浅析小型水库除险加固工程设计中水文水利计算

虞慧

江西省水利科学研究院

江西省水工程安全工程技术中心

张丽玲

福建省三明市水利局

胡久伟

江西省水利科学研究院

水文水利计算是水库除险加固设计的重要组成部分。水文水利计算是在调查水库基本情况的基础上，复核水库的基本参数及洪峰流量，计算出相应频率下的洪水过程。经调洪计算得特征水位后，分析水库大坝在不同的工况下能否满足防洪要求。其工作的主要特点时间节点性强，工作量大，收集资料多，与各种专业相关性强，同时需要遵循“多种方法结合、综合分析数据、合理选用成果”的工作原则。因此，针对小型水库水文水利计算工作而言，其往往时间紧任务重，如何找到切合实际、简便且行之有效的水文水利计算方法，是小型水库除险加固设计的主要工作之一。

1 主要工作内容

水文水利计算的主要工作内容为由设计暴雨而求出的各频率下的洪水过程线、由实测量算得出的水位—库容曲线与泄流建筑物的水位—泄量关系曲线进行洪水调节计算，从而得出相应频率下的水位，再根据坝顶高程复核计算得出其最终的校核水位及设计水位。

1.1 计算基本流程

小型水库水文水利计算的基本流程如图1所示。

1.2 设计暴雨

江西省小型水库多处于小流域，故基本没有适合的水文站进行水文比拟法计算，一般做法是根据坝址以上流域中心位置查阅2010年编制的《江西省暴雨洪水查算手册》（以下简称《手册》）得出年最大24h、年最大6h、年最大1h的暴雨均值和变差系数。如雨量站有降雨量资料，可将其与《手册》法结果对比，综合选取适合本水库的暴雨均值和变差系数。

选定暴雨均值（P₂₄）后，将暴雨均值（P₂₄）、模比系数（K_p）与点面系数（a）三者相乘之积得出各个时段的面雨量H_24面。再根据《手册》中相应时段的暴雨时程分布，按各时段所占百分数计算各时段雨量，得到各频率下的时段暴雨分配量。

本文发表于2013年。

1.3 设计洪水

设计洪水计算分为产流计算和汇流计算，其最终目的是为得到洪水过程线。

1.3.1 产流计算

查阅《手册》中产流分区，相应流域最大蓄水量I_M及前期土壤含水量P_a。由24h平均暴雨强度I=H₂₄/24查阅相应附表，根据经验公式得到各频率下的下渗率，后得到净雨过程表。

1.3.2 汇流计算

确定水库在《手册》中推理公式法分区。根据下列公式计算地面洪峰流量：

设θ=L/J^1/3，即

式中：h为各时段对应的总净雨量，mm；τ、t为时间，h；F为流域面积，km²；Q_t为流量，m³/s；L为主河道长，km；J为河道平均坡降；m为汇流参数。

通过点绘Q_t—t曲线和Q_τ—τ曲线，两曲线的交点即为所求的地面设计洪峰流量（Q_M地下）和汇流时间（τ）。地面流量过程线由概化五点折腰多边形过程线推求，各转折点的值由相应的百分数确定。地下径流峰值按以下公式计算

式中：Q_M地下为地面径流终止点，地下径流过程采用以Q_M地下为顶点的等腰三角形，底宽为2倍的地面径流过程时间；R_下为地下径流深，mm；T为地面径流过程底宽，h；W为洪水总量，10⁴m³。

自Q_M地下开始向后每增加一个时段，流量均随之减少一个ΔQ_M地下，（ΔQ_M地下=Δt/TQ_M地下）即得地下径流过程。地面流量过程和地下径流过程相加得设计洪水过程。

1.4 调洪计算

在洪水调节计算中，有3个基本要素，分别为洪水过程线、泄流曲线和库容曲线。洪水过程线由设计洪水得出。库容曲线通过对地形图进行复核计算得出水位—容积关系。泄流曲线为小型水库的水位—流量关系曲线，小型水库溢洪道一般为宽顶堰或明渠，根据相应流量计算公式得到溢洪道泄流曲线。

根据以上的3项基本资料，利用水量平衡公式，采用试算法对各频率设计洪水进行洪水调节计算。

1.5 坝顶高程复核

通过洪水调节计算出相应频率下对应的最高洪水位，需要复核其坝顶高程能否满足规范要求。

江西省大部分小型水库大坝为土石坝，根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）要求，坝顶高程=最大波浪在坝顶的爬高（R）+最大风壅水面高度（e）+安全加高（A）。在规范中有几种求坝顶爬高（R）的方法，常用为采用莆田试验站公式和鹤地水库公式，在一般情况下两种公式都能适用，实际采用时需根据水库所处的地理条件及流域条件而定。

2 应注意的问题

2.1 资料收集

水库除险加固设计中要求基本资料全面、充分及准确，这样复核得出的水文成果，才能保障水库除险加固设计合理、可行且发挥水库最大效益。因而收集水库基本资料显得尤为重要。应收集的资料有：

（1）水库初步设计资料、三查三定资料（即对1981年年底前对已建成水利工程查安全、定标准；查效益、定措施；查综合经营、定发展计划的资料）、水库安全鉴定书、水库登记注册资料及水库历年除险加固等资料；

（2）水库万分之一地形图和库区地形图，地勘测量图。通过万分之一地形图确定水库的位置、集雨面积、主河道长、主河道比降，同时确保高程系统的一致性。而就目前所采用的方法而言，在量算流域面积、河流长度、河道比降上仍沿用老版地形图，存在一定的偏差；如采用已矢量化后的新版地形图同时结合地理信息软件提取流域三大要素更为精确。在设计洪水中考虑后期人为对产、汇流条件改变或新建水库的影响程度。

（3）原设计的水位—面积—容积关系曲线。在小型水库除险加固设计中，往往会沿用原设计的水位—面积—容积关系，但由于长期运行中，水库会存在一定程度的淤积，此时的水位—面积关系会发生一定的变化，如运用DEM与遥感技术相结合对水库的水位—面积关系进行测定计算，可弥补因水库在丰水期等原因无法对其进行实测的缺陷。

2.2 现场检查

在以往的设计中，水文设计人员往往忽略现场检查，而对于小型水库而言，由于其地形条件复杂，来水情况不一，现场情况多变，进行现场检查是十分必要的。在现场检查中需要对以下资料进行收集：

（1）水库在本地区的流域条件、洪水成因情况等。现场检查时详细了解洪水的来水情况，是否存在梯级水库调度问题，是否为库中库，是否存在引水情况等。如来上游引水为水库泄水，需查阅上游水库的设计相关资料；如来水有渠道或涵洞引流，应首先了解其是否为闸门控制及控制的方式；再了解渠道坡降，长度、高度及净宽，衬砌形式等；

（2）水库历年运行管理情况及对历史洪水进行调查。如历年险情，大坝是否曾进行加高加固，历年最高水位等；

（3）溢洪道历年过水深度，溢洪道控制段高程是否曾提高或降低及其原因；溢洪道类型、溢流净宽、衬砌形式；有闸门控制的溢洪道，闸顶高程、闸孔数、闸孔净宽以及闸门开启度；如有其他建筑物参与泄洪，其断面尺寸、进出口底板高程、纵坡降及衬砌形式。

2.3 洪水标准

依据《水利水电工程等级及洪水标准》（SL 252—2000）及针对小型水库的基本坝型为土石坝进行分析统计，小（1）型水库设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇；小（2）型水库设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇。但在实际应用中，常综合考虑水库下游交通设施重要程度、水库总库容的变化、坝高及上下游水头差等条件，适当调整洪水标准。

2.4 合理性分析

水文水利计算结果的合理性分析，一般采用将设计洪水成果与附近流域的水库的设计成果进行比较分析的方法。如差异较大，需要重新复核所使用的参数的准确性。在洪水调洪计算中，水位的合理性也能反映设计洪水的合理性，两者相辅相成。水位计算成果与历年水位进行比较分析；在坝顶高程复核中，出现坝顶高程不满足要求时，调查其是否存在漫顶情况，根据历年情况进行分析判断。水文水利计算结果需结合实际情况分析水位的合理性。

2.5 正常蓄水位及死水位的确定

通常在设计中，水库的正常水位及死水位等水位往往维持不变，但在设计中需综合考虑。如水库原库容较小或水库承担较为重要的责任（如水源地），可与水工人员协调调整水位的可行性，同时上报上级主管部门；如水库因其他原因曾降低正常水位，此时应和当地水利部门协调重新确定正常水位。死水位与坝顶高程复核息息相关，如当地水利部门需要将涵管的进口底高程与渠道相接，或是通过抬高该水位使得改善其当地的农业条件。这些水位的调整都需要在反复论证中确定该方案的可行性。

2.6 与当地水利部门协调

在小型水库设计中，水文水利计算工作还需要和水利工程相关专业进行配合。此外，更为重要的是及时、有效地与当地的水利部门进行沟通，掌握水库更详细的信息，实现工程的最优化设计。

3 结语

水文水利计算在小型水库除险加固设计工程中占基础地位，但对整个设计工作影响重大，其准确性直接与水库的安全、投资及效益挂钩。水文水利计算成果的准确性与基础资料的可靠性、准确性息息相关。在计算过程中，应着重于基础资料分析复核，精细于流域三要素的提取与暴雨取值，对水位—面积—容积关系曲线、水位—泄量关系曲线进行详细的复核及调整，同时将计算的结果进行合理性分析。通过细致、准确、多方法论证、合理性分析及多角度沟通的基础上为水库除险加固工程设计提供切合实际及可靠的计算成果。

在今后的小型水库除险加固工程设计的水文水利计算中，应将重点研究小型水库在小流域及特小流域上计算的参数及方法和利用GIS技术、建立数据库的分析方法对水文计算中的基础资料进行提取和分析。在设计洪水中，有些小型水库集雨面积不到1km²，其下垫面和下渗的情况都有一定的差异，同时在设计洪水合理性分析上没有类似的水库进行比较，故这类水库的实际情况与最终结果存在一定的偏差。而对于小型水库而言，其最为缺乏的是实测洪水资料，如在重点的小流域上建立雨量站或水文站，将设计结果与监测资料进行比较分析，同时建设小型水库监测分析数据库，对比不同的流域上设计洪水结果的差异，寻求出适合小型水库的方法。

参考文献

［1］中华人民共和国水利部.SL 252—2000 水利水电工程等级划分及洪水标准［S］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［2］江西省暴雨洪水查算手册［K］.江西：江西省水文局，2010.

［3］中华人民共和国水利部.SL 274—2001 碾压式土石坝设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2002.

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本文发表于2013年。