陳亞健,瞿蘭蘭

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局,湖北 武漢 430010)

0 引 言

水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果在工程的除險(xiǎn)加固階段至關(guān)重要,可為工程的加固建設(shè)規(guī)模以及后續(xù)運(yùn)行管理方案的制訂提供參考。無(wú)實(shí)測(cè)流量資料的水利工程一般采用雨量資料計(jì)算暴雨參數(shù)進(jìn)行暴雨設(shè)計(jì),再用設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水[1-3]。

云溪水庫(kù)位于陸水上游支流菖蒲港分支云溪港上,是一座以灌溉為主,兼有防洪、供水、發(fā)電等任務(wù)的中型水庫(kù)。主壩壩址坐落在通城縣關(guān)刀鎮(zhèn)上游12 km處,距通城縣城18 km。水庫(kù)控制流域面積48.3 km2,總庫(kù)容4 621萬(wàn)m3。云溪水庫(kù)地理位置重要,水庫(kù)下游保護(hù)通城縣城、106國(guó)道等重要城鎮(zhèn)及基礎(chǔ)設(shè)施,保護(hù)耕地0.33萬(wàn)hm2(5萬(wàn)畝),保護(hù)人口8萬(wàn)。云溪水庫(kù)于1970年1月經(jīng)湖北省水利廳及咸寧地區(qū)水利局批準(zhǔn),由通城縣水電局設(shè)計(jì),于1970年7月23日正式開(kāi)工,1971年6月基本建成,后經(jīng)1973～1983年和2003年兩次加固形成現(xiàn)有規(guī)模。云溪水庫(kù)于2004年開(kāi)展除險(xiǎn)加固工程,該次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算首先通過(guò)查詢(xún)《湖北省暴雨徑流查算圖表》和《湖北暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》來(lái)確定暴雨設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)采用通城站1958～2003年1,6,24 h實(shí)測(cè)暴雨資料進(jìn)行頻率分析,后續(xù)采用推理公式法和瞬時(shí)單位線(xiàn)法推求設(shè)計(jì)洪水,最終采用瞬時(shí)單位線(xiàn)法成果。水庫(kù)投入運(yùn)行以來(lái),為通城縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了較大貢獻(xiàn)。2015年8月,水利部大壩安全管理中心對(duì)云溪水庫(kù)三類(lèi)壩安全鑒定成果進(jìn)行了書(shū)面核查和現(xiàn)場(chǎng)核查,同意云溪水庫(kù)大壩為三類(lèi)壩的結(jié)論,提出需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固。除險(xiǎn)加固需要對(duì)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算,分析最不利情況下的工程安全情況[4]。茹浚威[5]通過(guò)流域暴雨資料和設(shè)計(jì)洪水參數(shù)對(duì)李夫田水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算,并進(jìn)行調(diào)洪分析。代超等[6]通過(guò)鄰近站的暴雨資料確定暴雨參數(shù),并對(duì)比分析了查圖法、推理公式法和水文比擬法的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果。柴揚(yáng)[7]在對(duì)渠首工程除險(xiǎn)加固工程洪水分析計(jì)算時(shí),采用P-Ⅲ曲線(xiàn)確定參證站的統(tǒng)計(jì)參數(shù)并計(jì)算了洪峰流量。樊孔明等[8]在對(duì)棉花灘水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水復(fù)核計(jì)算時(shí),修正了洪水資料的一致性再計(jì)算洪水頻率。由于云溪水庫(kù)沒(méi)有流量資料系列,本文根據(jù)暴雨資料推算設(shè)計(jì)洪水[9-10],通過(guò)查圖和實(shí)測(cè)資料兩種方法推求設(shè)計(jì)暴雨,采用推理公式法和瞬時(shí)單位線(xiàn)法分別計(jì)算洪水,并與原除險(xiǎn)加固成果進(jìn)行對(duì)比,旨在為云溪水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程提供參考。

1 流域水文氣象特性

陸水流域氣候溫和,平均氣溫16.1 ℃,實(shí)測(cè)最高氣溫39.1 ℃,最低氣溫-15.2 ℃,多年平均最大風(fēng)力10級(jí),風(fēng)向?yàn)闁|南。云溪河屬雨洪河流,水量豐沛,多年平均降雨量為1 600 mm,多年平均雨日為120 d,實(shí)測(cè)最大年降雨量達(dá)2 600 mm,最小年降雨量1 100 mm。云溪水庫(kù)多年平均入庫(kù)徑流量為4 070萬(wàn)m3,徑流年內(nèi)分配不均,3～8月徑流量占年徑流總量的80%,5～6月最為集中,占40%。云溪河洪水多發(fā)生在6～7月,系梅雨期大暴雨形成。根據(jù)本次對(duì)云溪水庫(kù)降雨洪水統(tǒng)計(jì)資料分析,云溪水庫(kù)建庫(kù)前后,流域暴雨洪水特征基本一致。

2 設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)2008年的《湖北省暴雨徑流查算圖表》《湖北暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》(簡(jiǎn)稱(chēng)“《圖表》《圖集》”),查出1,6,24 h暴雨設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)采用通城站1958～2021年1,6,24 h實(shí)測(cè)暴雨資料進(jìn)行頻率計(jì)算,頻率曲線(xiàn)見(jiàn)圖1～3,成果見(jiàn)表1。本次將系列延長(zhǎng)至2021年后,其中1999年出現(xiàn)特大暴雨,6,24 h降雨量分別為234.6,384.6 mm;2011年出現(xiàn)特大暴雨,6,24 h降雨量分別為250.0,276.5 mm;2016年出現(xiàn)特大暴雨,6,24 h降雨量分別為227.5,263.5 mm。這3 a最大24 h暴雨均達(dá)到特大暴雨標(biāo)準(zhǔn),相當(dāng)于20～100 a一遇,結(jié)合實(shí)測(cè)洪水對(duì)比分析,1999,2011,2016年洪水量級(jí)只相當(dāng)于20 a一遇洪水,因此本次暴雨頻率計(jì)算中不作特大值處理。

表1 云溪水庫(kù)設(shè)計(jì)暴雨

注:Ex為均值,Cv為變異系數(shù),Cs為變差系數(shù)。圖1 通城站最大1 h頻率曲線(xiàn)Fig.1 Maximum 1 h frequency curve of Tongcheng Station

圖2 通城站最大6 h頻率曲線(xiàn)Fig.2 Maximum 6 h frequency curve of Tongcheng Station

圖3 通城站最大24 h頻率曲線(xiàn)Fig.3 Maximum 24 h frequency curve of Tongcheng Station

對(duì)暴雨資料和設(shè)計(jì)成果再次復(fù)核,對(duì)1,6,24 h的暴雨設(shè)計(jì)參數(shù)Cv進(jìn)行了調(diào)整,使不同時(shí)段的Cv之間合理協(xié)調(diào),經(jīng)復(fù)核后,采用本次暴雨設(shè)計(jì)成果。

本次1 h設(shè)計(jì)暴雨成果與《圖表》和原除險(xiǎn)加固成果相當(dāng),6,24 h設(shè)計(jì)暴雨成果有所增加。本次暴雨設(shè)計(jì)成果比《圖表》和原除險(xiǎn)加固成果有所增加。從設(shè)計(jì)安全角度考慮,推薦采用本次通城站設(shè)計(jì)暴雨成果作為云溪水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果復(fù)核依據(jù)。

3 云溪水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水推求

云溪水庫(kù)沒(méi)有流量資料系列,只能根據(jù)暴雨資料推算設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)SL 44-2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水規(guī)范》,《圖表》和《圖集》由相關(guān)部門(mén)審定發(fā)布,可作為計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的一種依據(jù)。按照“一法為主、多法比較、合理選用”的原則,采用推理公式法和瞬時(shí)單位線(xiàn)法分別計(jì)算洪水,并綜合選用[11]。

3.1 推理公式法

《圖表》以原水科院推理公式方法為基礎(chǔ),采用湖北省編制的設(shè)計(jì)暴雨參數(shù),根據(jù)具體情況在某些計(jì)算環(huán)節(jié)上作了一些改進(jìn),推得設(shè)計(jì)條件下全面匯流的洪峰流量計(jì)算公式[12]為

(1)

3.2 瞬時(shí)單位線(xiàn)法

云溪水庫(kù)屬于《圖表》中瞬時(shí)單位線(xiàn)分片的第Ⅱ片區(qū),參數(shù)m,n的地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式[13]為

m=0.82F0.29×L0.23×J-0.2

(2)

因?yàn)镴>5‰,則:

n=0.34F0.25/J-0.2

(3)

式中:m,n為與匯流有關(guān)的參數(shù);F為流域面積,km2;L為主河道長(zhǎng)度,km;J為主河道坡降,‰。m值已參照《圖表》中所列公式及表格作了非線(xiàn)性改正。

由S(t)查算表,將瞬時(shí)單位線(xiàn)轉(zhuǎn)換成1 h 10 mm的時(shí)段單位線(xiàn),再按《圖表》中給出的雨型、前期影響雨量及穩(wěn)滲、地下水計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式即可推得各種頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量。

3.3 成果對(duì)比分析

對(duì)不同的設(shè)計(jì)洪峰流量成果列表進(jìn)行分析,見(jiàn)表2。原除險(xiǎn)加固成果中,3.33%頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行了非線(xiàn)性改正,而本文計(jì)算時(shí)按照手冊(cè)要求,對(duì)頻率2%以上的成果未作線(xiàn)性修正。云溪水庫(kù)鄰近的百丈潭水庫(kù)集水面積為21.5 km2,千年一遇洪峰模數(shù)29.6 m3/(s·km2),云溪水庫(kù)千年一遇洪峰模數(shù)28.9 m3/(s·km2)。兩者相比,云溪水庫(kù)洪峰模數(shù)較百丈潭水庫(kù)要小。一般情況下,隨著面積增大,洪峰模數(shù)減小,成果符合一般規(guī)律?？傮w來(lái)看,本次采用推理公式法及瞬時(shí)單位線(xiàn)法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量成果與原除險(xiǎn)加固成果基本一致。同時(shí),利用收集的湖北省小流域設(shè)計(jì)洪水洪峰Qm與面積F關(guān)系圖(圖4)可以看出,本次計(jì)算的0.1%,1%頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量值位于0.1%～1%外包線(xiàn)之間,表明成果比較合理,故本次計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果符合本地區(qū)規(guī)律。不同頻率設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)(除險(xiǎn)加固成果)見(jiàn)表3。

表2 云溪水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量對(duì)比

表3 云溪水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)

注:直、間分別表示直接法和間接法。圖4 湖北省Qm -F關(guān)系Fig.4 Qm-F relationship in Hubei Province

4 結(jié) 論

對(duì)云溪水庫(kù)除險(xiǎn)加固進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算,由于沒(méi)有實(shí)測(cè)流量資料,選擇用設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水,采用推理公式法和瞬時(shí)單位線(xiàn)法兩種方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水,并將計(jì)算結(jié)果與原除險(xiǎn)加固成果進(jìn)行對(duì)比分析。0.1%～1%頻率洪水設(shè)計(jì)成果與原除險(xiǎn)加固成果差別在5%以?xún)?nèi),相差不大,且千年一遇設(shè)計(jì)洪峰較原除險(xiǎn)加固成果略小,因此仍推薦采用原除險(xiǎn)加固成果。