病险水库控制运用水位确定方法研究——以金川峡水库为例.pdf

第 59 卷 第 6 期2023 年 6 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59，No.6Jun.，2023DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2023.06.003收稿日期：2023-05-16基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（Y722003、Y722006）作者简介：徐 红（1976-），女，甘肃金昌人，高级工程师，学士，主要从事水利工程建设与管理，E-mail：。通信作者：祖安君（1993-），男，江苏淮安人，工程师，硕士，主要从事水利水电工程安全评估与监测研究，E-mail：。病险水库控制运用水位确定方法研究以金川峡水库为例徐红1，祖安君2，3，吴全荣4（1.金昌市水利工程建设服务中心，甘肃 金昌 737100；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.水利部 大坝安全管理中心，江苏 南京 210029；4.广西国能水电开发有限公司，广西 南宁 530006）摘要：病险水库的控制运用为汛期防汛工作的薄弱环节，控制运用水位对病险水库安全度汛至关重要。为确定科学、合理的控制运用水位，切实保障金川峡水库除险加固完成前安全度汛，基于2020年安全鉴定反映出的主要病险，以大坝超高复核结果是否满足要求为标准，采用调洪试算方法确定水库主汛期限制水位为1 871.00 m，将主汛期限制水位在设计洪水、校核洪水标准下调洪所得的水位和非主汛期的设计汛限水位（1 872.40 m）作为新的特征水位组合，分析论证该组合对大坝渗流、结构安全的影响，并进行供水需求分析。结果表明，确定主汛期限制水位为1 871.00 m，初汛期、末汛期限制水位为1 872.40 m，非汛期控制运用水位为1 872.40 m合理可行，可以确保金川峡水库除险加固完成前的工程安全与供水安全。关键词：病险水库；安全度汛；控制运用水位；调洪试算；金川峡水库中图分类号：TV697文献标志码：A文章编号：2095-0144（2023）06-0009-05水库是重要的防洪工程，当上游来水较多时，水库可以用防洪库容滞留部分洪水，削减洪峰流量，保障下游防洪安全。同时，水库作为蓄丰补枯的重要水利工程，具有灌溉、供水和发电等兴利功能，能够带来经济效益；水库也是洪水资源利用的主要工程措施，主要表现为，利用有效的预报信息在水库的防洪库容中增蓄部分洪水，以实现防洪与兴利协调控制。然而，近年来极端天气呈现趋多趋频趋强趋广态势，给水库安全度汛带来更大挑战。在汛期对水库的实际调度过程中，减少洪水灾害造成的经济损失和社会影响往往是根本出发点，要求水库应当以较低水位（设计汛限水位）迎汛。此时由于水库过度预留防洪库容，导致洪水资源浪费的状况时有发生。随着经济社会的发展，人们对防洪与洪水资源利用提出了更高的要求，如何统筹防洪库容与兴利库容1、缓解水资源供需矛盾等，成为亟待解决的问题2-3。设置合理可行的汛限水位能够有效协调水库防洪、兴利的矛盾4-5。目前，基于各分期内暴雨洪水成因差异设计的分期汛限水位技术仍是洪水资源利用的主流方式。汛限水位分期控制方法主要有模糊集分析法6-8、多目标优化法9-12等。然而，受洪水、地震和工程老化影响，大坝在运行期出现病险不可避免，且不少水库先天缺陷严重，隐蔽性病险隐患处置难度大，加之维修养护投入不足，一些工程老化破损积少成多、由轻及重形成病害。病险水库一般指经过大坝安全鉴定为三类坝、病险隐患消除之前的水库，其安全度汛需引起高度重视。水库大坝安全鉴定办法（水建管 2003 271号）第十六条规定，对鉴定为三类坝、二类坝的水库，鉴定组织单位应当采取除险加固、降等或报废等措施予以处理，在处理措施未落实或未完成之前应限制运用。综上所述，确定科学合理、切实可行的病险水库控制运用水位显得尤为关键。目前，针对该领域 9的研究相对较少，尚未形成系统的理论体系。因此，以经过安全鉴定为三类坝的金川峡水库为例，研究确定了水库除险加固期间的控制运用水位。1工程概况金川峡水库位于金昌市永昌县城北金川峡峡口处，距县城12 km，控制流域面积3 270 km2，总库容6 500万m3，是一座以灌溉、工业供水和城市供水为主，兼顾防洪、发电等综合利用的中型水库。工程始建于1958年，1959年6月完成一期建设；1965-1968 年实施改建加固工程，基本达到现状规模；1985年新建坝后电站；2006-2007年实施除险加固工程。工程主要由大坝、溢洪道、1#泄洪输水洞、2#泄洪输水洞、电站厂房等组成。工程等别为等，主要建筑物级别为3级，抗震设防烈度为度。水库正常蓄水位1 874.40 m，死水位1 858.60 m。设计工况下，防洪标准为 100 年一遇，设计洪水位为1 873.84 m；校核工况下，防洪标准为1 000年一遇，校核洪水位为1 874.62 m。金川河流域水系见图1。水库设计灌溉面积15万亩，保护下游金昌市金川区、兰新铁路及25万人的防洪安全，并承担金昌市工矿企业用水和城市居民生活用水任务。金川峡水库2006年除险加固与此次除险加固工程设计批复的汛限水位和洪水调度原则一致，汛限水位为 1 872.40 m。当汛期水位超过汛限水位1 872.40 m，且遇到小于100年一遇的洪水时，先行开启1#、2#泄洪输水洞泄洪；当遇到超过100年一遇的洪水时，再开启溢洪道泄洪。2控制运用的必要性与可行性2.1必要性金川峡水库于2020年10月被鉴定为三类坝，并于2021年8月通过水利部大坝安全管理中心的核查，将于“十四五”规划期间进行除险加固。根据水利部办公厅关于进一步做好病险水库安全度汛工作的通知（办运管函 2021 647号）、水利部办公厅关于全力做好水库安全度汛工作的紧急通知（水明发 2021 71号），原则上病险水库在主汛期一律空库运行，对承担供水、灌溉任务且为难以替代水源的病险水库，在落实专人巡查值守、加强观测和保障通信等管理措施的前提下，经过充分论证、水库主管部门审批，并报当地政府批准，可以不放空水库，但需降低水位运行。金昌市水资源短缺，金川峡水库是当地难以替代的灌溉、供水水源，是保障当地经济与社会发展的命脉。因此，金川峡水库在主汛期不宜空库运行，但降低水位运行是必要的。2.2可行性金川峡水库坝顶、心墙顶局部欠高，1#泄洪输水洞检修闸门的安全性评定为C级（不安全），2#泄洪输水洞工作闸门锈蚀，病险问题相对较少。水库共有1#泄洪输水洞、2#泄洪输水洞和溢洪道3处泄洪设施，在降低水位控制运行后，泄洪安全基本有保障。此外，水库的巡视检查、安全监测和维修养护等安全管理制度执行较好，防汛道路畅通，对外通信满足要求，泄洪设施启闭设备配有备用电源，运行管理总体较规范。因此，金川峡水库在彻底消除病险前降低水位运行是可行的。3控制运用水位分析论证3.1论证步骤金昌市水务局近2年批复的金川峡水库防洪调度计划内容基本一致，主汛期（6月1日至8月31日）限制水位为 1 872.40 m，初汛期（4 月 15 日至 5 月31 日）和末汛期（9 月 1 日至 9 月 30 日）限制水位为1 873.25 m，非汛期限制水位为1 873.25 m。根据水库最近一次安全鉴定结果及大坝安全管理中心核查结论，1#、2#泄洪输水洞金属结构均存金川峡站河流已建水库拟建水库水文站县城图例河西大西大河水库插剑门站韩家峡水库金川峡水库金川河永昌县图1金川河流域水系2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷10在严重问题，在极端情况下可能无法正常参与泄洪，仅能够依靠溢洪道泄洪。此外，安全鉴定中地质勘察结果揭示，大坝壤土心墙顶高程低于原设计高程，不满足规范要求，这也是需要重点考虑的因素。具体按以下流程确定金川峡水库除险加固期间的控制运用水位。（1）假定主汛期起调水位分别为 1 872.40 m、1 871.40 m和1 871.00 m，仅采用溢洪道泄洪，对3种方案进行调洪试算，得到各方案下的设计洪水位、校核洪水位。（2）假定初汛期、末汛期和非汛期采用设计批复的汛限水位（1 872.40 m）作为控制运用水位，然后复核3种方案下的大坝超高，包括防浪墙顶高程和黏土心墙顶高程复核。将满足大坝超高的起调水位暂定为水库主汛期限制水位，1 872.40 m暂定为非主汛期限制水位。（3）将通过暂定主汛期限制水位调洪确定的设计洪水位、校核洪水位以及非汛期控制运用水位作为新的特征水位，按照SL 274-2020 碾压式土石坝设计规范 有关工况，复核大坝渗流与结构安全。（4）通过库水位分析以及供水需求分析，进一步复核暂定的控制运用水位对供水造成的影响。（5）若暂定的控制运用水位既能满足工程防洪、渗流和结构安全，又对供水影响较小，即可将其确定为金川峡水库的控制运用水位。3.2调洪试算仅利用溢洪道敞泄洪水，分别按3种方案的起调水位（1 872.40 m、1 871.40 m和1 871.00 m）对100年一遇和1 000年一遇的典型洪水过程线，依时序逐时段进行调洪计算，调洪过程线见图2。调洪计算得到3种方案下的特征水位（表1）。（a）起调水位1 872.40 m、100年一遇洪水900.00750.00600.00450.00300.00150.000.00流量/（m3/s）入库流量Q下泄流量q库水位Z01 1.77 2345678 8.18 9 10 11 12 13 14 15时间t/h1 874.001 873.501 873.001 872.501 872.00库水位/m1 875.501 875.001874.501 874.001 873.501 873.001 872.501 872.00入库流量Q下泄流量q库水位Z1 600.001 200.00800.00400.000.00流量/（m3/s）011.32345678库水位/m时间t/h（b）起调水位1 872.40 m、1 000年一遇洪水1 875.001874.001 873.001 872.001 871.00入库流量Q下泄流量q库水位Z1 600.001 200.00800.00400.000.00流量/（m3/s）库水位/m01 1.07 2345678 8.76 9 10 11 12 13 14 15时间t/h（d）起调水位1 871.40 m、1 000年一遇洪水1 875.001874.001 873.001 872.001 871.00入库流量Q下泄流量q库水位Z1 600.001 200.00800.00400.000.00流量/（m3/s）库水位/m0 0.93 12345678 8.85 9 10 11 12 13 14 15时间t/h（f）起调水位1 871.00 m、1 000年一遇洪水900.00750.00600.00450.00300.00150.000.00流量/（m3/s）入库流量Q下泄流量q库水位Z1 873.501 873.001 872.501 872.001871.501871.00库水位/m01 1.34 2345678 8.59 9 10 11 12 13 14 15时间t/h（c）起调水位1 871.40 m、100年一遇洪水900.00750.00600.00450.00300.00150.000.00流量/（m3/s）入库流量Q下泄流量q库水位Z01 1.19 2345678 8.72 9 10 11 12 13 14 15时间t/h1 873.001 872.501 872.001871.501871.00库水位/m（e）起调水位1 871.00 m、100年一遇洪水图2典型洪水调洪过程线第6期徐 红，等：病险水库控制运用水位确定方法研究第59卷11方案一从主汛期限制水位1 872.40 m起调，对100年一遇洪水进行调洪试算，计算得出设计洪水位为1873.73m；对1000年一遇洪水进行调洪试算时，计算至第8 h，库水位达到1 875.06 m，超出现有水位-库容关系曲线上限值，无法进一步试算。根据08h调洪试算结果可以看出，校核洪水位不低于1875.06 m。方案二从主汛期限制水位1 871.40 m起调，调洪计算得出设计洪水位为1 873.02 m、校核洪水位为1 874.48 m。方案三从主汛期限制水位1 871.00 m起调，调洪计算得出设计洪水位为1 872.76 m、校核洪水位为1 874.25 m。3.3主汛期限制水位确定大坝超高复核包括心墙顶高程复核、坝顶超高复核两部分。（1）心墙顶高程复核根据SL 274-2020 碾压式土石坝设计规范，心墙坝防渗体顶部在正常运用条件静水位以上的超高不应低于0.3 m，且不应低于非常运行条件下的静水位。最近一次安全鉴定中，地质勘察结果揭示现状心墙顶高程为1 874.271 874.62 m。方案一和方案二下的校核洪水位均高于现状心墙顶高程，心墙顶高程均不满足规范要求。方案三下的校核洪水位低于现状心墙顶高程。正常运用条件下控制最高静水位不超过1 872.40 m，现状心墙顶高程超高大于0.3 m，心墙顶高程满足规范要求。综上所述，重点复核方案三下的坝顶超高是否满足规范要求。（2）坝顶超高复核方案三在各工况下的最大波浪爬高、最大风壅水面高度及坝顶高程计算结果见表2。由表2可见，方案三的坝顶计算高程为1 875.76 m，现状防浪墙顶高程为 1 876.961 877.32 m，高于坝顶计算高程。因此，方案三的坝顶超高也满足规范要求。表1调洪计算结果特征水位主汛期限制水位/m设计洪水位/m校核洪水位/m方案一1 872.401 873.731 875.06方案二1 871.401 873.021 874.48方案三1 871.001 872.761 874.25运用工况正常运用非常运用正常蓄水位设计洪水位校核洪水位正常+地震水位1 872.401 872.761 874.251 872.40波浪爬高R1.795 91.794 11.105 01.105 8风壅水面高度e0.011 90.011 70.004 90.005 3地震涌浪高度-1.0地震沉降-0.3安全加高A0.70.70.40.4坝顶超高y2.512.511.512.81坝顶计算高程1 874.911 875.271 875.761 875.21表2方案三坝顶高程复核结果单位：m根 据 上 述 分 析，假 定 主 汛 期 限 制 水 位 为1 871.00 m，初汛期限制水位、末汛期限制水位和非汛期最高水位取1 872.40 m，在仅能利用溢洪道泄洪、心墙顶部超高不足问题尚未解决的极端不利情况下，大坝的防洪安全有保障。3.4渗流、结构安全影响根据 金川峡水库大坝安全评价报告13，在现有特征水位下（正常蓄水位1 874.40 m、设计洪水位1 873.84 m和校核洪水位1 874.62 m），工程的渗流与结构安全复核均满足规范要求。按方案三确定的特征水位（非主汛期控制运用水位1 872.40 m、设计洪水位1 872.76 m和校核洪水位1 874.25 m）均未超过现有特征水位。因此，水库按主汛期限制水位1 871.00 m，初汛期、末汛期和非汛期限制水位1 872.40 m控制运用，工程的渗流和结构安全满足规范要求。3.5供水需求分析根据水库的调度运行情况，对近 5 年（2017-2021年）主汛期6月1日至8月31日的库水位数据进行统计分析，分析结果见表3。（1）近5年主汛期最高库水位为2021年6月1日的1872.30m，其次为2021年6月2日的1872.25m。2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷12（2）5年的主汛期共460 d。其中，库水位超过1 871.00 m的天数仅25 d，超过1 872.00 m的天数仅6 d，且2018年主汛期最高库水位仅1 869.73 m。（3）库水位1 871.00 m对应库容为4 554万m3，包括死库容615万m3和可用库容3 939万m3，可以满足供水需求。鉴于水库存在淤积，且主汛期用水量较大，平均每月达2 000万m3，主汛期限制水位取1 871.00 m，供水安全更有保障。综上所述，主汛期限制水位确定为1 871.00 m，基本可以保障供水安全。4结语（1）基于2020年安全鉴定结论反映出的主要病险问题，确定了金川峡水库的主汛期限制水位。以确保大坝防洪安全为目标，通过试算手段，对拟定的 3 个方案分别进行调洪计算，选定起调水位1 871.00 m作为水库的主汛期限制水位。再根据从主汛期限制水位1 871.00 m调洪所得的设计洪水位1 872.76 m、校核洪水位1 874.25 m和非主汛期控制运用水位1 872.40 m等特征水位组合，论证了工程的渗流、结构安全和供水障保能力。（2）确定主汛期限制水位1 871.00 m，初汛期、末汛期限制水位1 872.40 m，非汛期控制运用水位1 872.40 m为金川峡水库控制运用水位，可以确保金川峡水库在彻底消除险情前的工程安全与供水安全，并分析论证了控制运用水位的科学性、合理性和可行性。（3）对于主汛期不具备空库运行条件或空库运行难以实施的病险水库，在落实加强巡查监测和保障通信等管理措施的基础上，需要从工程安全隐患、监测预警、防汛调度和管理设施等方面对降低水位控制运用的必要性和可行性进行充分论证。参考文献：1林欢，钟平安，刘冠华，等.水库汛限水位动态控制回蓄时机的确定方法研究J.中国农村水利水电，2019，61（9）：157-161.2林杰，黄显峰，付晓敏，等.水库汛限水位调整风险决策模型构建与运用J.中国农村水利水电，2016，58（11）：7-11.3郭生练，刘攀，王俊，等.再论水库汛期水位动态控制的必要性和可行性J.水利学报，2023，54（1）：1-12.4朱昊阳，黄炜斌，瞿思哲，等.水库汛限水位动态控制域风险分析及方案优选J.水利水电技术，2018，49（12）：134-140.5丁伟，周惠成.水库汛限水位动态控制研究进展与发展趋势J.中国防汛抗旱，2018，28（6）：6-10.6余玉聪，李雯晴，刘招，等.金沙江下游梯级水库汛期分期及汛限水位合理性研究J.长江科学院院报，2020，37（9）：39-44.7周惠成，王福兴，梁国华.碧流河水库后汛期汛限水位及控制运用方式J.水科学进展，2009，20（6）：857-862.8谭乔凤，雷晓辉，王浩，等.考虑梯级水库库容补偿和设计洪水不确定性的汛限水位动态控制域研究J.工程科学与技术，2017，49（1）：60-69.9吕巳奇，王建群，焦钰，等.基于协同的水库汛限水位控制多目标分析J.人民黄河，2019，41（5）：23-27.10DING W，ZHANG C，PENG Y，et al.An analytical frameworkfor flood water conservation considering forecast uncertaintyand acceptable riskJ.Water Resources 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