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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(jīng)濟、文化中心。沅水一級支流舞水自西向東，呈“Ω”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(yīng)庫容880×104m3。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(yīng)庫容600×104m3。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2—4mm,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(zāi)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(jù)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(shè)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(shè)計洪峰流量，根據(jù)新晃縣城區(qū)新晃水位站的實測水位流量關(guān)系資料，求得相應(yīng)頻率下的設(shè)計洪峰水位，經(jīng)與城區(qū)洪調(diào)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(shè)計洪水分析成果見表1。

表1、新晃縣城城區(qū)設(shè)計洪水分析成果表

設(shè)計頻率（％）

5（20年一遇）

設(shè)計洪峰流量（m3/s）

4820

設(shè)計洪峰水位（m）

314.94

2.3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(jù)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(shè)計洪水進行調(diào)洪演算。

2.3.1調(diào)洪演算原理

調(diào)洪演算時一般給定庫水位上（下）限，當調(diào)洪演算水位越上（下）限時，判斷可用操作區(qū)，根據(jù)調(diào)度規(guī)程開啟（關(guān)閉）閘門。下面以獅子巖水庫常規(guī)調(diào)度過程說明一次閘門操作的演算過程：

①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。

②n=1。

③計算閘門啟閉流量變化量(Q泄=Q平+100×n)和最低（高）庫水位H。

④若H超出庫水位下（上）限，則取Q泄=Q平+100×（n-1），跳出循環(huán)。

⑤若T≥最長動門時間，則取Q泄=Q平+100×n，跳出循環(huán)。

⑥n=n+1，轉(zhuǎn)至③。

2.3.2調(diào)洪演算結(jié)果及不同閘門開啟情況時對下游新晃縣城的影響

根據(jù)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(diào)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

316.04

0.00

2扇不能打開

317.09

1.05

4扇不能打開

318.05

2.01

全部不能打開

320.41

4.57

演算結(jié)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(chǎn)亦將造成滅頂之災(zāi)。

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(zāi)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(jù)圣·維南方程進一步概化河槽斷面面積為：

ω=khm=Bh/m

其中

k為常用系數(shù)，B為水面寬，m為河槽斷面形狀系數(shù)。

依據(jù)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(yīng)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(yīng)的斷面平均流速；

m——河槽斷面形狀指數(shù)。

潰壩初頃，在壩址上產(chǎn)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P

5%

來流量較小時

來水洪峰流量

4820

100

潰壩時刻壩上水位

335.75

327

潰壩時刻壩下水位

326.8

312

計算潰壩最大流量

9990

4530

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(jié)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(guān)公式得到總的離散方程為

（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/△t+C1(h－h(huán)b)1.5+C2(h－h(huán)b)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Newton—Raphson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(cè)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)2/2g△x。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(yīng)用中通常將其離散為代數(shù)方程，然后求出其數(shù)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(quán)系數(shù)θ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（2N—2）個方程。給定上、下游邊界，共同組成2N個非線性方程，利用NewtonRaphson法迭代求解方程組，可求出任意時刻各斷面有關(guān)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(jié)果表明：對于P=5%的設(shè)計洪水，若魚市水庫潰壩，獅子巖水庫壩前水位在調(diào)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(jié)果見表4：

表4、20年一遇魚市水庫潰壩洪水獅子巖水庫調(diào)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

318.62

6800

2扇不能打開

319.61

6830

4扇不能打開

320.51

6850

全部不能打開

322.48

7000

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(yīng)的預見期很短，從表4的演算結(jié)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(jié)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(jié)果截然不同。在制作防洪規(guī)劃時，應(yīng)積極地考慮各種不利因素的組合，不可回避，因此應(yīng)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(jù)演算結(jié)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(yīng)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(yīng)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?shù)卣畧蟾?，將大壩管理人員撤離至安全地帶，當?shù)卣M織居民群眾安全撤離，將損失降到最小程度。

InfluenceAssessmentonSafetyIssueofUpstreamStepReservoirs

inCityFloodControl.

Chenjizhong(HunanChangshaHydrology&WaterResourcesSurveyBureau,11ZiranlingRd,Changsha,410014)

Tangxichun(HunanHydrology&WaterResourcesSurveyBureau,418ShaoshanRd,Changsha,410007)

Yanping(HunanHydrology&WaterResourcesSurveyBureau,418ShaoshanRd,Changsha,410007)

Abstract:Alongwiththeeconomicdevelopment,thefloodcontrolplansaregettingmoretobemadeformiddleandsmallsizecities.AsacasestudyofthefloodcontrolplanforXinfancountyinHunanProvince,theinfluenceassessmentandnecessarydiscussiononsafetyissueofupstreamstepreservoirsincityfloodcontrolwerepresentedinthepaper,supplyingtheoriticalprovesforscientificalcityfloodcontrol.