水库调洪计算中的闸门控制

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：在设计阶段的洪水调节计算中，考虑洪水预报应持特别谨慎的态度。推求图G5.16中水库的出流过程，其中bc段与无闸门控制的调洪计算方法完全相同。图G5.16控制与自由泄流相结合2.水库下游有防洪要求的调洪计算当水库下游有防洪要求时，且水库与下游防洪地区之间无区间入流或区间入流可忽略时，水库采用分级控制泄流的调洪方式。图G5.17，针对防护对象标准的洪水，洪水来临时水库处于防洪限制水位。

溢洪道无闸门控制的水库，其泄洪方式为自由出流，调洪计算比较简单；而有闸门控制的水库，其泄流方式比较复杂，有时要控制泄流，有时要闸门全开自由泄流。因此，调洪计算时，需首先根据水库下游是否有防洪要求、入库洪水的大小，以及是否有洪水预报等情况拟定调洪方式，然后推求水库的出流过程。

考虑短期洪水预报，可以提前安排泄量，使防洪决策争得主动，但必须在有优良的预报基础条件下，才可应用。一般在已建水库的防洪调度中可开展应用。在设计阶段的洪水调节计算中，考虑洪水预报应持特别谨慎的态度。以下介绍不考虑洪水预报时的调洪计算。

1.水库下游无防洪要求的调洪计算

当水库下游无防洪要求时，水库的防洪任务是确保大坝的安全。当洪水来临时，库水位在防洪限制水位，闸前已具有一定的水头（有闸门控制时，一般防洪限制水位高于堰顶高程，这将在G5.4节中介绍）。如果打开闸门，则具有较大的泄洪能力，在没有洪水预报的情况下，当洪水开始进入水库时，为了保证兴利要求，当入库流量Q小于或等于水库防洪限制水位的泄洪能力q限时，应将闸门逐渐打开，水库控制泄量，使下泄流量等于入库流量，库水位维持在防洪限制水位，如图G5.16中t1以前的泄流情况。随后，因t1时刻闸门已全开，水库进入自由泄流状态，库水位逐渐上升，泄流量增大，至t2时刻，下泄量最大，库水位达最高。此后，泄流量逐渐减小。这种调洪方式称控制与自由泄流相结合。

推求图G5.16中水库的出流过程，其中bc段与无闸门控制的调洪计算方法完全相同。只是b、c点不一定在取定的固定时段的分界点上，需要正确判定它们的位置。至于控制泄量的ab段，泄量等于来量，即q＝Q，故库水位不变。

图G5.16　控制与自由泄流相结合

2.水库下游有防洪要求的调洪计算

当水库下游有防洪要求时，且水库与下游防洪地区之间无区间入流或区间入流可忽略时，水库采用分级控制泄流的调洪方式。

当入库洪水小于或等于下游防洪对象标准的洪水时，水库最大泄量不应超过下游安全泄量；当入库洪水的标准超过下游防洪标准，则不再满足下游防洪要求，而以水库本身安全为主，全力泄洪。然而，洪水发生是随机的，并且在无短期洪水预报的情况下，如何判别洪水是否超下游防洪标准？常用的方法是采用库水位来判别，当库水位低于防洪高水位时，则应以下游安全泄量控制泄洪；当库水位达到防洪高水位时，而水库来量仍大于泄量，则此时应转入更高一级的防洪，加大水库泄量。

在规划设计阶段，当泄洪建筑物方案一定的情况下，对不同频率的洪水调洪计算，其计算程序必须是自最低一级防洪标准的洪水开始，求得防洪库容和相应的防洪高水位后，再对更高一级防洪标准的洪水调洪计算，推求防洪特征库容和水位，直至完成大坝校核洪水的调洪计算。这种调洪计算称多级防洪调节。图G5.17为不同频率的洪水入库时，水库的出流过程和库水位变化过程。

图G5.17（a），针对防护对象标准的洪水，洪水来临时水库处于防洪限制水位。当入库流量Q小于水库防洪限制水位的泄洪能力q限时，水库控制泄量，使下泄流量等于入库流量，水库维持在防洪限制水位Z限，如图G5.17（a）中的ab段。t1时刻b点的泄量已等于防洪限制水位的泄洪能力q限，闸门已经全开。此后溢洪道变为自由泄流，由于入库流量大于下泄流量，库水位不断上涨，溢洪道的下泄流量也随着增大，如图G5.17（a）中的bc段。当t2时刻下泄流量达到下游的安全泄量q安时（c点），为了保证下游防护对象的安全，下泄流量不应超过q安，这就必须逐渐关闭闸门，形成固定泄流，也称削平头操作方式（cd）段。水库泄流过程为abcd，t3时刻相应的蓄洪量达到最大值，此值即防洪库容V防，相应的库水位即为防洪高水位Z防。

如图G5.17（b）所示，针对大坝本身设计标准的洪水，水库的泄流过程，在库水位达到防洪高水位之前与图G5.17（a）完全相同。t3时刻相应的蓄洪量等于V防，而此后来量仍大于泄量，说明水库入库洪水的标准已超过下游防洪对象标准，为了保证大坝本身的安全，在t3时刻（d点），应将闸门立即全部打开，泄流量突然增大到e点而再次形成自由泄流，至t4时刻f点泄流量达最大值，t3～t4时段增加的蓄洪量为ΔV设，V防＋ΔV设就是设计调洪库容V设调，t4时刻的库水位即设计洪水位Z设。

若仅有正常溢洪道，对大坝校核洪水所采取的调洪方式则与设计洪水的情况相同，根据其出流过程可以求得校核调洪库容和校核洪水位。若除正常溢洪道，还有非常溢洪道时，对校核洪水的调洪计算方法见G5.4节。

推求图G5.17中水库出流过程的方法，在自由泄流段bc和ef，可采用半图解法；在控制段ab和cd，因泄量已知，由水量平衡方程式即可求得各时刻蓄水量。但各转折点时刻不一定在取定的固定时段的分界点上，需要正确判定它们的位置，往往需要采用试算法。

图G5.17　水库多级防洪调节

（a）防洪对象防洪标准的洪水；（b）水库设计标准的洪水

【例G5.3】某水库溢洪道设置闸门，下游有防洪要求，且水库与下游防洪对象之间的区间入流较小可忽略。试根据所提供的资料推求水库的防洪库容和防洪高水位、设计调洪库容和设计洪水位。基本资料如下：

（1）水库水位容积关系见表G5.5中第（1）、（2）栏。

（2）水库泄洪建筑物采用泄洪洞和溢洪道。泄洪洞型式为圆形压力洞，设置一孔，直径4.8m，洞口处高程114.0m，非淹没出流，流量系数μ采用0.56；溢洪道采用实用堰，堰顶高程134.5m，堰宽72m，淹没系数、侧收缩系数均取1，流量系数m采用0.40。

（3）水库的防洪限制水位136m。

（4）水库正常运用设计标准为p＝0.2%，校核标准为p＝0.1%，下游防护对象铁路桥的防洪标准为p＝1%，安全泄量q安＝1000m3/s。

（5）频率p＝0.2%的设计洪水过程线，见表G5.6中的第（1）、（2）栏。

计算步骤如下：

（1）计算并绘制蓄泄曲线和调洪计算辅助曲线。根据泄洪建筑物型式和尺寸，泄洪洞和溢洪道的出流公式分别为

其中

h＝Z-134.5

式中　h洞——洞心水头；

116.4——洞心高程；

h——堰顶水头；

134.5——堰顶高程。

绘制蓄泄曲线和调洪计算辅助曲线的有关要素的计算数据见表G5.5。计算时段Δt＝6h。为提高图解精度，库容采用汛限水位以上库容V′。由表G5.5中第（3）、（6）栏相应数值可绘制蓄泄关系曲线（图略），由表G5.5中第（6）、（7）栏相应数值可绘制辅助曲线（图略）。

表G5.5　某水库调洪计算辅助曲线计算表（Δt＝6h）

（2）对p＝1%的洪水调洪计算。按照图G5.17（a）的调洪方式调洪计算，下泄量不超过q安＝1000m3/s。求得最大蓄洪量即防洪库容V防＝266.529×106m3；防洪高水位Z防＝142.75m。限于篇幅，计算过程略。

（3）对p＝0.2%的洪水调洪计算。建立计算表G5.6。起调水位为防洪限制水位136.0m，由表G5.5可知，相应泄流能力q限＝433m3/s。

表G5.6　p＝0.2%的洪水调洪计算表

在表G5.6中，6日2～8时，入库流量小于或约等于q限，控制泄量q＝Q，库水位维持在防洪限制水位，此后闸门全开，自由泄流，至7日8时42分，泄流量达到下游的安全泄量1000m3/s，蓄洪量V′＝68.082×106m3，小于V防＝266.529×106m3，应满足下游防洪要求，控制泄量1000m3/s，至7日23时蓄洪量266.524×106m3约等于p＝1%洪水相应的防洪库容V防＝266.529×106m3，来水流量仍然大于泄量，表明本次洪水的频率已超过1%，为了大坝本身的安全，不再控制泄量，闸门全开，自由泄流。8日8时，泄流量达到最大值5450m3/s，水库蓄洪量也达到最大值414.063×106m3，该蓄洪量即水库的设计调洪库容，相应设计洪水位为146.25m。

对于控制泄流的6日2～8时、7日8时42分至23时，泄流量已知，利用水量平衡方程即可得到第（7）栏时段蓄洪量ΔV，进而计算第（8）栏累计蓄洪量V′。对于自由泄流的范围6日8时至7日8时42分、7日23时至8日14时，当闸门全开或控制的转折时刻，不正好在Δt＝6h的时段分界处时，相应的时段不能使用半图解法。例如7日8时42分、7日23时的自由泄流量均须试算得出，与7日23时相邻时刻的8日2时的流量，由于Δt≠6h，故该时刻流量也须试算得出，只当Δt＝6h的自由泄流时段才能采用半图解法。当求得了逐时刻的泄流量q，利用水量平衡方程可得第（7）栏时段蓄洪量ΔV，进而计算第（8）栏累计蓄洪量V′。

通过上述调洪计算可得，该水库防洪库容V防＝266.529×106m3，防洪高水位Z防＝142.75m；设计调洪库容为414.063×106m3，设计洪水位为146.25m。

以上介绍的是水库与下游防洪地区之间无区间入流或区间入流可忽略时的调洪计算方法。如果水库与下游防护地区之间的区间洪水不可忽略，当发生洪水时，水库仅能控制的是入库洪水，因此，为满足防护地区的防洪要求，水库要考虑区间来水大小进行补偿放水，这种调节洪水的方式称为防洪补偿调节。规划设计阶段的防洪补偿调节计算，可参考有关书籍。运行阶段的防洪补偿调节计算见工作任务G8。

图G5.18　q-Q-辅助线示意

必须指出，无论采用何种调洪方式，必须规定水库总的最大下泄流量不能大于本次洪水发生在未建库情况下的坝址最大流量，避免人为加大洪灾。

水库调洪计算中的闸门控制

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