水库洪水调节计算研究

贺 超

(吉安市水利水电规划设计院,江西 吉安 343400)

0 前 言

水库在我国水利工程项目中占据着重要位置,对于减少自然灾害破坏、维持地区经济发展的意义重大。而洪水是水库运行过程中不容忽视的自然灾害,根据洪灾大小展开调节对于地区经济发展有积极影响。但是不容忽视的是,水库洪水调节具有复杂性,其调节方案受到诸多因素的影响。为解决该问题,则需要深入探索不同因素对水库洪水调节策略的影响,完善管理对策,这也是文章研究的主要目的。

1 项目简介

早元水库位于泰和县螺溪镇早元村,距泰和县城约30km。该工程坐落于赣江水系禾水支流牛吼江-早元水上,坝址以上控制流域面积2.84km2(本次复核),水库总库容26.91万m3(本次复核),是一座以灌溉为主,兼有防洪,养殖等的小(2)型水库。水库工程于1957年建成,受到当时施工技术以及施工条件等因素的影响,导致工程项目存在一定的质量问题。在2013—2014年间对水库进行维修加固改造升级。

根据本次案例工程项目的实际情况,为解决制约当地经济发展的危险因素,水库洪水调节方案应该与当地经济可持续发展情况相匹配。同时该项目中河道弯曲,风浪水流冲刷导致部分位置岸坡坍塌,一旦遭遇较大洪水会导致农田与房屋淹没。当地河流两岸多农田村庄,在当地经济体系中占据着重要作用,关系到周围居民的日常生活。通过完善水库调节计算不仅可以在一定程度上降低洪涝灾害的危险,也能保障当地经济长远发展,具有深远影响。

2 设计洪水

2.1 暴雨洪水特性分析

根据项目前期的自然气候调查结果可知,水库所在地的暴雨天气系统主要为锋面雨,并且在7至9月份受到台风等气候影响导致当地降水量快速增多。该项目从每年的3月份开始进入雨季,4～9月为汛期,主汛期集中在4～6月份。根据当地日志的统计结果可知,当地雨季出现在5～9月份的概率为66.8%,出现在3～4月份的概率为29.1%。从当地地形特征来看,流域主要集中在山区,下垫层面植被生长情况良好,受到当地气候特征等因素影响,会导致水流出现明显的洪水涨落迅速特征,一次洪水过程不足一天。

2.2 设计暴雨参数

在本次设计中参照当地1986年1/万航测图量算流域特征参数,流域面积F=2.84km2,L=3.3km,J=12.85‰。

2.3 推算洪水洪峰流量

根据相关规定,当集水面积>50km3时,流域洪水计算中可以采用瞬时单位线法展开计算,而当积水面积不足30km3的流域可通过推理公式法展开计算。并且当水库性质较为重要,并且对设计洪水过程线提出严格要求时,可参照瞬时单位线法进行计算。根据前文的研究结果,案例水库的集水面积不足30km3,因此在数据计算中可采用推理公式法展开计算,计算结果如表1所示。

表1 推理公式法的计算结果

2.4 设计洪水合理性

通过与邻近河流已建成水库的综合对比结果,在该水库项目中采用推理公式法对各个频率设计综合系数展开评估,结果显示项目处于所列工程居中位置[1];在评估单对数据上各工程的设计洪峰流量与集水面积的关系时,按照其中的分布线性关系展开分析,最终结果显示该水库的点数据分布于关系线周围,详细资料如表2所示。

表2 案例水库与周围水库的综合对比结果

2.5 入库洪水调节计算

入库洪水调节的重点包括:

1)入库站控制集水面积偏大,根据建库前后的观测资料,通过入库站洪峰流量与坝址洪峰流量相关关系,和建库后的入库站洪峰流量与入库洪峰流量相关关系,采用数据对比的方法,建库前后的汇流条件无明显变化,在计算中可根据上述关系线确定坝址洪峰流量与入库洪峰流量值。

2)当水库建库前在库尾附近没有水文站,或上游有站但控制面积太小,不足以建立入库站洪峰与坝址洪峰之间的关系时,在数据计算中通过分别建立坝址洪水的峰值与数量值,通过与建库后的洪水量对比结果,若发现长时间洪水量在建库前后的数据不显著,通过上述两种关系可以计算出坝址洪峰与入库洪峰数值等[2]。

3)若上述方法不太理想,在数据计算中可以根据当地坝址资料以及建库前后的单位线变化情况,计算出入库洪水的变化情况,确定数据之间的相关性。通过上述计算方法可以获得入库洪水调节数据,为调节洪水奠定基础。

3 分期洪水

3.1 施工洪水标准

为保证水库洪水调节方案的合理性,在本次水库加固中充分考虑到洪水对水库结构稳定性的影响,按照《水利水电工程施工组织设计规范》的相关内容,案例水库在加固过程中按5a一遇的洪水标准展开计算。

3.2 施工期设计洪水与径流分析

因为案例项目无实测的水文数据,因此在本次设计计算中参照周围水文站所检测的径流数据展开计算,统计10月份～次年3月份的平均径流量,通过面积比一次方换算统计不同时间段的径流情况,从10月～次年3月时间中,其径流维持在0.032～0.050m3/s之间,其中最低值出现在12月,最高值出现在次年3月份。

3.3 施工期设计洪水位变化

从案例项目的实际情况来看,大坝坝体、坝基位置的施工工期主要集中在11月份～次年2月之间,按照水库库容曲线以及项目洪水期的相关统计结果显示,施工期的水位集中在85.90～87.40m之间。

4 洪水调节思路分析

4.1 调节标准

因为该水库为小(2)型水库,为均质土坝,其最高值为5.68m,按照《防洪标准》以及《水利水电工程等级划分及洪水标准》的相关内容,水库枢纽主体的级别为Ⅴ级,设计标准为10a一遇,校核洪水标准为50a一遇。

4.2 调洪计算方法

结合水库实际情况,实现水库调洪平衡的关键点,是实现水量平衡与动力平衡,其中水量平衡可以表示为水库水量平衡方式,则动力平衡主要通过水库蓄洪方程来观察其中的数据变化,在确定洪水起调后,根据时间变化求解。因为案例水库的面积小,在调洪库容计算中按照静态库容的标准,调洪计算中参照瞬态法进行计算,其计算方法如公式(1)所示。

(1)

式中:Q1、Q2为每一时段的来水量;q1与q2为不同时间段的下泄流量;v1为此时刻的库容量;v2为下一时刻的库容量;t为时间。

在公式(1)的基础上采用单辅助曲线法进行计算,本次项目中的调洪计算结果如表3所示。

表3 调洪计算结果

在数据计算过程中,应根据水工建筑物的设计标准与下游防洪标准计算洪水流量过程线,在数据计算中的已知条件包括:①入库洪水过程:下游允许水库下泄的最大流量;②水库汛期防洪限制水位;③泄洪建筑物的形式和尺寸。

在计算水库洪水调节量中,应关注:①拦蓄洪水库容与水库的水位变化;②下泄洪水过程线[3]。

根据上述要求,数据的计算步骤包括:①通过已知的水库水位容积关系曲线以及泄流建筑物方案,通过水力学公式计算库容与下泄流量的关系曲线值;②在选择适当的计算时间段t值后,以秒为单位计算相关数值;③在确定计算时刻与此时刻的q1值与v1值之后,根据列表内容计算数据。计算中需要核对每一计算时段的q2与v2值,其中先假定一个q2值之后,按照水量平衡方程计算出v2值,之后根据该数据查出q2,若此时查出的q2与假定数值不同,则需要重新假定一个q2值,再重复上述计算过程。通过反复进行上述计算,直至两个q2相同或者十分接近为止。(4)通过将计算的结果绘制成曲线,方便随时查阅。

4.3 水库泄洪能力分析

该水库按照两级控泄标准,其中第一级安全泄流量为2000m3/s,相应的防控标准为10a一遇,其目的是保护周围农田以及其他经济作用种植区;二级安全泄流量超过3000m3/s,对应的标准为50a一遇,其标准是保护水库下游的城市。

水库洪水调节与建筑物自身泄流能力存在密切关系,主要是指泄洪建筑物在水头下的泄流能力,一般针对无闸溢洪道,该水头下的泄流量与泄流能力是相同的;而针对有闸泄洪道,当闸门全开时二者是相同的。从水工建筑物本身来看,当泄洪道的尺寸与类型既定后,其泄流能力会随着水头变化而出现变化,其中可以用公式(2)计算溢洪道的泄流能力。

(2)

式中:q溢为溢洪道的泄流能力,m3/s;H0为行进流速的堰顶水头,一般可将看似等于堰顶水深,m;B为溢流堰的净宽度,m;M1为溢流系数,与堰体的类型有关。

而对于存在泄洪洞的水库,在计算中可以参照有压管流公式进行计算,计算方法如公式(3)所示。

(3)

式中:q洞为泄洪洞的泄流能力,m3/s;H0为考虑行近流速v的堰顶水头,非淹没出流时,H等于库水位与洞口中心高程之差,淹没出流时,H为上下游水位之差,m;M2为流量系数;ω为泄洪洞洞口位置的过水断面面积,m2。

在数据计算中,针对特定的泄洪建筑物与水库,为简化调洪计算流程,相关学者通常将溢洪道与泄洪洞的泄流能力公式展开计算。根据公式(2)与公式(3)的相关内容,当行进流速水头不计时,q为单值函数。

5 结果修正方案

因为气候条件复杂性的影响,在本次水库洪水调节计算中难以对入库洪水的影响做定量与定性分析,但是从定性分析的角度来看,该水库的拦蓄会直接影响洪水水量,尤其是在中小洪水年份,水库的拦截水量多,导致入库洪水水量异常。而根据实测结果可知,该水库中所阻拦的大部分洪水为中小洪水,这一现象会导致计算结果偏小。除此之外,因为上游小水库防洪能力较低,案例水库发生校核标准洪水时,小水库溃坝的可能性较大。鉴于以上原因,为了水库防洪安全,应对案例水库校核标准洪水增加安全修正值。

所以在对资料条件以及抽样误差等关键数据展开综合分析后,根据流域实际情况对水库校核标准设计洪水洪峰流量,并在计算结果的基础上增加约10%的修正值,这种计算方法可以确保水库防洪安全。

6 结 语

水库洪水调节计算可以切实满足水库安全管理的要求,通过文章的计算结果可以计算出科学合理的洪水调节控制方案,根据实测数据统计结果以及历史洪水调查方案等,可以在保证水库蓄水功能的基础上保护水库下游的农田与城市安全。文章的研究结果对于类似小型水库的洪水调节管理有一定的指导作用,值得关注。