水库大坝防洪标准复核

水库大坝防洪标准复核1.1设计洪水复核1.1.1基本资料评述东进水库位于昭通市昭阳区太平办事处黄竹林村，距昭通城7km。坝址地理位置：东经103°41′31″，北纬27°20′07″。水库建于长江横江昭鲁河上游锈水河支流上游，属长江流域横江水系。水库流域参数采用1/5万地形图扫描、CAD量算流域面积、河长及比降，复核的坝址以上径流面积1.5km2，主河道长2.64km，河道平均比降1.60‰，形状系数0.22。按原设计相对高程系统，水库坝顶高程为1961.00m，正常蓄水位为1959.00m；本次安全评价按黄海高程系统（两高程系统相差21.00m），坝顶高程1936.00m，正常蓄水位1934.00m。流域地处暖带，为北纬高原大陆季风气候。冬季气温较低，夏季气候凉爽，干湿两季分明。据昭通气象站资料统计，全年无霜期220天左右，年均气温11.6℃，最热月7月均温19.8℃，最冷月1月均温2℃，全年活动积温大于10℃的3217℃，年均日照时数1902.02h，年均降水量735mm（其中5～10月降水量占全年的84.2%，6～8月降水量占全年的51.0%），多年平均最大风速为20.7m/s。本流域暴雨雨势猛、强度大、历时短。受地形及气候条件影响，流域洪水由暴雨产生，地区分布及发生时间与暴雨一致，由于流域呈狭窄带分布、坡降陡，加之短时段暴雨受地形不同程度影响，造成洪水过程以单峰偏态型为主，次洪历时一般为24小时左右。1）水文资料：流域内无水文站点，附近有：①新泉水文站（A=802km2，1967年设站），观测降水、水位、流量、泥沙、蒸发；②小海子水文站（A=60.6km2，1960年设站)观测水位、流量、降水；③鱼洞水文站（A＝715km2），观测降水、水位、流量、泥沙、蒸发；④跳石水文站（A=512km2，1975年设站），观测水位、流量、降水。流域附近的气象资料有：昭阳区气象站，各站的基本情况，见表5-1。

表5-1水文站点基本情况表站名距离站别径流面积资料年限观测项目kmkm2水位流量泥沙降水蒸发跳石站20水文5121975年～至今√√√鱼洞站9水文7151954年～至今√√√√√箐口塘站20水文20141954年～至今√√√√√新泉站14水文8021967年～至今√√√√√昭阳区站19气象1951年～至今√小海子站68水文60.61960年～至今√√√2）综合资料云南省和昭通地区的水文工作者在历史观测调查资料的基础上，相继研究编制了有关水文成果。其中，水利厅编制了《云南省暴雨洪水查算实用手册》、《云南省暴雨统计参数图集》、云南省水文水资源局昭通分局编制了《昭通地区水文特性研究》。各研究成果的基本情况简述于后：（1）由云南省水利厅编制的《云南省暴雨洪水查算实用手册》（一九九二年十二月），以云水规字（1992）第92号文通知使用。“本手册可作为面积在1000km2以下小河流规划、小型水利水电工程初步设计和中型可行性研究在无实测流量资料情况下设计洪水计算与审查的依据。”其资料截止1979年，手册中的暴雨资料相关部门已发文停止使用，配套的《云南省暴雨统计参数图集》（2007年9月）已出版，可以使用。（2）由云南省水文水资源局昭通分局编制的《昭通水文特性研究》（一九九七年十二月），“依据几十年来大量的水文观测和调查基础资料，经过几年来的分析计算和深入研究，……。为（昭通市）无水文资料地区的中小型水利水电工程和交通能源设施的规划、设计、施工、运行管理以及城市供水和防洪工程的设计提供科学依据。”资料截止年限为1990年，需要对水文资料进行延长。1.1.2设计洪水的计算东进水库无水文气象资料，设计洪水复核按无资料地区进行，采用云南省暴雨洪水查算实用手册法、地区综合法和水文比拟法进行复核，经综合分析后推荐符合洪水成果。1.1.2.1云南省暴雨洪水查算实用手册法（简称手册法）根据《云南省暴雨统计参数图集》1956年-2000年时段暴雨等值线图（简称等值线），查取时段暴雨参数为H1=33.8mm，Cv=0.45；H6=46.0mm，Cv=0.45；H24=61.0mm，Cv=0.44。经昭阳区气象站1951-2008年时段暴雨参数与等值线成果比较，昭阳区气象站暴雨参数低于等值线之值，等值线之值可用，见表5-2。表5-2暴雨资料比较表项目1h6h24h昭阳区气象站实测暴雨量（mm）21.640.657.7Cv0.440.40.38参数等值线暴雨量（mm）34.246.761.5Cv0.450.440.43根据等值线的暴雨参数，采用Cs=3.5Cv计算设计暴雨，见表5-3。表5-3东进水库设计暴雨成果表项目Ht（mm），Cs=3.5CvP（%）1h6h24hCv0.450.450.44均33.846.061.00.594.1121.6166.51103.8114.1151.3274.7101.7134.83.368.392.9123.2562.981.6113.51053.673.096.72044.059.879.4水库的暴雨分区为13区；产流分区为1区，Wm=100mm，Wt=85mm，fc=2.2mm，△R=-1mm，E=3mm/d；汇流分区为1区。Cm=0.33，Cn=0.70，最大基流量0.85m3/s.100km2。推求设计暴雨、面暴雨、暴雨过程，扣初损、稳损和降水径流不平衡值，推求净雨过程。根据水库径流区的流域特征值，推求产流单位线，由净雨与单位线推求直接产流过程，根据最大基流量推求水库的基流过程，由稳渗雨量推求潜流过程。由直接径流、基流、潜流叠加为水库径流过程。在过程线上摘录洪峰，由洪水过程推求时段径流量。设计洪水为：Q0.5%=14.0m3/s,W24，0.5%=18.7万m3；Q1%=12.6m3/s,W24，1%=16.6万m3；Q5%=9.02m3/s,W24，5%=12.4万m3；Q20%=1.72m3/s,W24，20%=8.73万m3，成果列表5-4。表5-4手册法洪水成果表P0.5%1%5%10%20%Qm14.012.69.027.391.72w18.716.612.410.48.731.1.2.2水文比拟法水库周边虽有四个水文站，但径流面积悬殊大，下垫面差别很大，不宜作为参证站，故采用小海子水文为参证站。一致性：小海子水文站于1960年5月设立，观测项目为降水、水位、流量。1963年1月1日下迁180m，更名为小海子（二）站，为便于表述，小海子站、小海子（二）站统称小海子站。小海子位于水库南西68km，径流面积60.6km2，由云南省水文水资源局昭通分局管理。1971年3月，巧家县马树乡建设大河口电站，引水跨过测站断面，设堰沟站观测分流流量。小海子水文站1963年～2008年46年资料系列中，其1964年～1997年的水文资料在巧家县炉房水库的勘测设计中，经审查资料可用，炉房水库工程已建成完工。小海子至2009年已有可使用的水文资料47年，插补延长后为49年。因流域位处高海拔的山区，气候寒冷，物产贫乏，居住人口少，人类活动对水文现象基本无影响，自1963年后测站位置固定，测验断面上游堰沟取水已设站观测，按大河站与堰沟站合成流量统计，所以观测资料是一致的。可靠性：参证站实测资料系列46年，插补延长1年（1962年）、分析整理使用2年（1961、1963年）后共49年，经对逐年实测资料审查，水位～流量关系线较好，年头年尾衔接，各年的高水趋势一致，无相互交叉等不合理的现象出现，各年资料均通过有关部门的初审、复审，且1964～1989年资料已刊入《水文年鉴》。该站1963～1985年资料在巧家引荞工程、1963～1997年资料在巧家县炉房水库设计中均经过复审,资料可靠,可供使用；本次加入1998～2008年资料再审，结果同前。所以参证站资料是可靠的，可用于水库水文分析计算。代表性：经对1964～2009年年径流资料系列进行的周期性和参数稳定性分析，年径流均值逆时序累进过程线（图略）由2008年逆时序滑动至1981年已趋于稳定；且系列自2008～1982年16年间包含一个完整的丰、平、枯水年组，证明小海子水文站年径流资料系列具有代表性。经“三性”检查小海子的资料具备可靠性、一致性和代表性可以用于水库的设计洪水分析。设计洪峰流量推求洪水重现期：在昭通地区水利局1981年组织的全区历史洪水调查中，在小海子河段调查到1924年与1933年两次大洪水，洪峰流量分别为298、184m3/s，在金沙江沿岸区，1924年发生了近100年一遇的历史大洪水，而在昭通市中部的横江流域，其100年一遇洪水发生于1931年。由于1924年的洪水距1981年57年，而距小海子水文站建站（1960年）36年，在此期间，除1933年的大洪水以外，可能遗漏了较大洪水，所以1924年洪水的重现期从1924年计算到2010年，为87年，鉴于1924年洪水的量级比第二位洪水高出62%，1924年洪水重现期暂定为100年。在实测48年的资料中，1933年洪峰流量与1961年接近，1967、1991年的洪峰流量无特别大的差异，因此也纳入实测洪水系列处理，即实测系列为48年。1933、1961年的洪峰流量分别为48年以来的第一、第二洪水。频率计算：将洪峰流量按照不连续系列计算，其中特大洪水的频率计算公式为P=a/(N+1)×100%（1）式中：a—特大洪水个数，为1；N—洪水排位期，100。n-L个连续洪峰流量的频率计算公式为：P=(a/(N+1)+(1-a/(N+1))×(m-L)/(n-L+1))×100%(2)式中：L为实测系列中的特大洪水个数，0；m为实测系列的排位：n为实测洪水个数，为48：其余符号同式（1）。经计算，洪峰流量统计参数：Qm=76.6m3/s，Cv=0.63；由“P-Ⅲ”型曲线适线（见图5-2），统计参数为Qm=76.6m3/s，Cv=0.66，Cs=4Cv。按公式：Qm1=(F1/F2)1.133(J1/J2)0.333(L2/L1)0.667(H1/H2)1.2Qm2W1=(F1/F2)1.09(J2/J1)0.14(H1/H2)0.91W2式中:Qm1、Qm2：设计流域和参证流域洪峰流量（m3/s）W1、W2：设计流域和参证流域洪量（万m3）F1、F2：设计流域和参证流域径流面积（km2）J1、J2:设计流域和参证流域河道比降（‰）L1、L2:设计流域和参证流域主河道长度（km）H1、H2:设计流域和参证流域一日或24h暴雨均值（mm）。表5-5水库设计洪峰流量表Qm：m3/s，W：万m3库名A(km2)L(km)S(‰)P24项目均值CvCs/Cv0.5%1%3.33%5%10%20%小海子60.613.216.457.6Qm76.60.664W1330.53.5东进1.52.641.6261Qm2.540.8412.910.97.666.594.883.32W2.890.613.510.69.367.156.411.163.921.1.2.3地区综合法根据《昭通地区水文特性研究》推荐的的图表和经验公式分别计算流域的洪峰流量，计算公式为：Q0m=CPd0An2-1式中：Q0m—多年平均洪峰流量，m3/s；Pd0—面暴雨均值，Pd0=η·Pd；η—点面折减系数；Pd—点24h暴雨均值；C—地理参数；A—面积，km2；n—指数，为0.75。根据《昭通地区水文特性研究》中推荐的图表和公式，水库流域面积1.5km2，最大24h暴雨均值61.0mm，点面折减系数0.998，地理参数0.025，由特性推荐的公式计算的洪峰流量均值为2.06m3/s，Cv100=0.75，按经验公式计算离势系数Cv=1.32。按Cs=4Cv查取相应Kp值，以此计算的设计洪峰流量为Q0.5%=8.4m3/s，Q3.3%=9.13m3/s，Q5%=6.74m3/s，Q10%=4.08m3/s。根据本流域特性，按《昭通地区水文特性研究》中的洪量计算公式计算多年平均最大24时洪量，计算结果为W均=1.79万m3。按0.68倍的洪峰离势系数推求为最大24时洪量的离势系数0.90，以Cs=3.5Cv查取相应Kp值，以此计算的设计最大24时洪量为W0.5%=9.98万m3，W3.3%=1.85万m3，W5%=1.02万m3，W10%=3.66万m3，见表5-6。表5-6地区综合法洪水成果表库名AP24项目数量Qp(m3/s)km2mmccv100Cv0.5123.3510东进1.5610.025Qm2.060.81.3218.414.611.09.136.744.08Wm1.790.909.988.436.931.851.023.661.1.2.4设计洪水成果选用采用三种方法计算的组设计洪水成果比较见表5-7。表5-7水库设计洪水成果比较表计算方法洪水标准0.5%1%5%10%20%手册法洪峰流量Qm（m3/s）14.012.69.027.391.7224小时洪量W24（万m3）18.716.612.410.48.73水文比拟法洪峰流量Qm（m3/s）12.910.96.594.883.3224小时洪量W24（万m3）10.69.366.411.163.92地区综合法洪峰流量Qm（m3/s）18.414.66.744.0824小时洪量W24（万m3）9.988.431.023.66上述三种方法，原则上都适用于小流域洪水计算。水文比拟法计算成果所采用的参证站距水库较远，面积差别大、下垫面条件差异较大；虽经多种因子改正，仍存在一些不确定因素，其成果不宜采用。手册法成果所使用的暴雨资料至2000年，与昭阳区气象站点对点的暴雨统计参数比较，两者接近且偏于安全。在三种方法中其设计洪峰流量居于中间水平，洪水总量较大，反映了流域的暴雨洪水特性，本阶段作为推荐成果。洪水过程线见表5-8。地区综合法所使用暴雨资料与其余二种方法相同，其成果也反映了昭通盆地周边暴雨洪水特性，但其成果较小，对水库防洪安全不利，其成果供比较。

表5-8水库设计洪水过程表t（h）Q0.5（m3/s）Q1（m3/s）Q2（m3/s）Q5（m3/s）Q10（m3/s）Q20（m3/s）00.0130.010.010.010.010.0110.0240.180.030.050.120.2220.280.450.270.330.551.7230.600.870.650.907.393.8741.061.661.369.024.982.5851.9212.611.16.073.321.79614.08.587.534.042.291.3079.601.781.042.781.640.9186.513.983.461.981.120.6894.532.812.461.350.820.54103.231.881.670.970.640.46112.191.311.200.750.520.40121.520.960.910.590.430.38131.110.730.710.480.390.37140.830.550.570.430.360.37150.620.460.510.390.370.39160.510.390.450.390.370.40170.430.370.440.390.380.41180.400.360.440.390.380.43190.380.350.440.390.400.45200.370.330.430.410.420.48210.350.340.450.430.440.50220.350.350.470.450.460.52230.370.370.490.460.470.50240.380.380.510.480.450.47250.390.390.520.460.430.45260.400.400.540.440.410.42270.410.420.520.420.390.40280.430.430.500.400.370.38290.440.450.480.380.350.35Qm14.012.611.19.027.391.72w18.716.611.212.410.48.731.1.2.5设计洪水成果的合理性检查⑴洪水过程合理性检查从图5-2成果看，其洪水历时短，洪峰出现快，并有陡涨陡落现象，符合山区性河流的洪水特性，与东进水库实际情况是相符的,说明洪水过程形状是合理的；从表5-7成果看，设计洪水峰量均随频率增大而减小，符合数理统计规律。⑵地区分布规律合理性检查根据现有资料条件，各区域洪水均采用暴雨途径推求，由于暴雨成因在地区上的变化是渐变的，当下垫面条件差异不大时，设计洪水成果必然存在因果关系，在地区分布上应具有明显的规律性。为便于分析比较，将与东进水库邻近的几个水库近期设计洪水成果列于表5-9中。表5-9邻近地区各水库设计洪水成果对照表水库名称所在区域径流面积（km2）洪峰流量Qm（m3/s）24h洪量W24(万m3）0.5%5%0.5%5%骡马河昭通市昭阳区11.5200130250167箐门昭通市昭阳区21.2224135281172省耕塘昭通市昭阳区3.5042.726.147.429.5头道沟昭通市昭阳区4.3866.444.278.043.0焦家闸昭通市昭阳区6.0063.938.781.650.0东进昭通市昭阳区1.5014.012.618.716.6将各水库不同频率的设计洪峰流量和24小时洪量分别与面积建立双对数关系，并综合于同一图中（见图5-3～图5-4）。由图中可以看出，无论是P=5％设计峰量和还是P=0.5％设计峰量，随面积变化基本呈线性，其面分布较为协调，无异常现象。综上所述，本次分析的东进水库设计洪水成果基本合理，满足本阶段使用。1.2调洪演算1.2.1水库现有泄洪能力复核水库防洪设计标准：水库坝高10.4m，上下游水位差低于10m，应采用按照平原区的防洪标准，即设计洪水标准为10年一遇洪水，校核洪水标准为50年一遇洪水。东进水库现有溢洪设施为2孔开敞式溢洪道，堰顶为为宽顶堰，堰顶高程为1934.00m，净宽分别为3.0m、3.0m，合计净宽6.0m。出流公式为：q=σc·m·b·（2g）1/2·H3/2=M·b·H3/2式中：σc为侧收缩系数，取0.94；m为流量系数，取0.32；b为溢洪道净宽；H为堰上水头。经复核计算，在保证泄槽通畅和溢洪道安全的情况下，溢洪道最大出流量为16.6m3/s。1.2.2调洪原则本阶段复核水库大坝防洪标准，调洪只考虑水库自身防洪安全。考虑管理运行，输水隧洞不参与调洪。调洪方式：因水库多年病险，从水库实际情况出发，本次防洪标准复核起调水位确定为从溢洪道底板高程起调。洪水入库时，当水库水位超过溢洪道堰顶高程时，溢洪道自由下泄。调洪方式：起调水位为正常蓄水位1934.00m。洪水入库时，当水库水位低于溢洪道堰顶高程时洪水蓄存于库内；水库水位超过溢洪道堰顶高程时，溢洪道自由泄洪。1.2.3水库库容曲线采用2008年实测的库区地形图计算得到的新库容曲线，见表5-10。1.2.4调洪演算及结果调洪计算采用列表试算法，水量平衡方程式为：1/2（Q1+Q2）Δt－1/2（q1+q2）Δt=V2－V1式中：Q1、Q2为计算时段始末入库流量；q1、q2为计算时段始末出库流量；V1、V2为计算时段始末水库库容；Δt为计算时段长，Δt=1小时。调洪计算成果详见表5-11。

表5-10东进水库新旧水位～库容关系表水位(m)旧库容（万m3）新库容水面面积（万m2）库容（万m3）19260.40.000.019271.61.740.019283.92.772.319297.34.041.7193012.01.5210.4193118.47.1316.8193226.48.8824.8193336.210.7134.6193447.812.6546.2193561.614.8860.0193677.817.4976.21.2.5泄洪安全性复核根据东进水库洪水调节计算成果和东进水库现有泄洪能力分析，溢洪道泄洪能力能满足校核洪水和设计洪水的泄洪要求。1.3坝顶高程复核1.3.1基本资料东进水库为Ⅴ等5级水工建筑物，正常超高0.5m，非常超高0.3m。水库大坝上游平均坡比为1:3.0。根据库区地形图可量算得到其风区长度D=0.51km，限资料条件，风速资料移用昭通气象站观测成果，多年平均最大风速Vm=20.7m/s，修正后库面风速为21.9m/s。1.3.2波浪爬高计算由于本水库风雍水面高度较小，故忽略不计，只计算波浪爬高。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)进行计算，平均波高及平均波长计算公式及成果见表5-12，设计波浪爬高计算见表5-13。

表5-11水库现状洪水调节计算成果表时间(h)P=2％P=10％设计洪水(m3/s)下泄流量(m3/s)库容(104m3)水位(m)设计洪水(m3/s)下泄流量(m3/s)库容(104m3)水位(m)00.010.0046.201934.000.010.0046.201934.0010.030.0046.211934.000.120.0046.221934.0020.270.0046.261934.010.550.0146.341934.0130.650.0246.421934.027.390.2947.721934.1141.360.0646.771934.044.981.0049.711934.25511.10.6648.871934.193.321.5150.751934.3367.532.0251.741934.402.291.7351.171934.3671.042.8253.111934.371.641.7851.251934.3783.463.1353.571934.541.121.7051.121934.3692.463.1353.511934.540.821.5650.881934.34101.672.8753.181934.510.641.4350.601934.32111.202.6252.701934.480.521.2950.321934.30120.912.2952.201934.440.431.1650.051934.28130.712.0251.711934.400.391.0449.801934.26140.571.7651.271934.370.360.9849.571934.25150.511.5550.861934.340.370.8649.371934.23160.451.3550.511934.310.370.8149.201934.22170.441.2250.211934.290.380.7549.061934.21180.441.1549.951934.280.380.7048.931934.20190.441.0349.711934.260.400.6548.831934.19200.430.9749.511934.250.420.6548.741934.19210.450.8549.341934.230.440.6048.671934.18220.470.8049.211934.220.460.6048.621934.18230.490.7449.111934.210.470.6048.571934.18240.510.7449.021934.210.450.5548.531934.17最大泄量(m3/s)3.131.78最高洪水位(m)1934.541934.37相应库容（万m3）53.5151.25表5-12东进水库平均波高及平均波长计算表工况设计波高计算平均波高计算平均波长计算多年平均最大风速设计风速风区长度设计波高gD/W2水域平均水深hm/Hmhp/hm平均波高VmWDhpHmhmLm（m/s）（m/s）（m）（m）（m）（m）（m）正常21.938.96501.394.23.960.181.950.7113.63非常21.96500.849.53.980.111.950.439.08备注①：ghp/W2=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3②：gLm/W2=0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75表5-13东进水库平均波浪爬高及设计波浪爬高计算表工况平均波浪爬高计算设计波浪爬高计算KwK△hm/HRp/Rm设计爬高hmLmmHRmRp（m）（m）（m）（m）（m）正常0.7113.632.57.54.531.000.80.930.0951.841.706非常0.439.082.57.82.971.000.80.590.0551.841.081备注Rm=K△Kw（hmLm）1/2/（1+m2）1/21.3.3地震安全加高库区的地震基本烈度为Ⅶ度，地震设防烈度也为Ⅶ度。根据设计烈度和坝前水深，地震涌浪高度取1.0m；根据地基和坝体的实际情况及有关规范，地震附加沉陷量取0.2m。地震安全加高=地震涌浪高+地震附加沉陷量=1.2m。1.3.4坝项高程复核分别按以下四种运用条件计算，取其最大值作为复核后的坝顶高程：①坝顶高程=设计洪水位+正常超高+风浪爬高；②坝顶高程=校核洪水位+非常超高+风浪爬高；③坝顶高程=正常蓄水位+非常超高+风浪爬高+地震安全加高。④坝顶高程=近期非常运用洪水位+非常超高+风浪爬高，计算见表5-14。复核后的坝顶高程为1936.581m，高于坝顶0.58m。表5-14东进水库坝顶高程复核表工况序号水位（m）波浪爬高（m）安全加高（m）地震安全加高（m）计算坝顶高程（m）现状坝顶高程（m)现状坝顶高程-计算坝顶高程（m)11934.371.7060.51936.5761936-0.57621934.541.0810.31931.92119360.07931934.001.0810.31.21936.5811936-0.58141934.441.0810.31931.82119360.1791