寸，结合水力学出流计算公式求得各水库的“出库流量 容积(q V)”关系曲线;(2)以起调水位为标准，查各水库的“Z V”和“q V”关系曲线得到(3)式中的 qt和 Vt，再由水库洪水过程线查得(3)式中的 Qt、Qt+1。然后给 qt+1赋值，根据(3)式算出 Vt+1的值，再根据 Vt+1值在“q V”曲线上反求出 qt+1的值。若该值与前面的赋值相等，即为所求，否则改变赋值，重复上述计算过程，直至相等为止7;(3)将上一时段末的 qt+1、Vt+1作为下一计算时段的起始条件，重复上一步骤的计算即可，最终可以得到水库下泄洪水过程线。表 6合隆、黄家岗、范家山水库下泄洪水过程线 m3/s时段/h合隆水库黄家岗水库范家山水库p=20%p=10%p=20%p=10%p=20%p=10%01 071 520 30 40 10 199 1713 62 13 00 70 9216 769 211 72 40 10 23060 060 013 019 111 114 34060 060 013 118 61 72 0506 768 516 28 10 50 6603 665 022 83 90 20 2722 623 621 21 70 10 13 2水库泄流洪水过程线计算成果分析根据东港市龙态河、沙坝河规划设计书，龙态河上游合隆水库采用控制泄流，5 a 与 10 a 水库下泄流量不超过 60m3/s(因北挡东河至合隆水库区间堤防仅(下转第 269 页)332第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月置相对独立的，A3 异常处在坝体与坝基的交界处，与 B1 异常可能存在关联性有可能存在渗漏通道，而 B3 高程位置更低，是中速异常，通过 W3 线的低速异常情况倒推 B3 是渗漏通道的可能性较小。根据 W3 线圈定的 B5、B6 和 B7 异常都有可能是渗漏通道。根据以上分析，结合各异常的高程和水平位置，推测了三条渗漏通道的位置，如图 6 所示，一条是由异常 B1 和 A1汇集到 A3，再流经 B5，在分别从两个现场渗漏点流出;一条是由异常 A1 和 A2 汇集到 A4，再和 B4 汇集到 B6，再从右边渗漏点流出;还有一条由异常 A2 流经 B4 再分流到 B7，此异常处于坝体和坝基交界处，渗漏可能沿着交界处继续。图 6综合物探推测渗漏通道分布图3大坝防渗设计大坝防渗处理，总的原则是“上堵下排”，上堵的措施有垂直防渗和斜墙铺盖防渗，下排的措施有反滤透水铺盖、导渗沟和减压井等。垂直防渗和斜墙铺盖防渗措施能有效解决大坝渗漏问题，适用于本大坝工程，经比较最终选定高压摆喷灌浆技术对大坝进行加固处理。3 1防渗设计根据物探 G1 线和 W1 线推断的异常位置和存在的渗漏通道，设计选择在坝顶沿坝轴线做三管高压摆喷造防渗墙进行处理，沿右岸坝端往左岸 76 8 m 范围内布置单排孔，孔距1 2 m，共布置 65 个孔，钻孔孔深至坝基强风化层下限。钻孔总进尺为 2 058 m，灌浆总进尺 1 993 m。无物探勘测时，设计选择沿坝轴线全断面布置，需布置 103 个孔，钻孔总进尺为 2 798 m，灌浆总进尺 2 695 m。通过物探探测后可少布置 38 个孔，灌浆进尺可减少 702 m，可节省投资 48 80 万元。3 2灌浆参数高压喷射灌浆施工属隐蔽性工程，选取试验段试验后来确定 灌 浆 的 施 工 参 数:水 压:37 38 MPa，流 量 75 78L/min;搭接长度20 cm，防渗墙厚度15 30 cm，平均厚度 20 cm;压缩空气喷射压力 0 6 0 8 MPa，压缩空气输送量 1 0 1 2 m3/min;水泥浆压力 0 8 1 0 MPa，流量 74 80 L/min，浆液比重 1 4 1 5;回浆比重 1 4 1 6;提升速度15 cm/min，摆速 10 次/min，摆角 30，喷嘴 4 个，喷嘴直径3 2 mm。3 3灌浆施工在经过试验和充分施工准备的基础上，开始正式施工。分两序施工，先序孔，后序孔。工艺流程为:定位放线钻机就位钻孔至设计孔深完孔钻机移位测孔斜率高喷灌浆台车就位制浆、送浆试喷下入注浆管至设计深度喷射摆动提升按设计参数提升速度提升喷完全孔冲洗机具、静压灌浆回填封孔结束移机具到新孔位。施工总工期为 80 日历天，总耗灰量 1 243 9 t，平均耗灰量为0 60 t/m。3 4质量检查工程施工结束 28 d 后，通过钻孔取芯和压水试验，抗压强度平均值为 7 5 MPa，渗透系数为 1 12 10 7cm/s，均满足规范和设计要求。本工程加固后运行至今已近 10 a，经历了多次洪水和高水位变化考验，下游坝面湿润面和渗漏点消失，说明灌浆效果明显，坝体渗漏得到了全面解决。4结语杨坑水库通过高密度电法和微动探测的组合物探手段，分析了坝体填筑质量和渗漏通道，减少了对即有坝体破坏，同时结合物探成果优化了防渗措施，减少工程投资，防渗处理效果好，值得在更多的水库除险加固工程和大坝安全鉴定中推广应用。参考文献 1王大平 浅谈工作实践中的物探问题 有色矿冶 2020 36(02)2乌江，张明财，陈宗刚 综合物探法在水库除险加固工程中的应用 科技广场 2017(05)(上接第 233 页)能满足 60 m3/s 泄量，且堤防两侧均为水田)8，黄家岗与范家山水库按水库调节洪水进行下泄，各水库下泄洪水过程线采用除险加固后成果，具体见表 6 所示(部分)。4结语水库的洪水计算成果对于雨季防洪有着重要的指导意义，虽然本项目涉及到的三座水库均以灌溉为主要任务，但如果加之科学管理，也能起到一定的调水防洪作用。通过查找资料结合科学计算，得出了合隆、黄家岗、范家山三座水库的设计洪水过程线和下泄洪水过程线，并且有针对性地对水库进行了除险加固，使它们满足了 10 a 一遇洪水的调节需要。参考文献 1郭生练，刘章君，熊立华 设计洪水计算方法研究进展与评价J 水利学报 2019 47(3):13 16 2王忠静，朱金峰，尚文绣 洪水资源利用风险适度性分析J水科学进展 2020 26(1):77 83 3刘招，席秋义，贾志峰，等 水库防洪预报调度的实用风险分析方法研究J 水力发电学报 2013 32(5):68 73 4景晓菊，闫伟伟，颜雪丽 浅析无资料中小流域梯级水库下游设计洪水计算J 水利规划与设计 2019 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