巢湖電廠水庫防洪規(guī)劃研究

巢湖電廠水庫防洪規(guī)劃研究

1側上游洪水分析巢湖能量處理廠位于安徽省筑巢市夏閣市大姚村。是巢湖流域的沱高河水系。廠址位于平頂山與青苔山之間的坡地,東側上游筑有平頂山水庫。平頂山水庫三面環(huán)山,設計灌溉面積0.15萬畝,有效灌溉面積0.08萬畝。該水庫動工興建于1950年,1960年擴容為小(二)型水庫,設計防洪標準為20年一遇,設計洪水位50.1m。廠址處于平頂山水庫下游,需考慮水庫大壩防洪安全及其下泄洪水與區(qū)間坡面匯水對廠址的影響。廠址流域防洪形勢及各分區(qū)流域特征詳見圖1。2雨水輸入工程廠址所在流域屬特小流域(集水面積小于10km2),特小流域雨洪計算,以設計最大24小時雨量作為輸入。工程鄰近區(qū)域內設有巢湖閘、夏閣及柘皋3個雨量站。通過考慮雨量站與本工程的相對位置、雨量觀測項目以及各站雨量對比分析等因素,確定利用巢湖閘站歷年最大24小時雨量系列進行分析計算,并利用地區(qū)綜合資料對成果進行合理性檢查。2.1暴雨分布的頻率分析根據巢湖閘雨量站1954～1955、1963～2005年歷年最大24小時暴雨系列資料,選用Pearson-Ⅲ型分布進行頻率分析,成果見表1。2.2暴雨均值和cv水文部門對單站暴雨資料系列統(tǒng)一到1998年,通過頻率統(tǒng)計并經地區(qū)綜合,繪成各歷時暴雨均值和Cv等值線圖。查圖對比可知,利用最新資料統(tǒng)計的巢湖閘站暴雨參數成果,基本上與本地區(qū)暴雨參數綜合成果一致,符合本地區(qū)的暴雨特性。3成因半經驗法廠址所在的特小流域無測流資料,雨洪計算方法常采用半成因半經驗法,這類方法以洪水形成原理為基礎,經過若干概化以及對參數的經驗處理,導出洪水與主要要素之間的關系。常見的有水科院推理公式法、林平一法、單位線法等。3.1東、特小流域匯流計算該法是一種基于樸素的成因推理結合經驗分析的暴雨洪水計算方法。該法結構簡單,參數稀少,對資料條件要求不高,特別適用于小流域的設計洪水計算。推理公式在全面匯流情況下不能化為顯式求解,經推導提出了一種數值迭代解法。特小流域面積很小,坡面匯流在流域匯流中占有不可忽視的地位。由于坡面的下墊面條件變化很大,反映流域匯流的匯流參數隨下墊面條件的變化范圍更寬,下墊面條件對匯流起主導作用,研究給出華東地區(qū)特小流域匯流分類。根據現場查勘,確定水庫流域下墊面屬Ⅱ-3型,廠址流域下墊面屬Ⅱ-2型。3.2第二,地形模型該法把流域的組成假定為具有一條坡度均勻的理想單干型的水道,其兩側為整齊而對稱的坡面,即設想為矩形模型。該法最大的特色是針對谷坡地不同的匯流特點,分別提出了谷地和坡地的洪峰計算方法。坡地指的是山坡或山麓坡度較陡而沒有明顯集水溝的傾斜地面。4平山水庫防洪4.1在林分密度和匯流參數方面,各有側重,均有特性m平頂山水庫上游分南、北兩個狹長山谷,其匯流長度及面積相接近。根據設計暴雨、流域參數,分別利用水科院推理公式法、林平一法,計算南、北兩谷各頻率設計洪峰,由成果對比可知,南谷洪峰林平一(谷地)法成果略高于推理公式法,北谷洪峰反之,但兩法成果相差0.2～0.5m3/s。由于水科院推理公式法中的匯流參數基于華東地區(qū)特小流域特性確定,與本地區(qū)實際較接近,故推薦使用該法推算成果。洪水過程線采用五點折腰三角形概化。根據洪水匯流歷時,對南、北兩谷設計洪水過程進行疊加。疊加結果顯示,水庫南谷、北谷洪峰略有錯時(約0.2h),平頂山流域0.2%、1%洪峰流量分別為65.7m3/s和51.6m3/s。4.2設計治理方案平頂山水庫設計防洪標準僅5%(20年一遇),為使水庫大壩及溢洪堰在高度方面滿足電廠防洪要求,根據本工程特點,擬定了如下三個水庫防洪設計整治方案。方案一(加高大壩):維持現有溢洪堰尺寸不變,加高(厚)水庫大壩,使其頂部高程等滿足防洪要求;方案二(降低堰高):維持現有溢洪堰長度不變,降低堰頂高程,使大壩頂部高程等滿足防洪要求;方案三(增加堰長):維持現有堰頂、壩頂高程不變,增加堰長,滿足防洪要求。三個方案中的加高壩頂、降低堰頂增加堰長的具體數值,通過水庫調洪演算給出。4.3洪水演算及結果分析水庫調洪后的下泄流量過程,一般洪峰減小,峰現時間延后。這種削峰及延峰效應因入庫洪水的大小和過程而異。根據設計入流過程、庫容關系與蓄泄關系,通過水量平衡方程進行演算。以差分替代微分,引入“蓄水率”的概念變換平衡方程,與泄流量關系和庫容曲線聯列,可方便地進行數值型調洪演算。洪水演算成果摘要列于表2。5區(qū)間洪水組合平頂山水庫調蓄下泄洪水的傳播及其與區(qū)間洪水的組合將對下游廠址產生影響。由于水庫防洪各方案下泄洪水存在差異,必然對廠址產生程度不同的影響。5.1洪水頻率分析對于無實測資料的特小流域,采用流域面積比例法和區(qū)間同頻率控制法兩種洪水組合計算方法,計算斷面A、B的設計洪峰?？鄢槚|渠向西南排出區(qū)間的流量,考慮水庫與東區(qū)的調蓄作用以及與北區(qū)洪水的組合,則斷面A、B頻率為1%的設計洪峰流量成果見表3。由于方案一、方案二的水庫最大泄洪流量非常接近,故斷面A、B設計洪峰亦非常接近。鑒于區(qū)間面積相對較大,采用區(qū)間同頻率控制法成果,以此作為截(排)洪溝1%設計洪峰。5.2煤場放空暗溝優(yōu)化設計方案根據廠址附近地形條件并結合現場調查,廠址西側(部)有一天然帶狀低洼通道,該通道為廠址上游山坡地及水庫稀遇雨洪的“洪水走廊”。方案Ⅰ(基于可研總圖布置):該方案煤場布置在天然排洪通道之上。為保廠址防洪安全,需在煤場之下沿原排洪通道布設排洪暗溝。下文簡稱“暗溝方案”。方案Ⅱ(基于優(yōu)化總圖布置):優(yōu)化壓縮廠區(qū)東西向長度,將廠址東移,留出廠址西側的天然排洪通道,保留明渠排水格局,排入下游河溝及鐵路沿線溝渠。下文簡稱“明渠方案”。5.2.1流量分配安排廠址東、北、西各段截(排)洪溝1%設計洪峰流量匯總列于表4中。其中北溝較長分三段,各段流量依據匯水面積進行分配。明渠流量可近似為均勻流,按梯形斷面設計截(排)洪溝,將底寬b、水深h、坡率m等水力要素代入均勻流公式,并建立迭代關系求解。5.2.2方涵排洪的確定為順暢排泄上游洪水,使廠址北側農田不致產生嚴重的淹沒損失。經與圓形涵管比選,采用2m×2m的方涵排洪。隨水位(深)變化,涵內流量會出現自由流和壓力流。根據演算成果,當發(fā)生1%洪水時,將使廠址西北側高程在23m以下約75畝的農田發(fā)生淹沒損失。6防排工程造價總圖布置總圖確定據統(tǒng)計的工程量(篇幅所限,從略)和各類工程單價,各方案防(排)洪工程造價比較如表5所示。各方案造價比較可見:(1)通過優(yōu)化總圖布置,防排工程造價比可研總圖條件下節(jié)省約127.1～161.8萬元,幅度達35%～44%。據分析,通過縮小廠區(qū)占地及廠址東移留出天然排洪道而節(jié)省了暗溝費用是造成價差的主要原因,設計雨洪成果差異是另一重要原因。(2)在優(yōu)化總圖條件下,以平頂山水庫防洪方案二合計造價最低,約205.5萬元,較方案一、方案三分別節(jié)省投資約22.3萬元和34.7萬元。7“和諧防洪”和“生態(tài)建筑”的應用,最大限度地實現當地自然、人在防洪方案的擬定和選擇上,除考慮造價因素外,還應貫徹“和諧防洪”理念,充分結合工程周圍自然環(huán)境,并以不妨礙附近農業(yè)生產為原則。本文主要從以下幾方面執(zhí)行了這一理念。(1)廠區(qū)洪水排放系統(tǒng)山洪一般采用開挖截(排)洪溝等方式,將洪水引至下游水道。在排洪時,宜順應自然地勢地貌,采用截、排洪分流的原則,將廠區(qū)全部流域洪水在流到廠區(qū)外周,采用排洪溝或攔洪壩進行截流,并將全流域的總匯水面積,根據地形和排水方向分成若干小塊的匯水面積,用幾條排洪溝分流到廠外自然水道,將總匯水面積化整為零,并能避免各局部洪水匯集成高峰威脅廠區(qū)安全。(2)廠外暗溝排水方案應盡可能采用明渠排洪,不宜采用暗溝以免堵塞;排洪溝宜布置在廠外,不宜穿越廠區(qū),宜結合地形因勢利導避開主廠區(qū)。就本工程而言,若采用基于可研階段推薦的總圖布置,則廠西需采用暗溝排水方案,與明渠方案相比,暗溝具有不易清理維護的缺點;暗溝布置在煤場之下,工程設計及實施時應與煤場進行協(xié)調,而明渠方案只需在現有基礎上稍加整治即可,實施容易且不涉及水系整治,不影響二期工程建設。(3)溢洪堰堰長增加,壩體價值改變廠西若采用暗溝排水方案,可能造成災害轉移影響北側農田耕作。當采用2m×2m方涵,發(fā)生1%洪水時,將使廠址西北側約75畝的農田淹沒,二期工程建設時,還需將暗溝北延,淹沒區(qū)亦隨之北移。在平頂山水庫整治方案中,方案三通過將溢洪堰堰長由現狀9m增長至26m,對壩體的改變較大,且使得水庫設計下泄洪峰增加30.7%～32.0%,將對水庫下游尤其是壩下～廠址間的農田形成更大的威脅;方案一需對長約150m的平頂山水庫大壩加高約0.9m,這勢必對大壩的穩(wěn)定性提出了更高要求。(4)總庫容和興利庫容平頂山水庫整治方案二堰頂降低0.9m,使庫容減小6.55萬m3,分別占水庫原總庫容(63.7萬m3)、興利庫容(45.0萬m3)的10.3%和14.6%。另一方面,該水庫設計灌溉面積0.15萬畝,而電廠一、二期工程合計占地約0.068萬畝,即因電廠建設將使水庫灌溉面積減小約45%,這為庫容降低提供了可能。8廠區(qū)結果分析和文明渠方案比選(1)基于技術、經濟以及“和諧防洪”理念的綜合考量,提出廠區(qū)總平面優(yōu)化建議:通過優(yōu)化壓縮廠平面東西向長度,將廠區(qū)東移,留出廠址西側的天然排洪通道,保留明渠排水,形成“我不侵水、水亦不犯我”的和諧格局。本文推薦基于廠區(qū)優(yōu)化總平面的明渠方案和水庫防洪設計整治方案二(降低溢洪堰高)的截(排)洪防排洪設計方案,該方案造價亦最省。(2