水库安全评价报告.docx
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水库安全评价报告
【摘要】本文从水库的防洪安全标准复核、工程质量、结构安全、渗流安全、金属结构安全、大坝运行管理以及现场安全检查等主要方面,依据有关现行规范规定和大坝安全评价分类标准,对孙庄水库大坝工程安全性进行了全面复核和综合评价。
经复核,水库现有防洪标准不满足要求,且存在许多严重安全隐患,如坝体填筑质量差、坝坡冲刷严重、坝体渗漏、金属结构老化失修等严重问题,已危及水库大坝的安全。
因此,综合评价该大坝为三类坝,属于病险水库,应及早进行除险加固。
关键词:
孙庄水库安全评价病险水库除险加固
1前言
孙庄水库位于信阳市浉河区吴家店乡十里村,处在游河支流上,是一座以防洪、灌溉为主,结合水产养殖等综合利用的小
(2)型水库。
水库于1977年建成,控制流域面积0.5km2,总库容18.3万m3,
根据《防洪标准》(GB50201-94)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000),本次复核将防洪标准确定为10年一遇洪水设计,50年一遇洪水校核,总库容18.3万m3。
水库主要建筑物由大坝、溢洪道、1#及2#输水洞等组成。
水库兴建时,工程在无任何勘测设计资料的情况下仓促上马,属“三边”工程;由于当时建筑材料缺乏,加之群众性施工,施工质量低劣,又经过三十多年的运行,导致坝体严重渗漏,坝顶高程不满足防洪标准要求,上游护坡大面积空洞、坍塌,且溢洪道未护砌,无消能设施,致使洪水不能安全下泄,直接威胁水库大坝安全。
为此,在信阳市水利局直接领导下,成立了水库大坝安全鉴定领导小组,组织力量对水库各方面进行了论证和评价,按照《水库大坝安全评价导则》(SL252—2000)的要求,结合孙庄水库的工程现状,提出的主要专题成果如下:
⑴孙庄水库防洪标准复核;
⑵孙庄水库工程质量评价;
⑶孙庄水库结构安全评价;
⑷孙庄水库渗流安全评价;
⑸孙庄水库金属结构安全评价;
⑹孙庄水库大坝运行管理评价;
⑺孙庄水库现场安全检查报告。
本文将以上述成果为主,并结合其它文献对大坝工程的安全性作综合评价。
2工程概况
2.1水库特性
孙庄水库控制流域面积0.5km2。
工程设计防洪标准采用10年一遇洪水设计,50年一遇洪水校核。
调洪成果为:
设计水位114.47m,相应库容15.5万m3;校核水位114.95m,相应库容18.3万m3;水库起调水位113.40m,兴利水位113.40m,相应库容10.1万m3;死水位109.00m,死库容0.2万m3。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000),孙庄水库属小
(2)型水库,工程等级为Ⅴ等,主要建筑物级别为5级。
主要建筑物有大坝、溢洪道、1#及2#输水洞等。
工程总体布置见图1—1。
图1-1工程现状平面布置图
2.2大坝
大坝为均质土坝,坝长115m(桩号0+000~0+115),现状坝顶高程114.20m~114.80m,最大坝高6.8m,坝顶宽3.5m,无防浪墙。
坝顶路面为土路面,凸凹不平。
据我院2012实测断面,大坝上游坡比为1:
2,下游坡比为1:
1.8~1:
2.1。
上游坝坡未护砌,冲刷严重,杂草丛生,下无垫层;下游坝坡不规整,杂草丛生,无排水设施。
2.3溢洪道
溢洪道位于大坝右侧,为开敞式土渠,未护砌,无消能设施,无法安全泄洪。
控制段顶高程为113.40m,底宽2.0m,最大下泄流量7.4m3/s。
2.4输水洞
1#输水洞位于大坝桩号0+060处,进口无控制设施,底部高程109.00m,洞身为砼管,洞身长24.7m,设计输水流量0.08m3/s。
出口砌体坍塌,淤积严重。
2#输水洞位于大坝桩号0+080处,进口无控制设施,底部高程110.00m,洞身为φ200mm砼涵管,洞身长22.5m,设计输水流量0.08m3/s。
出口砌体缺失,淤积严重。
2.5观测设施
大坝建成时未设置任何工程安全监测设施,无位移及渗漏观测设施。
2.6大坝运行情况
水库大坝在30多年的运行中,曾发生坝体渗漏、溢洪道不能安全泄洪、金属结构老化失修等严重问题,虽经处理仍未消除工程隐患。
目前,大坝不能正常运行。
3水库防洪标准复核
3.1洪水计算依据
由于孙庄水库无实测流量及雨量资料,邻近又没有雨量观测站,因此暴雨参数采用《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》(河南省水利勘测设计院,1984年,以下简称《84图集》)和《河南省暴雨参数图集》(河南省水文水资源局编制,2005年,以下简称《05图集》)分别计算。
3.2库容、泄流曲线的采用
通过万分之一航测图量算水库的流域面积、河道长度、河底比降,复核结果与以往水文复核的特征值结果相同,即:
流域面积F=0.5km2,河道长度L=0.742km,河底平均比降J=0.0264。
3.3水库现状安全标准复核成果
起调水位113.40m,水位高于113.40m时,溢洪道敞泄。
孙庄水库洪水计算成果见表1—1。
表1—1孙庄水库现状调洪演算成果汇总表
P
最高水位(m)
相应库容(万m3)
最大泄量(m3/s)
1/10
114.47
15.5
3.9
1/50
114.95
18.3
7.4
3.4结论
按国标GB50201—94《防洪标准》及SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》,孙庄水库属小
(2)型水库,大坝级别为4级。
坝顶高程核算见表1—2。
表1—2坝顶高程核算表
项目
符号
单位
大坝
设计状况
校核状况
计算风速
W
m/s
22.5
15
等效风区长
D
m
330
350
波向线与坝法线夹角
β
°
22
22
平均波长
Lm
m
6.402
4.251
平均波高
hm
m
0.208
0.138
平均波浪爬高
Rm
m
0.576
0.336
5%波浪爬高
R5%
m
1.060
0.618
折减系数
Kβ
0.952
0.952
最终波浪爬高
R
m
1.009
0.589
安全加高
A
m
0.5
0.3
安全超高
y
m
1.509
0.889
最高静水位
H0
m
114.47
114.95
计算坝顶高程
H
m
115.98
115.84
现状大坝坝顶高程为114.20~114.80m,低于计算坝顶高程115.98m,不满足规范要求。
因此此水库大坝现状防洪能力为C级。
4工程质量评价
4.1大坝质量评价
根据工程地质勘察报告成果,大坝坝基由抗渗透性能较好的低液限粘土(Q4al)组成。
呈灰褐色,黄褐色~黄色,稍湿,土的状态为可塑状态,局部为软塑状态,标准贯入试验4~6击不等,含铁锰质结核,断面上有灰色网纹,分布在坝基处及冲沟处。
承载力特征值fak=180KPa。
据当年施工人员回忆:
坝体填筑前曾进行过清基,钻孔注水试验,渗透系数K<10-6cm/s,属极微透水层。
水库运行30多年来,未发现大的质量问题,说明坝基工程质量合格。
据《信阳市孙庄水库安全评价工程地质勘察报告》(以下简称《地质勘察报告》)对筑坝土料的分析资料得知,坝体填土材料以低液限粘土为主,夹灰色耕植土,填土较杂乱,填土厚度不均一,施工压实不均匀,钻进过程中缩径严重,坝体填土合格率低。
故部分土料不能满足筑坝要求。
通过本次钻探,孙庄水库坝址区主要存在大坝填土填筑碾压质量差,坝体填土与坝基低液限粘土结合处理较差。
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189~96),粘性土压实度可取0.95~0.97,因此本次坝体质量评价采用压实度0.96。
取坝体填土做击实试验,最大干密度为1.70g/cm3。
干密度设计值为1.69×0.96=1.62g/cm3。
将干密度1.62g/cm3作为填土质量评定依据。
该坝填土6组土样中干密度ρd范围值1.55~1.62g/cm3,其中ρd≥1.62g/cm3的为1,占16.7%。
充分说明坝体填筑碾压质量差,填土质量合格率低。
由室内试验成果并结合现场勘察,坝体填土材料以低液限粘土为主,夹灰色耕植土,填土较杂乱,填土厚度不均一,施工压实不均匀,钻进过程中缩径严重,坝体填土合格率低。
填筑质量较差。
故判定坝体填筑质量为不合格。
大坝迎水坡现状冲刷严重,未进行任何护砌,无法抗御风浪冲刷,危及坝体安全。
大坝下游坡坡率不均,现状杂草丛生。
下游坝坡坡脚处未设置排水体,浸润线高,无排水沟,雨水顺着坝坡冲刷、淘蚀坝脚,危及坝体安全。
从大坝坝基处理及坝体填筑等方面看,坝体填筑前曾进行过清基,运行30多年来,坝基没有发现大的质量问题。
但大坝坝体填筑土料不合格,填筑质量较差,填筑土干密度未达到设计要求,造成坝体渗水、上游坝坡冲刷严重,危及大坝安全。
综上所述,大坝工程质量判定为不合格。
4.2输泄水建筑物质量评价
溢洪道为开敞式土渠,未护砌,冲刷严重,无消能设施,断面不规整,两侧岸坡坍塌,泄洪不畅,危及水库安全。
故溢洪道工程质量不合格。
查阅相关资料及现场察勘,1#及2#输水洞洞身基础部分持力层均为低液限粘土,该层土沉积密实,厚度大,呈硬塑状,洞身基础不存在变形、渗漏质量隐患,但是1#输水洞进口无控制设施,洞身断裂,无法使用,2#进口无控制设施,放水极为不便,出口砌体坍塌,缺失。
故判定输水洞工程质量不合格。
4.3工程质量综合评价
大坝填筑土料不合格,填筑质量差,干密度大部分未达到设计要求;上游坝坡未护砌,冲刷严重,下游坝坡无排水设施,坝顶路面凸凹不平;溢洪道为土渠,未护砌,无消能设施,泄洪不畅;1#输水洞进口无控制设施,洞身断裂,2#输水洞进口无控制设施,无法控制水流,出口段坍塌、缺失。
因此,综合判定工程质量不合格。
5大坝结构安全评价
5.1大坝
坝坡稳定安全计算采用有限元法,采用有效应力参数。
大坝填筑土物理特性指标采用《地质勘察报告》中提供的数据,其中土体容重采用均值,c、
值均采用小值平均值。
采用值见表1—3。
表1-3筑坝材料物理特性指标(采用值)
含水量(%)
密度(g/cm3)
干密度(g/cm3)
孔隙比
压缩系数(MPa)
压缩模量(MPa)
饱和快剪
饱和固结快剪
凝聚力(Kpa)
内摩擦角(度)
凝聚力(Kpa)
内摩擦角(度)
25.3
1.97
1.57
0.730
0.255
6.82
30.0
14.0
29.0
15.0
坝坡稳定按稳定渗流期和水库水位降落期两种工况进行复核。
取大坝最不利断面(桩号0+050)作坝坡稳定计算。
⑴上游坝坡:
①上游最不利水位111.53m;
②校核水位114.95m突降至兴利水位113.40m。
(2)下游坝坡:
①上游设计水位114.47m;
②正常蓄水位113.40m
③上游校核水位114.95m;
大坝结构安全最小安全系数复核成果见表1-4。
表1-4大坝稳定安全分析成果表
坝段
坝坡
情况
分析工况
最小安全
系数
允许值
河槽段
(0+030~0+080)
下游坡
正常
上游设计水位114.47m
1.122
1.15
正常蓄水位113.40m
1.140
1.15
非常
上游校核水位114.95m
1.019
1.05
上游坡
正常
上游最不利水位111.53m
1.372
1.15
非常
校核水位突降至兴利水位113.40m
95109.78m
.00m
1.204
1.05
孙庄水库大坝属5级建筑物,根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)对5级建筑物最小安全系数规定:
正常情况为1.15,非常情况为1.05。
由上表可见,大坝下游坝坡稳定安全系数不满足规范要求。
孙庄水库大坝建成后没有设置大坝变形观测点,沉陷变形只能现场观测。
水库大坝由于未安装沉降、位移等观测设施,所以无沉降、位移等观测资料。
水库建成于1977年,经过30多年的运行,大坝坝体沉降和水平位移基本趋于稳定,经现场检查未见异常现象。
(1)评价
经计算,下游坝坡稳定安全系数不满足规范要求,坝体填筑质量差,上游坝坡未护砌,坝顶路面凸凹不平。
坝体存在白蚁侵害。
综合评定大坝结构安全性为C级。
(2)建议
①按设计坡比整修坝坡;
②对大坝坝体进行防渗补强加固处理;
③硬化坝顶路面;
④新建上游砼护坡;
⑤做好坝面排水沟与坝后排水体;
⑥大坝安装位移及浸润线观测点,以便运行管理;
⑦白蚁侵害治理;
⑧加强对大坝检测,发现情况及时上报。
5.2溢洪道安全评价
溢洪道堰顶高程113.40m,堰顶宽2m,泄洪时,按宽顶堰自由溢流情况复核其过流能力。
经复核,现状坝顶高程不满足防洪要求,故溢洪道泄流能力不满足要求。
(1)评价
经复核,溢洪道泄流能力不满足设计要求,且溢洪道为土渠,未护砌,无消能设施,无法安全泄洪,判定其结构安全性别为C级。
(2)建议
⑴对溢洪道开挖护砌;
⑵增设下游消能设施。
5.3输水洞安全分析
1#及2#输水洞均按压力洞进行过流能力复核。
经复核,在正常蓄水位113.40m时,输水洞过流能力分别为0.1m3/s、0.12m3/s,满足设计过流能力要求。
通过现场检查及老化病害检测,发现输水洞主要存在以下问题:
⑴1#输水洞进口无控制设施,洞身断裂,无法使用;
⑵2#输水洞进口无控制设施,出口砌体坍塌缺失,淤积严重。
⑴评价
输水洞未达到设计标准,工程存在严重的安全隐患,已不能正常运用,故判定其为三类建筑物,安全性能为C级。
⑵建议
⑴1#输水洞拆除重建;
⑵2#输水洞更新进出口。
5.4结构安全综合评价
经复核,下游坝坡稳定安全系数不满足规范要求,但坝体填筑质量差,上游坝坡未护砌,坝顶路面凸凹不平;溢洪道为土渠,无消能设施;1#输水洞无控制设施,洞身损毁,2#输水洞进口无控制设施,出口段砌体坍塌、缺失。
故结构安全性为C级。
6大坝渗流安全评价
6.1坝体渗流安全评价
由于大坝下游未设置量水堰,因此大坝的渗漏量无法量测,仅从下游湿润的明显程度观察渗漏状况。
观察结果表明:
当库水位达113.40m时,大坝背水坡即出现大面积渗水,下游坝坡出现明流,并伴有散浸现象,散浸主要位于桩号0+030~0+080处,由高程113.0m至坝脚。
经对坝体钻孔进行分段注水试验揭示,坝体渗透系数K=2.86×10-4~1.53×10-4cm/s,呈中等透水性。
采用河槽段典型断面进行渗流计算。
根据勘测资料,坝体渗透系数取k=2.28×10-4cm/s,坝基相对于坝体为不透水地基。
本次计算工况取兴利水位113.40m、10年一遇的设计洪水位(114.47m)和二种情况。
该断面在三种工况下,下游无水。
计算结果见表1—5。
表1-5大坝渗流计算结果表
水位
(m)
a0
(m)
逸出点高程
(m)
渗漏量q
(m3/d·m)
坝坡J
[J]
113.40(兴利)
0.70
108.70
0.283
0.38
0.35
114.47(设计)
1.90
109.90
0.290
0.40
0.35
计算结果显示,在不同工况下坝坡渗透坡降大于其允许水力坡降,且坝体渗流逸出点较高,渗漏量大,故坝体的渗流是不稳定的。
分析其原因:
一是坝体填筑质量差,渗透系数大,造成下游坝坡大面积散浸。
二是下游坝脚处无排水体,无法降低坝体浸润线。
综合分析,坝体渗流形态不安全。
6.2坝基渗流安全评价
据钻探分析,坝基为密实的低液限粘土(Q4al),黄褐色~黄色,稍湿,土的状态可塑~硬塑状态状态,含铁锰质结核,断面上有灰色网纹,渗透系数K<10-6cm/s,属极微透水层。
由下游坡观察及钻孔结果分析孙庄水库不存在坝基渗水,且当年施工时,坝体填筑前进行了清基。
运行30多年来,没有发现大的质量问题,变形、渗透均表现正常,说明坝基渗流性态稳定。
6.3大坝渗流安全评价及建议
(1)评价
大坝坝体呈中等透水性,自投入运用以来,在遭遇到数次较高库水位(113.40m)以上时,发现下游坝坡有渗水、散浸现象,且目前坝体无排水设施,出逸点高。
综合分析各种因素,判定大坝渗流安全性为C级。
(2)建议
⑴对坝体进行防渗处理,其中以河槽段为重点,兼顾其它坝段,以增加大坝的整体抗渗性能;
⑵加强渗流观测,特别是高水位的观测工作,增设浸润线观测管;
⑶增设下游量水堰,以便准确地观察大坝渗漏状况;
⑷增设下游排水体,防止渗透变形;
⑸做好坝外坡面排水工作。
7金属结构安全评价
输水洞进口缺失控制设施,无闸门等金属结构设施。
8大坝抗震复核
由中国技术监督局2001年发布的《中国地震动参数区划图》查得,孙庄水库坝区地震动参数为0.05g,相当于地震基本烈度为Ⅵ度,按规范不进行抗震安全复核。
9大坝运行管理评价
孙庄水库自建成投入运行以来,累计提供灌溉用水0.03亿m3,水库拦蓄洪水,有效地减轻了下游的旱涝灾害,促进了当地工农业生产和国民经济的发展。
根据《水库管理通则》要求,水库管理有三大任务,即大坝运行(调度)、大坝维护和大坝安全监测。
9.1大坝运行
孙庄水库水管所根据有关要求编制了《孙庄水库防汛运用调度表》,规范了调度工作,规定了水库在防洪和兴利调度方面的具体做法和工作程序。
每年都能够根据当年的实际情况编报水库的防洪与兴利调度计划。
洪水调度方案:
起调水位为113.40m,超过此水位时溢洪道自由泄流。
9.2大坝维护
为了及时掌握和发现大坝在运行中是否正常,建立了工程检查制度,孙庄水库管理单位每年在汛前、汛后都开展工程检查,并将工程检查结果及时上报县、市主管部门,针对在工程检查中发现的问题及时制定维护方案,报请上级主管部门审批,尽量使其处于安全和完整的可运行状态。
为确保大坝维护工作的正常进行,制订有各项规章制度,并能够依照程序执行。
9.3大坝安全监测
水库大坝监测仅包括巡视检查,巡视检查分为定期检查以及特殊情况(如高水位、大风浪)检查。
水库建成后并没有设测压管及变形观测等设施,大坝仪器监测工作无法正常开展。
9.4大坝运行情况综合评价
综上所述,大坝运行管理有章可循,制度基本健全,并能执行,但从监测情况看,大坝监测设施缺乏,水库输泄水建筑物不能正常运行,大坝坝体出现渗漏,护坡塌陷、空动,所以大坝是处于不安全的运行状态。
由此判定孙庄水库运行情况为差。
增加垂直、水平位移观测项目,增加渗漏量观测,增加监测仪器设备,以利于更有效地监测大坝运行。
10大坝综合情况评价
本次水库大坝安全鉴定,在全面整理分析建库以来的各种技术资料的基础上,结合现场检查,进行了洪水和大坝、溢洪道、输水洞等主要建筑物的安全复核,综合评价如下:
⑴孙庄水库是以防洪、灌溉为主,结合水产养殖等综合利用的小
(2)型水库,水库下游有0.1万人,地理位置十分重要。
⑵经复核,坝顶高程不满足《防洪标准》(GB50201—94)规定要求,溢洪道不能安全泄洪。
防洪安全性为C级。
⑶大坝填筑土料不合格,填筑质量差,干密度大部分未达到设计要求;上游坝坡未护砌,下游坝坡无排水设施,坝顶路面凸凹不平;溢洪道为土渠,无消能设施;1#输水洞进口淤塞,洞身断裂,2#输水洞无控制设施,出口段砌体坍塌,缺失,淤积严重。
综合判定工程质量不合格。
⑷大坝结构安全评价
经复核,下游坝坡稳定安全系数不满足规范要求,坝体填筑质量差,上游坝坡未护砌,坝顶路面凸凹不平;溢洪道为开敞式土渠,无消能设施,渠道冲刷淘蚀严重,无法安全泄流;1#输水洞进口淤塞,洞身断裂,2#输水洞无控制设施,出口段砌体坍塌,缺失,淤积严重。
综合判定大坝结构安全性为C级。
⑸渗流安全评价
大坝坝体呈中等透水性,自投入运用以来,在遭遇到数次较高库水位(113.40m)以上情况时,发现下游坝坡有渗水、散浸现象,且目前坝体无排水设施,出逸点高。
综合分析各种因素,判定大坝渗流安全性为C级。
⑹金属结构安全评价
1#及2#输水洞均未发现金属结构设施。
⑺大坝抗震复核
由中国技术监督站2001年发布的《中国地震动参数区划图》查得,孙庄水库坝区地震动参数为0.05g,相当于地震基本烈度为Ⅵ度,按规范不进行抗震安全复核。
⑻大坝运行管理评价
由于水库现状严重缺乏监测设施,大坝监测无法按照规范操作,判定大坝运行管理差。
综合各专项安全性级别分类,孙庄水库大坝安全性级别为C级,为三类坝,属病险水库。
建议及早对其进行除险加固,以充分发挥其综合效益。
图1-6孙庄水库工程特性表
集雨面积
0.5km2
多年平均降雨量
1100mm
多年平均年最大风速
22.5m/s
正常蓄水位
113.40m
死水位
109.00m
死库容
0.2万m3
设计水位
114.47m
相应库容
117.7万m3
校核水位
114.95m
总库容
18.3万m3
兴利水位
113.40m
兴利库容
9.9万m3
设计洪水
设计洪水频率
10年一遇
校核洪水
校核洪水频率
50年一遇
洪量
7.8万m3
洪量
13.5万m3
洪峰流量
13.0m3/s
洪峰流量
18.8m3/s
下泄流量
7.4m3/s
下泄流量
9.5m3/s
大坝
型式
均质土坝
溢
洪
道
型式
开敞式溢洪道
坝顶高程
114.20~114.80m
堰顶高程
114.70m
最大坝高
6.8m
最大过流量
9.5m3/s
坝顶长度
115m
堰顶宽
2.0m
1#、2#输水洞
型式
砼管、砼管
进口底部高程
109.00m、110.00
洞身尺寸
φ200mm
设计流量
0.08m3/s、0.08m3/s
1基本情况
1.1洪水标准
孙庄水库位于丘陵区,属小
(2)型水库,主要建筑物为5级,最大坝高6.8m。
根据《防洪标准》(GB50201—94),洪水标准按丘陵区标准确定,设计洪水标准采用10年一遇,校核洪水标准采用50年一遇。
1.2水文气象
水库流域属亚热带季风气候区,年平均气温15.3℃,极端最低气温为-20℃,极端最高气温为42.5℃。
多年平均降水量1100mm。
年内、年际雨量相差甚大,六、七、八月份降雨较多,常以暴雨形式出现,一次洪水历时较短,一般小于24小时。
1.3水库特性资料
通过万分之一航测图量算水库的流域面积、河道长度、河底比降,复核结果与以往水文复核的特征值结果相同,即:
流域面积F=0.5km2,河道长度L=0.742km,河底平均比降J=0.0264。
水位库容数据关系见表2—1。
表2—1水位~库容关系表
水位(m)
库容(万m3)
水位(m)
库容(万m3)
108.00
0.0
112.00
4.8
109.00
0.2
113.00
8.3
110.00
1.1
114.00
12.9
111.00
2.6
115.00
18.6
图2—1水位~库容关系曲线图
2设计洪水
由于库区无实测资料,计算依据采用《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》(河南省水利勘测设计院,1984年,以下简称《84图集》)和《河南省暴雨图集》(河南省水文水资源局编制,2005年,以下简称《05图集》)分别计算。
孙庄水库流域面积为0.5km2,小于50km2,面雨量采用点雨量。
根据流域大小及本地降雨特点分析,孙庄水库较大洪水过程持续时间一般为24小时左右,此次计算设计雨期
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