高州水库大坝安全鉴定洪水复核计算分析

高仁杰，左 冬，范立柱

（广东河海工程咨询有限公司，广东 广州 510600）

根据水利部2003年发布的《水库大坝安全鉴定办法》（水建管［2003］271号文）第5条规定[1]：大坝实行定期安全鉴定制度，首次安全鉴定应在竣工验收后5年内进行，以后应每隔6～10年进行一次。防洪能力复核作为水库大坝安全鉴定重要工作内容[2]，主要目的是根据水库工程现有规模和设施，复核水库调蓄库容、大坝挡洪、泄洪能力是否满足原设计洪水位与校核洪水位。

1 基本情况

高州水库位于广东省高州市境内东北部，是一座以工、农业和城市生活供水为主，结合防洪、发电、航运和淡水养殖等综合利用的大（1）型水库。高州水库在鉴江一级支流大井河及曹江上，是广东省十大水库之一，灌溉面积39.33万hm2，保护人口617万人，是关系茂名及至整个鉴江中下游平原工、农业生产命脉的蓄水工程。

高州水库由石骨库区和良德库区连通组成，其中，石骨库区建于鉴江支流曹江上，库区集水面积为525 km2，设计总库容为4.91×108m3；良德库区建于鉴江支流大井河上，库区集水面积为497 km2，设计总库容6.60×108m3。高州水库主要由2座主坝、8座副坝、2座溢洪道和2座输水涵、2座坝后式电站组成。

2 设计洪水复核计算

2.1 设计洪水标准

高州水库总库容超过10×108m3，属于Ⅰ等水利水电工程，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级。按照SL 252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定，高州水库按千年一遇洪水设计、万年一遇洪水校核。

2.2 设计洪水计算

2.2.1 基础资料

此次设计洪水复核计算基础资料为广东省水文局茂名分局和高州水库管理中心提供的1957—2020年入库还原资料。根据良德库区和石骨库区洪水期入库还原资料，按同步时间叠加成高州水库洪水过程线，并统计年最大洪峰流量Qm、年最大24 h洪量W24h、年最大3 d洪量W3d。

2.2.2 设计洪峰、洪量计算

对高州水库现有1957—2020年共64年长系列洪峰流量资料进行排频计算，理论频率曲线采用P—Ⅲ曲线，按经验适线法目估适线，偏态系数Cs采用与变差系数Cv的经验倍比关系，Cs=3Cv，用矩法公式计算洪水参数[3]，计算成果见表1。

表1 高州水库设计洪水计算成果表

2.2.3 设计洪水过程线的推求

本着峰高量大，主峰段洪量集中，对水库防洪偏不利的典型洪水选取原则，此次选取高州水库1969年7月20日实测洪水作为典型年洪水过程线。设计洪水过程线采用设计洪峰流量及24 h洪量、3 d洪量同频率控制放大典型洪水过程线。

3 调洪计算

3.1 基本原理

由坝址入库洪水过程经调洪演算，推求出水库下泄过程和各防洪特征水位。洪水波在水库中行进时，水流运动中各水力要素随时空变化，属三维非恒定问题。由于三维非恒定问题在数学求解及基本方程的理论假定上还有诸多问题，故在实际应用中常将问题简化为二维、一维非恒定问题，利用试算法求解。试算法调洪是一种概念清楚、适用面较广的水库调洪计算方法，尤其是计算时段不固定和多种泄流设施组合使用时，试算法更具有其灵活性。虽试算工作量增大，但随着计算机及计算技术的广泛应用，上述问题迎刃而解。调洪演算采用静库容法，采用的水库水量平衡方程：

库容曲线～泄流量曲线：

式中：V1，V2——计算时段始末的入库库容，m3；Q1，Q2——计算时段始末的入库流量，m3/s；q1，q2——计算时段始末的出库流量，m3/s；△t——为计算时段，s。

试算由第1时段开始，逐时段连续进行。对于第一时段，Q1，Q2，q1及△t均为已知，假设一个q2，可由式（1）计算出V2，由V2查水位～库容曲线Z=f(V)和库容曲线～泄流量曲线q=f(V)得q2；若二者相等，即所假设q2能同时满足式（1）、式（2），假设的q2即为所求。否则，重新假设q2，重复上述计算过程，直至二者相等为止。将第1时段的q2，V2作为第2时段的q1，V1，像第1时段一样进行计算，求得第2时段末的q2，V2。逐时段连续试算，即可求得下泄流量过程和水库蓄水过程。

3.2 防洪调度原则

1）严格控制高州水库水位的运行。在枯水期，水库维持正常蓄水位89.00 m运行；枯水期末，汛前水库水位应降到88.50 m；在汛期，当水库水位达到88.50 m时，应打开溢洪道闸门泄洪，最大泄流量不超过692.00 m3/s；当水库水位超过90.72 m时，表示水库来水超过50年一遇来水量，为确保大坝的安全，闸门全开泄流。

2）当出现超标准洪水时，除了各种泄洪设施以最大泄洪能力泄洪之外，并采取措施保坝，以免下游发生毁灭性灾害，以及保护下游人民群众生命财产安全。

3.3 水位库容曲线

根据高州水库库区最新实测地形图量测，高州水库库容曲线见表2。

表2 高州水库库区水位～库容关系表

3.4 泄流曲线

高州水库共分为2个库区2个溢洪道，分别为石骨水库库区溢洪道、良德水库库区溢洪道；石骨水库溢洪道堰顶高程为83.60 m，由4 m×8 m闸门组成；良德水库溢洪道堰顶高程为83.30 m，由2 m×8 m闸门组成。根据《水力学计算手册》（第二版）中的堰流公式计算其过流能力[4]，此次调洪计算的高州水库泄流工程水位～泄流关系见表3。

表3 高州水库泄流工程水位～泄流关系表

3.5 调洪计算成果

此次调洪计算采用广东省常用的HydroLab调洪计算程序，根据计算得出的设计洪水过程线、水库防洪调度原则及水库特性数据，调洪计算成果见表4，图1。

表4 高州水库调洪计算成果表

图1 高州水库调洪演算成果图

4 大坝抗洪能力复核

4.1 挡水安全性

4.1.1 坝顶高程复核

根据SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》的规定[5]，坝顶在水库静水位以上的超高按以下公式确定：

式中：Y——坝顶超高，m；R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；e——最大风壅水面高度，m；A——安全加高，m。

根据式（3）及相关参数，高州水库坝顶高程计算成果见表5。

表5 高州水库坝顶高程计算成果表

计算成果表明：高州水库各坝顶（防浪墙）高程均高于计算值，满足规定的安全要求。

4.1.2 溢洪道控制段顶部高程复核

高州水库溢洪道建筑物级别为1级，根据SL 253-2018《溢洪道设计规范》[6]，控制段闸墩及岸墙顶部高程应根据挡水和泄水2种运用情况确定。挡水时，控制段闸墩及岸墙顶部高程不应低于水闸设计洪水位或正常蓄水位加波浪计算高度和安全加高值（0.70 m）；宣泄洪水时，控制段闸墩及岸墙顶部高程不应低于校核洪水位加安全加高值（0.50 m）。且溢洪道紧靠坝肩时，控制段顶部高程应与大坝坝顶高程协调。溢洪道闸墩顶布设有人行桥，桥下净空应满足泄洪、排凌及排漂浮物的要求，一般为0.50 m净空。

石骨溢洪道及良德溢洪道闸顶高程复核成果表见表6。

表6 高州水库溢洪道控制段闸顶高程计算成果表

根据以上计算可以得出，石骨、良德水库溢洪道控制段边墙顶高程、人行桥梁底净空均满足防洪要求。

4.2 泄洪安全性

4.2.1 下泄能力复核

1）石骨水库

石骨溢洪道堰顶高程83.60 m，按照武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室主编《水力学计算手册》（第二版）中的堰流公式6.4-3计算其过流能力，设计水位92.26 m（P=0.10%）时，石骨溢洪道最大下泄能力为2 238.30 m3/s；校核水位93.57 m（P=0.01%）时，石骨溢洪道最大下泄能力为2 382.00 m3/s。

根据高州水库调洪计算成果，设计工况下（P=0.10%），石骨溢洪道最大下泄流量1 284.00 m3/s；校核工况下（P=0.01%），石骨溢洪道最大下泄流量1 512.00 m3/s，石骨溢洪道泄流能力满足设计要求。

2）良德库区

良德溢洪道堰顶高程83.30 m，采用SL 265-2016《水闸设计规范》中宽顶堰计算公式，按下游水位达到临界水深、考虑临近流速水头的方式计算其过流能力，设计水位92.26 m（P=0.10%）时，良德溢洪道最大下泄能力为692.75 m3/s；校核水位93.57 m（P=0.01%）时，良德溢洪道最大下泄能力为850.00 m3/s。

根据高州水库调洪计算成果，设计工况下（P=0.10%），良德溢洪道最大下泄流量526.00 m3/s；校核工况下（P=0.01%），良德溢洪道最大下泄流量678.00 m3/s，良德溢洪道泄流能力满足设计要求。

4.2.2 泄洪对大坝影响复核

良德溢洪道位于良德水库主坝右侧约600.00 m处的马子坳，为河岸正槽式。水流经溢洪道泄入大井河支流，再汇入大井河。溢洪道泄洪不会对主坝及副坝的安全造成不利的影响。

石骨溢洪道位于石骨主坝左坝头，现状溢洪道全长738.30 m，由进口段、闸室段、三级泄槽、三级消力池、海漫段组成。溢洪道两侧修筑有混凝土挡墙，洪水被直接引入下游河道。高州水库运行60多年来，水库共溢洪20多次，均未对大坝造成直接影响。

5 结语

此次通过采用1957—2020年共64年实测水文资料，对高州水库设计洪水进行了复核计算，复核结果显示：高州水库溢洪道泄流能力满足泄洪要求，主坝、副坝现状坝顶高程满足规范要求；水库现状溢洪道泄槽边墙高度、溢洪道上人行桥高程均满足防洪安全要求；高州水库防洪标准及大坝抗洪能力满足规范要求。