CN107169246A - 一种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法，包括：拟定特级坝上游洪水过程线；拟定水坝泄水能力降低幅值；拟定起调水位；计算水位；形成增设非常泄洪设施的判据；形成增设非常泄洪设施泄量具体量值。本发明能够复核水坝在没有非常泄洪措施的设计是否能够保证极端超标准洪水工况下的泄洪和大坝安全；进一步复核原设计是否考虑校核洪水工况加某一泄水闸门失效工况下的泄洪和大坝安全。本发明给出的特级坝增设非常泄洪设施的判据和量值直接可以用来辅助设计，为降低控制梯级泄洪风险提供设计依据，克服传统非常泄洪设施设计无规范可依、现存依据模糊的不足。

Description

一种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法

技术领域

本发明涉及一种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法，是一种水工设计依据和水库群风险防控方法，是一种梯级水库群控制梯级特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法，是一种明确不同梯级布置方案下特级坝增设非常泄洪设施或临时措施在较高水位启动来降低控制梯级泄洪风险的分析计算方法。

背景技术

随着全球极端气候出现频率的加快，水库大坝洪水的设计标准正在不断提高，可能最大洪水PMF或可能最大降水PMP的概念已经不能满足新标准的要求，最典型的梯级开发形成的水库群，设计时要考虑溃坝、极端气候引起的超标洪水，还应考虑诸如地震、滑坡涌浪、降雨与融雪之间的相互作用引发泄水不畅等问题。流域梯级的失事毕竟具有一定的概率性，对于不同大坝防洪标准和不同等级梯级土石坝水库群的复杂格局，一旦上游较低标准水库在上述风险源下发生损坏、泄流不畅以至溃决时，要求下游控制梯级具有足够的调洪能力，在一定程度上可截断、削弱流域上游梯级传递的风险，但其自身溃决将会导致流域局部或全局产生灾难性的后果，这表明整个流域梯级水库群的风险主要取决于干流控制梯级的安全程度，而它能否截断风险与该水库的有效库容、特征水位、来流量和上游溃决之后的预警时间密切相关，这些敏感参数又直接受挡水和泄水建筑物的泄流特征参数制约。

已有研究考虑梯级效应水库群的安全标准，从溃坝定量分析的角度将特级坝的标准进行了重新定义和划分，根据坝高、库容和是否会导致下游梯级连溃，将特级坝分为特1级坝和特2级坝，但究竟哪种等级的大坝或者特1级坝应增设非常泄洪设施或临时的防洪爆破措施在较高水位时启动来降低控制梯级的泄洪风险尚属空白，规范也并未约束。鉴于此，发明一种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值的计算方法，一方面来判断设置与否，一方面来校核梯级安全风险，解决上述难题。

河流梯级开发规划中，通常在上、中、下游河段适当位置设置控制梯级水库，按照控制梯级特级坝的空间分布将流域梯级划分为上下相当（特1级坝-土石坝群-特1级坝）和上大下小（特1级坝-土石坝群）几大类。随着流域上特1级坝设计标准的提高，泄洪设施规模和标准也随之提高，以确保大坝安全。如果不考虑使用频率，把所有的泄洪设施都按同一标准设计是不经济的。在确保大坝安全的前提下，根据使用频率的高低把泄洪设施分为正常泄洪和非常泄洪设施，以不同的设计标准修建十分必要。通常设置非常溢洪设施的目的是以最小的经济代价换取极端情况下大坝的安全。一般设计基本遵循以下条件：

1）土石坝坝高库大，风险势能高，失事后严重威胁下游1级挡水建筑物或重要城市；

2）按PMF设计时，设置正常溢洪道经济性不高；

3）水文系列资料不全无法正确选定设计洪水或校核洪水；

4）存在极端工况如溃坝、极端气候引发超标洪水和地震闸门破坏引发泄水不畅等发生的可能。

由上述遵循条件可知，梯级水库群规划设计时也只能大致参考，尤其是考虑流域梯级水库群极端工况时并没有规范规定或明确特1级坝非常溢洪设施设计的具体判据条件和方法，导致设计时采取提高大坝安全等级或提高坝顶高程来抵御风险，从而增加大量投资。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法。所述的方法对于“特1级坝-土石坝群-特1级坝”布置形式的水库群，提出了对特1级坝增设非常泄洪设施的判据及量值计算方法，确定是否增设非常泄洪设施，以避免在洪水和地震等灾害同时出现的极端工况下的溃坝事故。

本发明的目的是这样实现的：一种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法，所述方法所判断的水坝系统包括：至少四级土石水坝的河道型水库，其中各坝的工程等级为：上游第一级水坝为特1级坝，称为上游特1级坝，最后一级水坝为特1级坝，称为下游特1坝，两个特1级坝之间为多个2等级坝，所述方法的步骤如下：

拟定上游洪水过程线的步骤：设上游超标准洪水为万年一遇加20%，利用万年一遇和PMF典型洪水特征值，采用同频率放大法拟定上游洪水过程线，即给出洪水流量Q _洪水与时间t的序列；

拟定水坝泄水能力降低幅值的步骤：仅发生超标准洪水时，各级水坝的泄水建筑物按全闸过水，当叠加地震引发其中某一泄水闸门失效时，拟定泄水建筑物总泄量降低幅值；

拟定起调水位的步骤：将第一级水坝的水库设计水位作为不利水位，拟定为特1级坝水库的起调水位；

计算水位的步骤：根据拟定的条件，计算上游特1级坝水库的水位涨落调洪过程，最终得到坝前Z（t）曲线及Z（t）的最大值，计算公式为：

其中：Z为坝前水库水位，m；t为时间，s； 下标0为初始时刻； F(t, Z)为泄流量与水库面积的函数；

形成增设非常泄洪设施的判据的步骤：在水库泄水流量Q _泄水所有区间范围内，当最大来水量时的最高水库水位小于坝顶高程，即：max[Z(t)|Q _泄水]<Z _坝顶高程，不增设非常泄洪设施，其中：Z _坝顶高程为特1级坝的坝顶高程；

当某一泄水闸门失效，最大来水量时的计算的最高水库水位大于坝顶高程，即：max[Z (t)|Q _泄水]>Z _坝顶高程，增设非常泄洪设施；

形成增设非常泄洪设施泄量具体量值的步骤：在Z(t)|Q _泄水 >Z _坝顶高程条件下，

若max[Z(t)|Q _泄水1]<Z _坝顶高程，

其中：Q _泄水1 = Q ₀，0.8Q<Q ₀<0.95Q，Q _泄水1为泄水建筑物总泄量首次初选值，Q为未增设非常泄洪设施的泄水建筑物总泄量；

计算Z(t)|Q _泄水2，

其中：Q _泄水2= Q ₀ - dQ，dQ = 0.05Q，Q _泄水2为泄水建筑物总泄量第二次选择值，dQ为调整流量步长；

如果max[Z(t)|Q _泄水2]>Z _坝顶高程，

则得到非常泄洪设施最大泄流能力Q _非常泄洪= Q－Q _泄水2。

本发明产生的有益效果是：

（1）本发明所述方法可以计算出在流域上游发生超标准洪水时，控制梯级即上游特1级坝不同调洪方案下水位涨落和泄流量随时间变化过程，进一步复核原设计，尤其是复核原设计是否考虑极端超标准洪水工况下的泄洪和大坝安全；

（2）本发明所述方法可以计算出在流域上游发生设计或校核洪水，而控制梯级即上游特1级坝某一闸门失效情况下不同调洪方案水位涨落和泄流量随时间变化过程，进一步复核原设计是否考虑校核洪水工况+某一泄水闸门失效工况下的泄洪和大坝安全；

（3）本发明所述方法考虑了超标准洪水+地震引发泄水建筑物某一闸门失效这种极端工况，方法给出的特级坝增设非常泄洪设施的判据和量值直接可以用来辅助设计，为降低控制梯级泄洪风险提供设计依据，克服传统非常泄洪设施设计无规范可依、现存依据模糊的不足。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例所述方法所判断的水库系统图；

图2是本发明的实施例所述方法的流程图；

图3是本发明的实施例中的案例的AA水库万年一遇和PMF洪水过程线；

图4是本发明的实施例中的案例的AA水库泄水建筑物泄量-水位关系曲线；

图5是本发明的实施例中的案例的不同调洪方案下的水位涨落过程；

图6是本发明的实施例中的案例的不同调洪方案下的泄量过程。

具体实施方式

实施例：

本实施例是种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法，所述方法所判断的水坝系统包括：至少四级土石水坝的河道型水库，其中各坝的工程等级为：上游第一级水坝为特1级坝，称为上游特1级坝，最后一级水坝为特1级坝，称为下游特1坝，两个特1级坝之间为多个2等级坝，如图1所示。

本实施例所述方法的步骤如下：

步骤1：拟定上游洪水过程线的步骤：设上游超标准洪水为万年一遇加20%，利用万年一遇和PMF典型洪水特征值，采用同频率放大法拟定上游洪水过程线，即给出洪水流量Q _洪水与时间t的序列。同频率放大法原理依据规范。

例如：已知上游特1级坝试设计的洪水成果如下表所示。

项目	PMF	0.01%	0.02%	0.10%	0.50%	1%	2%	3.33%
									洪峰	4990	4160	3920	3340	2760	2500	2250	2070
W1	3.56	2.97	2.79	2.40	1.98	1.81	1.63	1.50
									W3	9.52	7.93	7.49	6.43	5.36	4.89	4.43	4.08
W7	18.95	15.8	14.9	12.8	10.7	9.84	8.88	8.25

即提前预报的万年一遇洪水加20%的洪峰流量为4990m³/s，目前已知上述洪水总量的典型值，而缺乏该频率下的设计供水过程线。不同频率下洪水过程线的推求依据是典型洪水过程线。这里利用万年一遇和PMF典型洪水特征值，采用同频率放大法拟定洪水过程线。拟定的上述频率较不利洪水过程如图3所示，该洪水典型特征为两次洪峰过程，其中洪水达到洪峰4990m³/s的时间为10小时，从万年一遇洪峰4160m³/s到4990m³/s历时1小时左右，该过程线对应1天、3天、7天的洪水总量分别为3.56亿、9.52亿和18.95亿m³。

步骤2：拟定水坝泄水能力降低幅值的步骤：仅发生超标准洪水时，各级水坝的泄水建筑物按全闸过水，当叠加地震引发其中某一泄水闸门失效时，拟定泄水建筑物总泄量降低幅值。超标准洪水+地震引发泄水建筑物某一闸门失效时，特1级坝泄水建筑物总泄量必然降低，其中泄水建筑物包括原设计的多种类型，包括：溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、旋流泄洪洞等，由于所有泄水闸门同时失效概率极低，所以可以拟定降低幅值为总泄水量的5%-20%，即总泄流能力Q _泄水区间为[0.8Q，0.95Q]。

步骤3：拟定起调水位的步骤：将第一级水坝的水库设计水位作为不利水位，拟定为特1级坝水库的起调水位。起调水位一般可设定为水库设计的正常蓄水位。其中：起调水位是指水库开始防洪运用时的水位；该水位越低，防洪压力越小。

步骤4：计算水位的步骤：根据拟定的条件，计算特1级坝水库的水位涨落调洪过程，最终得到坝前Z（t）曲线及Z（t）的最大值，计算公式为：

其中：Z为坝前水库水位，m；t为时间，s；下标0为初始时刻； F(t, Z)为泄流量与水库面积的函。

水库上游洪水按照步骤1给出的Q _洪水（t）过程，计算步骤2条件下的特1级坝水库的水位涨落调洪过程，最终得到坝前Z（t）曲线及Z（t）的最大值，该计算方法的理论原理如下：

图1所示的是梯级土石坝水库群概化示意图，该水库群中的水库均为河道型水库。

对于图1所示上游特1级坝的水库1来说，河道来流末端水位y _n 和水库交汇处水位y _s 相等，边界条件满足以下关系：

(1)

(2)

式中：W为水库库容；Q _in(t)为t时刻水库1的入流量；Q _1,out (z,m)为t时刻水库1的出流量，是流量系数m和坝前水库水位z的函数，未溃坝前的出流量即为泄水建筑物的泄量，m为泄水建筑物流量系数，如不考虑溃坝，则出流量为泄水建筑物泄量与引水流量的和，于是有：

(3)

式中：Q _y 为引水或抽水流量项，与水头无关，C _s 、C _g 分别为无压溢洪道、闸控泄洪洞的流量系数，L _s 为溢洪道宽度，A _g 为闸门过流面积，z _s 、z _g 分别为无控制、闸控泄洪洞底板高程。

最上游洪水进入本级水库后的壅高过程可定步长龙格－库塔方法求得上述常微分方程（2）的解。即：

方程（2）水库水量平衡微分方程可写为：

(4)

式中： f(z)为水库水面面积函数，Q = Q _in(t)； q = Q _1,out (z,m)

定义：

(5)

则：

(6)

应用定步长的龙格－库塔方法可求得上述一阶常微分方程的解。迭代公式如下：

(7)

式中：K 为系数，下标 n 为当前时刻，n-1为前一时刻, T 为时间步长。

。

步骤5：形成增设非常泄洪设施的判据的步骤：在水库泄水流量Q _泄水所有区间范围内，最大来水量时计算的最高水库水位如果小于坝顶高程，即：max[Z(t)|Q _泄水]<Z _坝顶高程，不增设非常泄洪设施，式中max为最大值，Z _坝顶高程为特1级坝的坝顶高程。

当某一泄水闸门失效，最大来水量时计算的最高水库水位如果大于坝顶高程，即：max[Z(t)|Q _泄水]>Z _坝顶高程，增设非常泄洪设施；

步骤6：形成增设非常泄洪设施泄量具体量值的步骤：在Z(t)|Q _泄水 >Z _坝顶高程条件下，降低泄水流量的值，如直接降低到0.9Q，若max[Z(t)|Q _泄水1]<Z _坝顶高程，

其中：Q _泄水1=Q ₀，0.8Q<Q ₀<0.95Q，Q _泄水1为泄水建筑物总泄量首次初选值，一般取0.8Q<Q ₀<0.95Q范围内的大值，Q为未增设非常泄洪设施的泄水建筑物总泄量。

根据公式（2）等计算Z(t)|Q _泄水2，此时每次计算前，泄水流量在0.9Q的基础上降低dQ的量值，

其中：Q _泄水2= Q ₀ - dQ，dQ = 0.05Q，Q _泄水2为泄水建筑物总泄量第二次选择值，dQ为调整流量步长。

如果计算的max[Z(t)|Q _泄水2]>Z _坝顶高程，

则得到非常泄洪设施最大泄流能力Q _非常泄洪= Q－Q _泄水2。

例如：当没有闸门失效时，如果按原Q _泄水=Q计算，设计计算得到max[Z(t)]< Z _坝顶高程，如果Q _泄水=0.9Q，max[Z(t)]< Z _坝顶高程，而Q _泄水=0.85Q, max[Z(t)]> Z _坝顶高程，则增设的非常泄洪设施最大泄流能力Q _非常泄洪= Q – 0.85Q = 0.15Q。

应用案例：规划方案试设计：

本案例参照某流域上游河段规划方案确定。该河段上布置有“AA-BB-CC-DD-EE”几个梯级，均为土石坝，其中BB、CC、DD为调节库容小于0.2亿m³的径流式水库，AA、EE库容较大，具有一定调节性能，为控制梯级，各库参数见表1。便于研究对比，上游AA控制水库试设计考虑特1级，土石坝群由于调节库容较小暂按库容之和等效为1个水库，即CC水库。

表1 案例土石坝群典型参数

水库	最大坝高/m	坝顶高程/m	调节库容/亿m3	校核洪水重现期/年	工程等别
						AA	231.0	3126.0	19.24	PMF	特1级
BB	142.0	2920.0	0.07	5000	2等
						CC	113.5	2690.0	0.16	5000	2等
DD	133.0	2609.2	0.19	5000	2等
						EE	314.0	2510.0	19.00	PMF	特1级

当AA水库为特1级坝时，该梯级型式属于典型的上下相当。从表1可知，AA调节库容为19.24亿m³，如果发生溃决，控制梯级之间的径流式水库库容有限，显然无法截断溃坝洪水。按照已有文献的研究成果，特1级坝溃决后导致下游1级大坝在预警无效、有效情况下都会发生溃决，因此，从泄水安全的角度，这种布置必须保证上下都不溃，也就是说上游AA水库在任何情况下都不能发生溃决。AA泄水建筑物试设计中布置有1条溢洪道、1条深孔泄洪洞和1条放空洞。放空洞由于底高程低，泄洪工作水头高、条件差，暂不考虑它参与泄洪。下面应用本实施例所述方法进行计算，考虑在极端运用工况：超标准洪水+地震引发泄水某一闸门失效情况下，AA特1级坝的泄水安全和增设非常溢洪设施的必要性、判据和量值。

步骤1：设上游超标准洪水为PMF即万年一遇加20%。利用万年一遇和PMF典型洪水特征值，采用同频率放大法拟定的洪水过程线如图3所示，该洪水典型特征为两次洪峰过程，其中洪水达到洪峰4990m³/s的时间为10小时，从万年一遇洪峰4160m³/s到4990m³/s历时1小时左右；

步骤2：仅发生超标准洪水时，泄水建筑物按全闸过水，当叠加地震引发其中某一泄水闸门失效时，泄水建筑物总泄量降低，降低幅值可按5%-20%考虑，即泄量区间为[0.8Q,0.95Q]；

步骤3：确定水库从正常蓄水位3120m（不利水位）起调；

步骤4：利用理论原理计算特1级坝AA的坝前Z(t)曲线。

步骤5、6：计算所有泄流区间和考虑超标准洪水+某闸门失效工况下，坝前Z(t)曲线。

应用本实施例所述方法后的分析：

当地震等原因引发泄水孔闸门失效时，总泄量降低，这里给出了总泄量的90%、80%泄量与水位的关系，如图4所示。

依据步骤4-6给出AA水库不同调洪方案下的水位涨落或泄量过程计算结果如图5、6所示。该工况下，水库从0时刻开始全闸以相应水位的最大泄量开始调洪，对应的泄量在3000m³/s以上。前4小时，来流量小于泄量，水库水位先回落0.3m，紧接着洪水流量增大，库水位随之快速壅高。到第二洪峰前后，库水位小幅回落然后继续上升，随后全闸泄量大于洪水流量，库水位降低。整个过程在第54小时左右，来流总洪量为7.53亿m³，库水位达到峰值3122.92m，离水库坝顶还有3.08m，该水位峰值跟原设计的校核洪水位（3122.87m）接近，这表明原设计已经充分考虑了超标准洪水情况，并且留有较大的富裕度。

当再叠加地震引发其中某一泄水闸门开启失效时，泄水建筑物泄量降低，其中80%、90%泄量调洪的库水位过程如图5所示。如当闸门失效损失泄量10%时，在洪水过程的第71小时，库水位壅高的峰值达到3124.31m< Z_坝顶高程，随后泄量大于来流量，水位回落，该过程峰值水位离坝顶仍有1.69m，仅损失部分安全加高，并不至于溃坝。当闸门失效损失泄量达到总泄量的20%时，在该超标洪水过程的第69小时，库水位壅高的峰值达到3126.02m>Z_坝顶高程，已超过坝顶高程，水库将发生漫坝，由本发明提出的判据，为设置非常泄洪设施在较高水位时启动来降低泄洪风险提供了机会。第一次洪峰流量时间内，上述三种工况水库水位的增长率dz/dt（以小时计）分别约为0.12 m/h、0.15 m/h、0.17 m/h，即相比80%泄量工况的水位增长率，敞泄工况下水位增长率低0.05 m/h，这意味着泄水闸门部分失效时，增设较低标准的非常溢洪设施能够有效延缓水位上升速度，降低泄洪风险。

上述计算结果表明，如果考虑超标准洪水+地震引发泄水某一闸门失效这种极端运用工况，水库将发生漫坝溃决，该布置形式的特1级坝须增设非常溢洪设施以应对某一闸门无法开启的情况。增设目的是更好的应对上述极端工况，在上游超标洪水和正常泄洪设施部分故障的情况下减缓本坝库容最终及时泄水、保坝不溃。具体设置量值，可通过本发明计算后确定，如本例设置的非常溢洪设施泄流能力为原设计溢流堰和深孔泄洪洞泄量总和的20%左右为宜，其启用条件可根据闸门失效情况及预测或监测的洪峰流量标准和时刻来确定。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如所判断水库系统的形式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种特级坝增设非常泄洪设施的判据及量值确定方法，所述方法所判断的水坝系统包括：至少四级土石水坝的河道型水库，其中各坝的工程等级为：上游第一级水坝为特1级坝，称为上游特1级坝，最后一级水坝为特1级坝，称为下游特1坝，两个特1级坝之间为多个2等级坝，其特征在于，所述方法的步骤如下：

拟定上游洪水过程线的步骤：设上游超标准洪水为万年一遇加20%，利用万年一遇和PMF典型洪水特征值，采用同频率放大法拟定上游洪水过程线，即给出洪水流量Q _洪水与时间t的序列；

拟定水坝泄水能力降低幅值的步骤：仅发生超标准洪水时，各级水坝的泄水建筑物按全闸过水，当叠加地震引发其中某一泄水闸门失效时，拟定泄水建筑物总泄量降低幅值；

拟定起调水位的步骤：将第一级水坝的水库设计水位作为不利水位，拟定为特1级坝水库的起调水位；

计算水位的步骤：根据拟定的条件，计算上游特1级坝水库的水位涨落调洪过程，最终得到坝前Z（t）曲线及Z（t）的最大值，计算公式为：

其中：Z为坝前水库水位，m；t为时间，s； 下标0为初始时刻； F(t, Z)为泄流量与水库面积的函数；

形成增设非常泄洪设施的判据的步骤：在水库泄水流量Q _泄水所有区间范围内，当最大来水量时的最高水库水位小于坝顶高程，即：max[Z(t)|Q _泄水]<Z _坝顶高程，不增设非常泄洪设施，其中：Z _坝顶高程为特 1级坝的坝顶高程；

当某一泄水闸门失效，最大来水量时的计算的最高水库水位大于坝顶高程，即：max[Z (t)|Q _泄水]>Z _坝顶高程，增设非常泄洪设施；

形成增设非常泄洪设施泄量具体量值的步骤：在Z(t)|Q _泄水 >Z _坝顶高程条件下，

若max[Z(t)|Q _泄水1]<Z _坝顶高程，

其中：Q _泄水1 = Q ₀，0.8Q<Q ₀<0.95Q，Q _泄水1为泄水建筑物总泄量首次初选值，Q为未增设非常泄洪设施的泄水建筑物总泄量；

计算Z(t)|Q _泄水2，

其中：Q _泄水2= Q ₀ - dQ，dQ = 0.05Q，Q _泄水2为泄水建筑物总泄量第二次选择值，dQ为调整流量步长；

如果max[Z(t)|Q _泄水2]>Z _坝顶高程，

则得到非常泄洪设施最大泄流能力Q _非常泄洪= Q－Q _泄水2。