水利工程論文-上游梯級水庫存在安全隱患時對城市防洪影響的評估摘要：隨著國民經濟的快速發(fā)展，越來越多的中小城市均在制作相應的防洪規(guī)劃，本文以湖南省新晃縣縣城防洪規(guī)劃為例，闡述上游水庫存在安全隱患時對城市防洪規(guī)劃的影響,為科學規(guī)劃城市防洪工作提供理論依據。關鍵詞：防洪水位、潰壩、城市防洪、水量平衡1、防洪工程概述新晃縣城位于湖南省最西部的新晃縣縣域北部，區(qū)域面積2.5km2，人口近3萬，是全縣的經濟、文化中心。沅水一級支流舞水自西向東，呈“”型切城而過。城區(qū)以上11km處的舞水干流上建有魚市水庫，該水庫控制面積6600km2，正常高水位327.00m，相應庫容880104m3。該水庫至今已運行30多年，安全檢查發(fā)現(xiàn)溢流壩表面混凝土多處剝落，下游壩基沖刷嚴重。實測資料表明1995年壩基沖刷1.55m，到2000年達2.19m之多，呈逐年上升之勢，存在嚴重的安全隱患。在魚市水庫以下，縣城以上0.5km處建有獅子巖水庫，該水庫1987年投入運行，集水面積6717km2，正常高水位314.00m，相應庫容600104m3。8年來，9扇弧形鋼閘門共計5400m2面積部分長期處于水下運行，銹蝕嚴重，銹蝕深度已達24mm,多次出現(xiàn)閘門啟吊困難，造成鋼纜斷裂，閘門滑落事故?？h城地勢低洼，三面臨水，洪災威脅嚴重。2、城市防洪工程規(guī)劃及潰壩工程對城市防洪影響的評估2.1工程防洪標準依據國家防洪標準（GB50201-94）確定新晃縣城城區(qū)防洪標準等級為四級，即防洪標準為近期20年一遇。2.2設計洪水分析利用縣城上游玉屏水文站和下游芷江水文站的水文資料采用P-III型曲線進行頻率計算，求得城區(qū)各種頻率下的設計洪峰流量，根據新晃縣城區(qū)新晃水位站的實測水位流量關系資料，求得相應頻率下的設計洪峰水位，經與城區(qū)洪調成果及實測歷年最高水位對比，成果合理、可靠，縣城城區(qū)設計洪水分析成果見表1。表1、新晃縣城城區(qū)設計洪水分析成果表設計頻率（）5（20年一遇）設計洪峰流量（m3/s）4820設計洪峰水位（m）314.942.3獅子巖水庫閘門故障對新晃縣城和自身防洪的影響由于獅子巖水庫閘門無檢修門，閘門嚴重銹蝕，出現(xiàn)啟閉困難，嚴重導致閘門打不開，影響泄洪，現(xiàn)根據凈庫容水量平衡原理（不考慮庫面蒸發(fā)和水庫滲漏等損失），采用試算搜索法求解，對5%頻率設計洪水進行調洪演算。2.3.1調洪演算原理調洪演算時一般給定庫水位上（下）限，當調洪演算水位越上（下）限時，判斷可用操作區(qū)，根據調度規(guī)程開啟（關閉）閘門。下面以獅子巖水庫常規(guī)調度過程說明一次閘門操作的演算過程：計算越限時段初出入庫平衡泄量變化量Q平：Q平|Q入-Q出|式中：Q入為越限時段初入庫流量；Q出為越限時段初出庫流量。n=1。計算閘門啟閉流量變化量(Q泄=Q平+100n)和最低（高）庫水位H。若H超出庫水位下（上）限，則取Q泄=Q平+100（n-1），跳出循環(huán)。若T最長動門時間，則取Q泄=Q平+100n，跳出循環(huán)。n=n+1，轉至。2.3.2調洪演算結果及不同閘門開啟情況時對下游新晃縣城的影響根據上述原理進行程序試算得出獅子巖水庫的演算成果見表2：表2、20年一遇洪水獅子巖水庫調洪演算成果表閘門啟閉情況最高庫水位(m)水位抬高值(m)正常316.040.002扇不能打開317.091.054扇不能打開318.052.01全部不能打開320.414.57演算結果表明，獅子巖水庫若在大洪水時遇閘門不能開啟情況，對水庫本身的防洪有重大影響。如閘門全部不能打開，庫水位比閘門正常啟閉時將升高4m以上，嚴重危及大壩安全，給下游500m新晃縣城的人民生命財產亦將造成滅頂之災。2.4魚市水庫潰壩對新晃縣城防洪的影響2.4.1潰壩峰值流量的推求魚市水庫大壩基腳嚴重淘蝕可能發(fā)生潰壩。潰壩使水庫上、下游水力學因素發(fā)生巨大變化，特別對壩下而言，潰壩形成涌波，瞬時巨大流量對下游承潰區(qū)將造成極大災害。潰壩水流是一種非恒定不連續(xù)波運動，除受圣維南非恒定流方程組的控制外，還要愛涌波（即不連續(xù)波）運動規(guī)律的控制?？紤]魚市水庫的實際情況，壩下為非恒定流，采用正負波相交法進行最大潰壩流量推求。假定發(fā)生潰壩時刻為入庫流量最大時刻，根據圣維南方程進一步概化河槽斷面面積為：=khm=Bh/m其中k為常用系數，B為水面寬，m為河槽斷面形狀系數。依據特征線理論和不連續(xù)波基本方程式推導出向壩址上、下游傳播的逆負連續(xù)波和不連續(xù)涌波方程為：式中：V潰壩初頃時刻壩址斷面上的平均流速；h與初頃相應的壩址水深；H0潰壩前的壩前水深；V0潰壩前壩址上游水深為H0的斷面流速；h2潰壩前下游原河槽恒定流水深；V2其相應的斷面平均流速；m河槽斷面形狀指數。潰壩初頃，在壩址上產生著向上游傳播的逆負波和向下游傳播的不連續(xù)涌波的銜接。聯(lián)解（1）（2）兩式，求得壩址上的水深h和流速v，從而瞬時潰壩最大流量為：Qmax=vBh峰值流量成果見表3：表3、魚市水庫最大潰壩流量成果表來水頻率P5%來流量較小時來水洪峰流量4820100潰壩時刻壩上水位335.75327潰壩時刻壩下水位326.8312計算潰壩最大流量99904530附注來流量較小指上游來水量相對于潰壩洪水可忽略不計2.4.2潰壩流量過程的推求水庫總出庫流量過程是水庫蓄水和入庫流量共同作用的結果，采用水文蓄量法來推求水庫總出庫流量過程如下:I-Q=ds/dt式中I為入庫流量；Q為總出庫流量；ds/dt為水庫蓄量隨時間變化率。將上述方程用有限差分法離散可得（Ii+Ii+1）/2-（Qi+Qi+1）/2=s/t其中上標i和i+1分別表示t和t+t時刻變量的值。s=（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/2代入有關公式得到總的離散方程為（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/t+C1(hhb)1.5+C2(hhb)2.5+CsLs(h-hs)1.5+CgAg(h-hg)0.5+CdLd(h-hd)1.5+Qt+Qi-Ii+1-Ii=0上述方程可用NewtonRaphson迭代法求解，得到潰壩時水庫的下泄流量過程。2.4.3潰壩洪水向下游的演進采用圣維南方程來描述洪水波向下游的傳播，其方程形式如下連續(xù)方程動量方程式中A為有效過流面積；A0為非有效過流面積（灘地蓄水面積）；q為沿河道單位距離的側向入流或出流（“+”表示入流，“”表示出流）；Sf為摩阻比降；由曼寧公式求出：Sf=n2|Q|Q/2.21A2R4/3；Se為局部損失（擴散收縮）比降；Se=K(Q/A)2/2gx。圣維南方程為雙曲型偏微分方程組，目前尚無法求出其解析解。應用中通常將其離散為代數方程，然后求出其數值解。變量的時間差分采用中心差分，即變量的空間差分采用有加權系數的向前差分,即為:將上述離散式代入圣維南方程中，得到兩個非線性方程。對N個斷面的河道，有（N-1）個河段，可建立（2N2）個方程。給定上、下游邊界，共同組成2N個非線性方程，利用法迭代求解方程組，可求出任意時刻各斷面有關的水力要素。2.4.4潰壩洪水對下游防洪的影響在獅子巖水庫閘門正常運行的前提下，潰壩洪水對獅子巖水庫的影響主要是由于入庫洪水劇增，抬高了獅子巖水庫的庫水位，演算結果表明：對于P=5%的設計洪水，若魚市水庫潰壩，獅子巖水庫壩前水位在調度及時的情況下，仍將抬高2.58m之多。魚市水庫潰壩對新晃縣城的影響主要是提高了洪水遭遇，洪峰流量增大、水位抬高，加大了對兩岸堤防的壓力。2.5魚市水庫潰壩遭遇獅子巖水庫閘門不能打開對新晃縣城防洪的影響當魚市水庫發(fā)生潰壩而獅子巖水庫閘門又不能打開時，這種最惡劣組合將對獅子巖水庫及新晃縣城的防洪造成巨大的威脅，現(xiàn)將演算結果見表4：表4、20年一遇魚市水庫潰壩洪水獅子巖水庫調洪演算表閘門啟閉情況最高庫水位(m)最大下泄流量(m3/s)正常318.6268002扇不能打開319.6168304扇不能打開320.516850全部不能打開322.487000由于本河段坡降較大，河道窄深，洪水流量衰減小，且獅子巖水庫壩址距新晃縣城僅500m,因此潰壩洪水傳播速度快，傳播時間短，相應的預見期很短，從表4的演算結果表明，20年一遇洪水在魚市水庫發(fā)生潰壩，獅子巖水庫閘門全部不能及時打開的最不利因素組合下，新晃縣城河段水位將平均抬高2.7m，防汛形勢十分緊張。3、結論對于上游有梯級水庫且存在不同程度的安全隱患時，形勢往往比較復雜，牽一發(fā)而動全局，城市防洪影響評估考慮各種組合結果截然不同。在制作防洪規(guī)劃時，應積極地考慮各種不利因素的組合，不可回避，因此應該從以下三個方面采取預防措施：（1）、采取各種可行的工程措施，一方面積極排險加固，做到未雨綢廖，另一方面，根據演算結果，建立較為完整的防洪體系，使城市防洪的風險降到最小。（2）、水庫運行時，應加強大壩管理、監(jiān)測和檢查，對大壩不安全部位發(fā)現(xiàn)問題及時匯報，并采取相應工程處理措施。（3）、建立警報系統(tǒng)，以便一旦出現(xiàn)緊急情況及時向主管部門和當地政府報告，將大壩管理人員撤離至安全地帶，當地政府組織居民群眾安全撤離，將損失降到最小程度。InfluenceAssessmentonSafetyIssueofUpstreamStepReservoirsinCityFloodControl.Abstract:Alongwiththeeconomicdevelopment,thefloodcontrolplansaregettingmoretobemadeformiddleandsmallsizecities.AsacasestudyofthefloodcontrolplanforXinfancountyinHunanProvince,theinfluenceassessmentandnecessarydiscussiononsafe