CN108256194A - 一种恢复水库拦沙库容的设计方法及坝体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恢复水库拦沙库容的设计方法,包括以下步骤:S1:确定非常排沙底孔的闸底板高程;S2:确定非常排沙底孔的泄流规模;S3:确定非常排沙底孔的启用条件;S4:计算分析设置非常排沙底孔对拦沙库容的恢复效果本发明还公开了一种恢复水库拦沙库容的坝体结构,坝体上设有至少一个泄洪排沙深孔,坝体上还设有非常排沙底孔,非常排沙底孔的闸底板高程、泄流规模和启用条件根据上述设计方法确定。本发明克服了本领域技术人员的技术偏见,使拦沙库容可以重复利用,还对延缓水库淤积、长期保持水库有效库容发挥了至关重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域,特别是涉及一种恢复水库拦沙库容的设计方法及坝体结构。
背景技术
水是生命之源、生产之要、生态之基。兴水利、除水害,事关人类生存、经济发展、社会进步,历来是治国安邦的大事。水是经济和社会可持续发展的重要物质基础。我国水资源时空分布不均,防洪抗旱问题非常突出。水库工程是防洪减灾体系和水资源保障体系的重要工程措施,利用其巨大的库容可在汛期削减洪水,有效减轻洪水灾害;还可调节径流,有效缓解水资源供需矛盾。新中国成立后,我国大兴水利,建设了大量的水库工程。截止2010年,我国已建成各类水库87873座,水库总库容7162亿m3。其中:大型水库552座,总库容5594亿m3,占全部总库容的78.1%;中型水库3269座,总库容930亿m3,占全部总库容的13.0%。大量水库工程建设,有效提高了防洪抗旱保障能力,发挥了巨大的综合效益,为我国经济社会发展做出了重要贡献。
然而,我国水土流失问题突出,在多沙河流上修建水库后,由于水位抬高,流速减小,必然造成泥沙在水库中的淤积,导致我国已建水库库容每年以1%左右的速度在不断减小。据统计,我国七大江河的年输沙量高达23亿t,尤其以黄河输沙量最大,居世界大江大河之首,天然年均输沙量高达16亿t。黄河流域水库的淤积速度之快、淤积量之大令人震惊。据有关资料统计,至1989年黄河流域共有小型以上水库601座,总库容522.5亿m3,淤损库容109.0亿m3,占总库容的21%。现今,绝大部分水库淤损库容占总库容一半以上,大大制约了水库效能的发挥,有的甚至失去了应有的作用。例如黄河干流第一座水利枢纽三门峡水库,建成不久就因淤积严重而被迫进行多次改建,并改变运用方式,使水库原设计功能至今无法充分发挥;青铜峡水电站在1967年至1971年运用4年时间内,损失库容达到86%。
泥沙淤积使原本有限的水库库容不断减小,调蓄能力大幅下降,防洪减灾和抗旱供水能力逐渐降低,泥沙淤积上延影响上游地区的生态环境,库底泥沙吸附有害物质对水库水质造成二次污染,随之而来的问题将会越来越多,从而造成巨大损失。
通常情况下,在水库设计时,泄洪排沙深孔的底板高程需按照满足水库死水位泄洪排沙和防淤堵设置,死水位是指在正常运用情况下,允许水库消落的最低水位,水库一般不低于死水位运行。遭遇特殊干旱年份或战备、地震等特殊情况,为保证应急用水安全,也可临时动用死水位以下的存水。有减淤任务的水库,需要利用死水位以下拦沙库容合理拦蓄造成下游河道淤积的泥沙,满足下游河道减淤要求。多沙河流来沙量大,泥沙会将死水位以下库容淤满,形成不可利用的库容,从而影响水库功能发挥。而泄洪排沙深孔底板高程一般不会低于死水位50m,其正常运行条件为库水位需高于死水位,因此不能通过常规的泄洪排沙深孔恢复死水位以下淤积的拦沙库容,而淤积的拦沙库容已发挥其减淤功能且不可再利用,这已成为了本领域技术人员的固定思维和技术偏见。
发明内容
本发明的目的是提供一种恢复水库拦沙库容的设计方法及坝体结构,以解决上述现有技术存在的问题,使拦沙库容可以重复利用,克服了本领域技术人员的技术偏见。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供了一种恢复水库拦沙库容的设计方法,包括以下步骤:
S1:确定非常排沙底孔的闸底板高程;
S2:确定非常排沙底孔的泄流规模;
S3:确定非常排沙底孔的启用条件;
S4:计算分析设置非常排沙底孔对拦沙库容的恢复效果。
优选地,步骤S1中,非常排沙底孔的闸底板高程要低于死水位和泄洪排沙深孔,以便水库非常排沙运用时能够起到恢复拦沙库容的作用,同时需避免非常排沙底孔因泥沙淤积而淤堵。
优选地,通过物理模型试验确定非常排沙底孔的闸底板高程,非常排沙底孔的闸底板高程低于泄洪排沙深孔的底板高程10m~20m。
优选地,步骤S2中,针对不同泄流规模进行库区泥沙冲淤计算,计算分析不同泄流规模时水库库容恢复情况,确定非常排沙底孔的泄流规模,非常排沙底孔的泄流规模需满足工程投资与恢复拦沙库容效益的技术经济比较的要求。
优选地,步骤S2中,非常排沙底孔的泄流规模按不小于水库坝址处一年一遇洪峰流量确定。
优选地,步骤S3中,针对不同水沙条件时闸门启用后进行库区泥沙冲淤计算,协调闸门启用时机、排沙水量和水库排沙效果之间的关系,确定最优的闸门启用水沙条件。
优选地,步骤S4中,采用《泥沙设计手册》推荐的数学模型进行库区泥沙冲淤计算。
优选地,数学模型采用水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程和河床变形方程联解求得;
水流连续方程:
水流运动方程:
泥沙连续方程:
河床变形方程:
其中:Q-流量;x-流程;g-重力加速度;A-过水面积;Z-水位;J-能坡;k-粒径组;S-含沙量;Ad-冲淤面积;t-时间;γ-淤积物干容重;Zb-冲淤厚度;α-恢复饱和系数;ω-泥沙沉速;S*-水流挟沙力。
本发明还提供了一种恢复水库拦沙库容的坝体结构,坝体上设有至少一个泄洪排沙深孔,坝体上还设有非常排沙底孔,非常排沙底孔的闸底板高程、泄流规模和启用条件根据上述技术方案中任一项所述的恢复水库拦沙库容的设计方法确定。
优选地,非常排沙底孔为两个,分别设置在泄洪排沙深孔的两侧,非常排沙底孔的闸底板高程低于泄洪排沙深孔的闸底板高程18m。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果:
本发明通过在坝体上优化布置非常排沙底孔,不仅对延缓水库淤积、长期保持水库有效库容可发挥至关重要的作用,而且还可以实现水库死库容重复利用。该发明在多沙河流水库设计中推广应用,可提高水库工程防洪减灾和水资源保障能力,充分发挥水资源综合利用效益,还可发挥开发水能资源、改善航运条件、促进生态环境建设等综合利用效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明恢复水库拦沙库容的坝体结构的剖视结构示意图;
图2为东庄水库大坝上流立式图;
其中:1-泄洪排沙深孔,2-非常排沙底孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种恢复水库拦沙库容的设计方法及坝体结构,以解决上述现有技术存在的问题,使拦沙库容可以重复利用,克服了本领域技术人员的技术偏见。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供了一种恢复水库拦沙库容的设计方法,包括以下步骤:
S1:确定非常排沙底孔的闸底板高程;
S2:确定非常排沙底孔的泄流规模;
S3:确定非常排沙底孔的启用条件;
S4:计算分析设置非常排沙底孔对拦沙库容的恢复效果。
具体地:步骤S1中,非常排沙底孔的闸底板高程要低于死水位和泄洪排沙深孔,以便水库非常排沙运用时能够起到恢复拦沙库容的作用,同时需避免非常排沙底孔因泥沙淤积而淤堵。可通过物理模型试验确定非常排沙底孔的闸底板高程,一般来讲,非常排沙底孔的闸底板高程低于泄洪排沙深孔的底板高程10m~20m。
步骤S2中,针对不同泄流规模进行库区泥沙冲淤计算,计算分析不同泄流规模时水库库容恢复情况,确定非常排沙底孔的泄流规模,非常排沙底孔的泄流规模需满足工程投资与恢复拦沙库容效益的技术经济比较的要求。非常排沙底孔的泄流规模可按不小于水库坝址处一年一遇洪峰流量确定。
步骤S3中,针对不同水沙条件时闸门启用后进行库区泥沙冲淤计算,协调闸门启用时机、排沙水量和水库排沙效果之间的关系,确定最优的闸门启用水沙条件。
步骤S4中,采用《泥沙设计手册》推荐的数学模型进行库区泥沙冲淤计算,也可采用物理模型进行库区泥沙冲淤分析。其中,数学模型采用水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程和河床变形方程联解求得;
水流连续方程:
水流运动方程:
泥沙连续方程(分粒径组):
河床变形方程:
其中:Q-流量;x-流程;g-重力加速度;A-过水面积;Z-水位;J-能坡;k-粒径组;S-含沙量;Ad-冲淤面积;t-时间;γ-淤积物干容重;Zb-冲淤厚度;α-恢复饱和系数;ω-泥沙沉速;S*-水流挟沙力;Sk-不同粒径组的含沙量;Adk-不同粒径组的冲淤面积。
如图1所示:本实施例还提供了一种恢复水库拦沙库容的坝体结构,坝体上设有四个泄洪排沙深孔1,坝体上还设有两个非常排沙底孔2,非常排沙底孔2分别设置在泄洪排沙深孔1的两侧,非常排沙底孔2的闸底板高程、泄流规模和启用条件根据上述的恢复水库拦沙库容的设计方法确定。优选地,四个泄洪排沙深孔1的总泄流规模为3300m3/s,非常排沙底孔2的闸底板高程低于泄洪排沙深孔1的闸底板高程18m,两个非常排沙底孔2的总泄流规模为1000m3/s。
本实施例通过在坝体上优化布置非常排沙底孔,不仅对延缓水库淤积、长期保持水库有效库容可发挥至关重要的作用,而且还可以实现水库死库容重复利用。本实施例可在多沙河流水库设计中推广应用,能够提高水库工程防洪减灾和水资源保障能力,充分发挥水资源综合利用效益,还可发挥开发水能资源、改善航运条件、促进生态环境建设等综合利用效益。本实施例不仅适用于新建水库的坝体,同样适用于已建成水库的坝体改建。
应用案例分析:
如图2所示:东庄水库位于泾河干流最后一个峡谷段,入库水流含沙量高,来沙量大,实测年平均含沙量高达144kg/m3,年均来沙量达2.5亿t,水库泥沙问题非常复杂,库容保持及泥沙处理措施应留有余地。考虑其泥沙问题的特殊性和复杂性,在东庄水库坝身设置了4个泄洪排沙深孔,进口高程708m,总泄流规模为3300m3/s(相当于5年一遇洪水洪峰流量);在泄洪排沙深孔下部再增设两个非常排沙底孔,进口高程690m,相应泄流规模为1000m3/s,以便在特殊情况下增强排沙能力,减缓库区淤积速率,使得拦沙库容可重复利用,确保工程安全和综合效益发挥。
经分析论证,东庄水库设置非常排沙底孔,主要有如下重要作用。
(1)设置非常排沙底孔,可延长拦沙库容使用年限。
东庄水库泄洪排沙深孔进口高程为708m,比原始河床587m高出121m。只有当坝前淤积面高程达到一定高度后,才具备排沙出库的条件。非常排沙底孔进口高程为690m,比泄洪排沙深孔低18m,水库可更早排沙。经数学模型计算,设置非常排沙底孔,水库库区淤积速度慢,拦沙库容淤满年限为24年;不设置非常排沙底孔,拦沙库容淤满年限为21年。设置非常排沙底孔,可延长水库拦沙库容使用年限3年。
(2)设置非常排沙底孔,可使水库拦沙库容重复利用,增大水库对渭河下游河道减淤作用。
东庄水库来沙量大,拦沙库容淤满后进入正常运用期,槽库容被淤满的情况可能发生,从而使水库失去调节能力。若遇丰水年份,及时打开非常排沙底孔,可增加水库低水位的排沙能力,使部分拦沙库容重复利用。
采用槽库容淤满后的地形作为初始地形条件,采用丰水年份(1966年)和一般来水年份(2010年)实测水沙过程作为水沙条件,按照7至8月敞泄运用进行库区泥沙冲淤计算,论证设置非常排沙底孔的作用。
库区初始淤积量为23.87亿m3,正常蓄水位789m以下库容为2.08亿m3,死水位756m以下库容为0.002亿m3,经过汛期敞泄运用,计算结果详见表1。丰水年份(1966年),是否设置非常排沙底孔,水库7月~8月冲刷量分别为3.88亿m3和2.23亿m3,敞泄排沙运用后正常蓄水位789m以下库容分别为5.96亿m3和4.31亿m3;死水位756m以下库容分别为1.45亿m3和0.63亿m3。一般来水年份(2010年),是否设置非常排沙底孔,7月~8月水库累计冲刷量分别为2.86亿m3和1.63亿m3,敞泄排沙运用后正常蓄水位789m以下库容分别为4.94亿m3和3.71亿m3;死水位756m以下库容分别为1.07亿m3和0.46亿m3。
表1是否设置非常排沙底孔水库敞泄排沙前后淤积量变化
注:表中“设置”为设置非常排沙底孔方案;“不设置”为不设置非常排沙底孔方案。
进一步分析设计入库水沙条件可知,在水库进入正常运用期后的26年中,主汛期7~8月来水较为有利的年份有5年,结合渭河下游大水输沙能力大的特性,可利用非常排沙底孔泄放大水敞泄排沙冲刷库区淤积的泥沙恢复水库库容,从而使得水库拦沙库容重复利用。以1966年和2010年典型年计算成果估算,上述5年总计可使得拦沙库容恢复约7亿m3,参考水库拦沙减淤比计算,此部分库容重复拦沙运用能减少渭河下游河道淤积量约2亿t。鉴于水库冲刷恢复库容的同时大量排沙将增加渭河下游淤积,减淤作用按50%计算,水库拦沙库容重复利用也可增加渭河下游减淤量约1亿t。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种恢复水库拦沙库容的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:确定非常排沙底孔的闸底板高程;
S2:确定非常排沙底孔的泄流规模;
S3:确定非常排沙底孔的启用条件;
S4:计算分析设置非常排沙底孔对拦沙库容的恢复效果。
2.根据权利要求1所述的恢复水库拦沙库容的设计方法,其特征在于:步骤S1中,非常排沙底孔的闸底板高程要低于死水位和泄洪排沙深孔,以便水库非常排沙运用时能够起到恢复拦沙库容的作用,同时需避免非常排沙底孔因泥沙淤积而淤堵。
3.根据权利要求2所述的恢复水库拦沙库容的设计方法,其特征在于:通过物理模型试验确定非常排沙底孔的闸底板高程,非常排沙底孔的闸底板高程低于泄洪排沙深孔的底板高程10m~20m。
4.根据权利要求1所述的恢复水库拦沙库容的设计方法,其特征在于:步骤S2中,针对不同泄流规模进行库区泥沙冲淤计算,计算分析不同泄流规模时水库库容恢复情况,确定非常排沙底孔的泄流规模,非常排沙底孔的泄流规模需满足工程投资与恢复拦沙库容效益的技术经济比较的要求。
5.根据权利要求1所述的恢复水库拦沙库容的设计方法,其特征在于:步骤S2中,非常排沙底孔的泄流规模按不小于水库坝址处一年一遇洪峰流量确定。
6.根据权利要求1所述的恢复水库拦沙库容的设计方法,其特征在于:步骤S3中,针对不同水沙条件时闸门启用后进行库区泥沙冲淤计算,协调闸门启用时机、排沙水量和水库排沙效果之间的关系,确定最优的闸门启用水沙条件。
7.根据权利要求1所述的恢复水库拦沙库容的设计方法,其特征在于:步骤S4中,采用《泥沙设计手册》推荐的数学模型进行库区泥沙冲淤计算。
8.根据权利要求7所述的恢复水库拦沙库容的设计方法,其特征在于:数学模型采用水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程和河床变形方程联解求得;
水流连续方程:
水流运动方程:
泥沙连续方程:
河床变形方程:
其中:Q-流量;x-流程;g-重力加速度;A-过水面积;Z-水位;J-能坡;k-粒径组;S-含沙量;Ad-冲淤面积;t-时间;γ-淤积物干容重;Zb-冲淤厚度;α-恢复饱和系数;ω-泥沙沉速;S*-水流挟沙力。
9.一种恢复水库拦沙库容的坝体结构,坝体上设有至少一个泄洪排沙深孔,其特征在于:坝体上还设有非常排沙底孔,非常排沙底孔的闸底板高程、泄流规模和启用条件根据权力要求1至8中任一项所述的恢复水库拦沙库容的设计方法确定。
10.根据权利要求9所述的恢复水库拦沙库容的坝体结构,其特征在于:非常排沙底孔为两个,分别设置在泄洪排沙深孔的两侧,非常排沙底孔的闸底板高程低于泄洪排沙深孔的闸底板高程18m。
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