乌都河水电站二期工程设计洪水计算分析

乌都河水电站二期工程设计洪水计算分析2016-06-1708:33:34来源:作者:7天论文网【大中小】浏览:11次评论:0条乌都河水电站二期工程测区碳酸盐岩广泛分布，约占总面积的７０％，地表及地下各种岩溶形态均较发育。地表石芽、溶沟、溶槽、岩溶洼地、槽谷、溶洞、落水洞、竖井、天窗、岩溶泉水、地下岩溶管道等各种岩溶形态发育齐全。由于岩溶地貌的复杂多样，构造节理裂隙、岩溶发育的不同，对洪水的影响程度各不相同［１］。为了给工程规划设计、施工建设和运营管理等提供决策依据，通过现场详细踏勘开展全面水文地质调查，对岩溶影响设计洪水相关方面的规律性进行全面分析，以获得适合流域条件和工程特性的设计洪水计算成果。１流域概况乌都河系北盘江右岸一级支流，位于东经１０４°３５′～１０５°００′，北纬２５°３８′～２６°００′之间，河流发源于盘县水塘镇里山岚（海拔高程１９４９ｍ），于水城县花嘎乡牛滚塘注入北盘江。乌都河全流域面积１９９７ｋｍ２，主河道河长１０６ｋｍ，流域总落差１１８９ｍ。乌都河水电站坝址以上流域集水面积１２２０ｋｍ２，主河道河长６９．７ｋｍ，主河道平均比降为１５．４‰。厂房以上流域集水面积１３０５ｋｍ２，主河道河长７５．３ｋｍ。乌都河电站坝址与厂址区间集水面积８５ｋｍ２，其中地表集水面积仅４．５ｋｍ２，地下集水面积８０．５ｋｍ２。流域暴雨主要集中在汛期的６～９月，区内雨日较多，Ｐ≥０．１ｍｍ的降水日数２０６．５ｄ，Ｐ≥５０ｍｍ的暴雨日数３．７ｄ，多年平均水面蒸发量１４１３．７ｍｍ（Ｅ２０蒸发皿）。年平均相对湿度８２％，最小相对湿度５％，多年平均风速２．６ｍ／ｓ，月平均最大风速３．７ｍ／ｓ（３月），实测最大风速３０ｍ／ｓ（１９７１年３月１日），风向为Ｗ；大风（风速１７ｍ／ｓ以上）平均每年出现２８．９次，多出现在２～４月。常年风向为Ｅ、ＮＥ风及静风，频率分别为１８％、２１％、２３％。大风日数２５．１ｄ，雾日数７４．８ｄ，冰雹日数１０．７ｄ。主要的灾害性天气有干旱、冰雹、秋季低温绵雨、倒春寒、霜冻等。２暴雨洪水特性２．１暴雨特性乌都河电站坝址以上流域内设有盘县、普安气象站，以及羊场、鸡场坪雨量站，邻近设有老厂、亦资孔、乐民等雨量站，分析各站历年实测最大一日降水量资料，进行频率分析计算，成果如表１所示。表１流域及邻近各站最大一日降水量统计成果表站名资料序列统计参数均值ＣｖＣｓ／Ｃｖ盘县１９５９－２００８８９．６０．３１３．５普安１９６１－２００４８７．６０．３９３．５草坪头１９５９－１９８４８１．２０．３３．５鸡场坪１９６５－２００８８９．３０．３３．５羊场１９６４－１９８４８０．９０．４３３．５老厂１９６４－２００８９８．１０．４３３．５亦资孔１９６４－２００１７９．６０．３５３．５乐民１９６５－１９９９７４．３０．３８３．５设计流域属贵州省一般雨区，但在夏季也常有日降水量在１００ｍｍ以上的大暴雨出现，冷锋低槽和两高切变是形成这种天气的主要原因。根据流域内的降雨观测资料进行统计：盘县气象站实测最大一日降水量为１４８．３ｍｍ（１９６５年５月３１日），普安气象站为１４９．４ｍｍ（１９７４年１０月４日），草坪头水文站实测最大一日降水量为１１５．５ｍｍ（１９７９年７月１５日），受地形地貌影响，暴雨量级有从南向北减小的趋势。从各站的暴雨量级来看，暴雨的高值区出现在老厂一带，流域内的盘县、普安气象站及鸡场坪雨量站暴雨也较大，流域中心的羊场降雨量较小。从暴雨的统计成果可以看出，设计流域平均最大一日降水量均值在８５ｍｍ左右。乌都河流域一般５月份进入汛期，１０月份结束，年最大一日降水量主要发生在６～８月份，占５３．８％～７６％。２．２洪水特性乌都河流域属典型山区雨源型河流，洪水均由暴雨所致，具有陡涨缓落、峰量集中、涨峰历时短等山区性河流的特点，同时还受暴雨分布、暴雨强度、暴雨历时和岩溶等影响［２］－［３］。据草坪头水文站历年实测资料分析，年最大洪水多发生在６～９月，占８８．２％。洪水峰高量大，洪水过程多呈单、双峰型，复式洪水较少见；涨峰历时５～１２ｈ，洪峰持续时间２０ｍｉｎ～１ｈ，一次洪水总历时３～１０天，实测最大洪峰流量为１６４０ｍ３／ｓ（１９７９年６月２４日）。３设计洪水计算３．１参证站洪水计算二期工程中搜集到草坪头水文站１９５９～２００９共５１年实测洪峰流量资料。黔西南州水文队曾于１９７６年１２月对乌都河草坪头河段进行过历史洪水调查，成果如表２所示。将该站历年实测洪水洪峰流量序列，加入１９０６年调查历史洪水，构成不连续洪水序列进行频率分析计算。由于１９０６年历史洪水未超过实测最大洪峰流量，因此不做特大值处理，实测的１９７９年洪水（实测洪峰流量１６４０ｍ３／ｓ）重现期经考证分析取为１０５年，１９６８年次大洪水（实测洪峰流量１４５０ｍ３／ｓ）重现期为５３年，采用Ｐ－Ⅲ曲线进行适线分析［４］－［５］，则参证站洪水统计参数如表３所示。３．２历史洪水计算在坝址上调查到１９７９年、２００７年、２００９年洪水位，在厂址处调查到２００７年、２００９年洪水位，由于坝址处洪水受下游入伏口的顶托影响，洪峰流量采用水文比拟法计算，厂址洪水采用曼宁公式计算并采用水面曲线法进行验证，调查成果表明：河段１９７９年洪水最大（洪水高程为１２０７．６１ｍ，洪峰流量为１７７０ｍ３／ｓ），为乌都河１９０６年至今最大洪水，由于更远时期的洪水难以考证，故洪水考证期从１９０６年开始至２０１１年为１０５年，确定１９７９年洪水重现期为１０５年，与上游草坪头水文站的重现期一致。表２草坪头水文站历史洪水调查成果表年份水位（ｍ）流量（ｍ３／ｓ）来源可靠性备注１９７９年６月１２００．８３１６４０实测可靠１９６８年６月１２００．３２１４５０实测可靠１９０６年６月１１９９．８２１２７０调查较可靠为假设高程系统表３草坪头水文站洪水计算成果表（单位：ｍ３／ｓ）Ｑ均值（ｍ３／ｓ）变差系数ＣｖＣｓ／Ｃｖ频率Ｐ（％）０．２０．３３０．５１２３．３３５１０５０４７８０．６３４２２０９２０３０１８８３１６３９１３９７１２２２１０８４８５４３６９备注：资料序列为１９０６，１９５９～２００９年，ｎ＝５２年３．３坝址及厂房洪水计算乌都河水电站坝址位于畔河落水洞上约１．０ｋｍ处，由于受落水洞阻水影响造成回水顶托，使得洪水位明显抬高，因此不能采用曼宁公式或是水面曲线法推算调查洪水位相应的洪峰流量［６］，需采用水文比拟法计算坝址处洪峰流量。坝址控制集水面积１２２０ｋｍ２，小于３０００ｋｍ２，洪峰流量面积影响指数ｎ＝０．６７，考虑面积差异，洪峰Ｃｖ适当减少，为０．６２，将草坪头水文站洪水比拟到坝址，得坝址处设计洪水成果，如表４所示。乌都河电站厂址通过暗河与坝址河段联结，由于厂址处无水文资料，同时受上游溶洞的调节作用影响，因此不能直接采用水文比拟法计算厂址洪水，故设计洪水以历史洪水调查成果为主要依据，分析不同频率下落水洞的削峰程度，进而推算厂址设计洪水。草坪头水文站１９７９年实测洪峰流量１６４０ｍ３／ｓ，按面积比拟到落水洞进口河段为１７７０ｍ３／ｓ（面积影响指数ｎ＝０．６７），但在落水洞出口河段调查洪峰流量为９７０ｍ３／ｓ，可知落水洞削峰率为４５．２％；草坪头站２００７年实测洪峰流量８５２ｍ３／ｓ，按面积比拟到落水洞进口河段为９２２ｍ３／ｓ，但在落水洞出口河段调查洪峰流量为６５０ｍ３／ｓ，可知落水洞削峰率约为２９．５％；草坪头站２００９年实测洪峰流量７２８ｍ３／ｓ，按面积比拟到落水洞进口河段为７８８ｍ３／ｓ，但在落水洞出口河段调查洪峰流量为５８０ｍ３／ｓ，洪水削峰率为２６．４％。洪水调查成果分析，洪水量级越大，落水洞削峰作用越大，点绘洪水洪峰流量～削峰率曲线，如图１所示。当洪水频率Ｐ＜１０％的时候，落水洞的削峰率在３０％以下，当洪水频率Ｐ＞１％，落水洞的削峰率可达４６％左右，根据削峰率统计成果，确定Ｐ＝０．２％～５０％频率下洪水削峰率在０～５４．７％之间。根据坝址设计洪水、不同频率下的削峰率，计算得不同频率下厂房的设计洪水成果，如表４所示。３．４设计洪水合理性分析乌都河电站（一期）设计洪水洪峰流量为１２３０ｍ３／ｓ（Ｐ＝３．３３％），校核洪水洪峰流量为２０００ｍ３／ｓ（Ｐ＝０．５％），原参证站、坝址洪水统计参数及不同频率设计洪水成果如表５所示。图１落水洞洪峰流量～削峰率曲线图表４乌都河电站坝址及厂房设计洪水成果表项目均值ＣｖＣｓ／Ｃｖ频率Ｐ（％）０．２０．３３０．５１２３．３３５１０５０坝址设计洪水（ｍ３／ｓ）５１７０．６２４２３５０２１６０２０００１７５０１４９０１３１０１１６０９１９４０２溶洞削峰比例（％）／／／５４．７５３．４５１．２４４．８４０．０３６．７３３．９２９．４１０．３厂房设计洪水（ｍ３／ｓ）／／／１０６０１０１０９７６９６６８９４８２９７６７６４９３６１表５乌都河电站原设计洪水成果表（单位：ｍ３／ｓ）均值ＣｖＣｓ／Ｃｖ频率Ｐ（％）０．２０．３３０．５１２３．３３５１０５０草坪头４６００．６５４２２００２０２０１８７０１６２０１３８０１２００１０６０８３０３５０坝址４９３０．６５４２３５０２１６０２０００１７４０１４７０１２３０１１４０８９０３７４通过与原一期设计洪水成果相比较，二期工程洪水计算中参证站的洪峰均值比原来大，而变差系数较原来小，分析其原因，主要是因为两次所用的资料序列长度不一致所造成，原使用的资料序列为１９５９～１９８９年共３１年，而二期工程中使用的资料序列为１９５９～２００９年共５２年，资料序列较原来长，实测资料中１９８９年至今的洪峰流量较大，但未出现特大值，因而出现洪峰流量均值比原来大、洪峰Ｃｖ比原来小，是符合洪水变化规律的，因此，采用二期工程中设计的洪水成果。乌都河水电站坝址洪峰流量平均值为５１７ｍ３／ｓ，洪峰模数为４．４２ｍ３／ｓ．ｋｍ２，Ｃｖ＝０．６２；乌都河上游的西冲水文站洪峰流量平均值４３．７ｍ３／ｓ，模数为４．２９ｍ３／ｓ．ｋｍ２，Ｃｖ＝０．７２；邻近拖长江流域上的土城水文站洪峰流量平均值４３２ｍ３／ｓ，模数为４．３３ｍ３／ｓ．ｋｍ２，Ｃｖ＝０．４２；马别河上的马岭水文站洪峰流量平均值５．２２ｍ３／ｓ，模数为５．２２ｍ３／ｓ．ｋｍ２，Ｃｖ＝０．４。从周边水文站实测洪峰流量来看，西冲、土城站较小，马岭水文站最大，分析其原因，主要是西冲、土城站流内域岩溶较发育，暴雨量级较小，而马别河流域属贵州省暴雨高值区，从普安—青山—马岭—兴义降雨量逐渐增大，兴义则为暴雨高值中心区。又据贵州省水文水资源局所作《贵州省年最大洪峰流量统计参数的地区综合分析》，本区域Ｐ＝１％的洪峰模数为１５～２０ｍ３／ｓ．ｋｍ２，计算Ｐ＝１％的洪峰模数为１５．５ｍ３／ｓ．ｋｍ２，两者基本一致，因此计算洪水成果是比较合理的。４洪水调节计算与复核由于乌都河水库库容太小，削峰作用甚微，故按泄量等于来量进行洪水调节计算。水库设计采用坝顶溢洪和底孔泄洪，经设计复核，溢洪道堰顶高程为１１８２ｍ，溢流净宽３０ｍ，综合流量系数为２．０，堰流公式：ｑ＝２．０×Ｂ×Ｈ３／２；底孔为方形，底板进口高程１１７５．００ｍ，中心高程为１１７６．５ｍ；综合流量系数为２．６６，孔流公式：ｑ＝２．６６×Ａ×Ｈ１／２０，底孔面积Ａ＝３ｍ×３ｍ＝９ｍ２，水库泄流曲线计算成果如表６及图２所示。表６水库泄流曲线计算成果表水位（ｍ）１１８２１１８３１１８４１１８５１１８６１１８７流量（ｍ３／ｓ）５６．０１２１２３５３８１５５４７４８图２水库泄流曲线与坝后水位流量关系曲线图（低水时）乌都河水库无特殊的防洪任务，洪水调节计算仅考虑大坝本身的防洪要求。洪水调度原则为：不预留防洪库容，自正常蓄水位１１８２ｍ起调，溢洪道、底孔同时泄流。低频率洪水时采用水量平衡方程式进行洪水调节计算，当受伏流入口阻水影响后，采用伏流入口水位泄流曲线～入伏口以上库容曲线～洪水过程线进行洪水调节计算，在求得不同流量下入伏口前水位后，再采用伯努利方程推算上游水库坝址水位，得到各坝址相应的洪水位。经复核，一期已建大坝Ｐ＝３．３３％设计洪水位为１１９９．８３ｍ，Ｐ＝０．５％校核洪水位为１２１１．４