水库防洪水利计算中的闸门控制方案

无闸门控制的溢洪道泄流能力有限，调节洪水的效能较低，在设计上又不能使兴利库容与防洪库容结合运用，所以，比较大的、特别是下游有防洪任务的水库通常都选用有闸门控制的泄洪设备。

通常，水库下游防护对象的防洪要求都不是单一地由水库去满足，而是多种防洪工程措施（如堤防、分洪滞洪工程等）联合运用，这就须要有相应的包含各种防洪措施规模的防洪整体规划方案，作为水库防洪设计的条件。

严格地说，防护对象的防洪标准应表示为超过其控制性河道断面允许泄量的洪水发生频率，实为风险率。对于十分重要的防护对象，防洪标准常常很高，须防护措施分期实施才能达到，这就须要对一定实施阶段上的防洪措施规模可达到的防洪效能进行估算。防洪措施可获得的防洪效益，为防洪措施实施后比实施前减少的洪灾损失，这常被用来权衡防洪措施的费用和效益，选择最经济的防洪措施方案。但有的防护对象（如中心城市、大平原上重要的粮棉基地等）的经济、社会、政治性十分重要，对其须进行的防洪经济分析，主要在于选择最有效的、费用最小的防洪措施组合方案去实现防洪保护（参看后面第十五章第四节）。从我国实际情况出发，防护区的范围有时很广，常存在重要性不同的若干防护对象而应有不同的防洪标准，这也是防洪规划设计中会碰到而应当考虑的问题。

地区防洪规划中的水库，亦常常兼有兴利的任务。如果水库的防洪库容设置大一些，防洪时的下泄流量会小一些，其他防洪措施如分洪滞洪工程的分洪量则可少一些（甚至不分洪），滞洪区的负担便可减轻；但水库的兴利效益又会因此降低。这反映了同时承担了防洪和兴利任务的水库有相矛盾的方面。但在水库上的防洪和兴利任务也有可结合承担的一方面。其可结合的程度，设计上集中反映在水库防洪限制水位的拟定上。若洪水在年内发生的定期性规律愈明显，如春季融雪洪水，则可结合承担防洪和兴利的、在正常蓄水位与防洪限制水位之间的共用库容愈大；反之愈小，甚至没有。我国夏伏旱严重地区的水库，既要考虑到为伏旱供水在夏伏旱到来之前蓄满水库（蓄至正常蓄水位），又要考虑到伏旱期内不定期地发生台风暴雨洪水的可能性而应预留防洪的库容，故无法结合。反映在防洪限制水位上，当防洪与兴利完全结合时，防洪高水位与正常蓄水位相等；不能结合时，防洪限制水位与正常蓄水位相等；部分结合时，防洪限制水位低于正常蓄水位，防洪高水位高于正常蓄水位。我国属最后一种情况者居多。由于洪水的成因、大小和出现的可能性在全汛期中各阶段还可能存在明显的差异。故防洪限制水位亦应相应地分期拟定（例如分为主汛期，和前、后汛等期），使水库充分有效地发挥防洪和兴利的作用。对于防洪和兴利相矛盾的一方面，亦集中反映在防洪限制水位的确定上。因此，对于重要的大型水库，必要时还应当拟定方案，从技术经济上进行分析，并考虑到各部门各地区利益等因素后协调选定防洪限制水位。

有闸门控制的泄洪设备型式的选择，应从水库防洪、防沙排沙要求出发，结合水工枢纽整体布置、洪水特性等方面进行研究，通过技术经济分析确定。进而对泄洪设备尺寸和高程的选择，亦应通过技术经济分析、比较确定。

至于水库防洪运行方式即防洪调度问题，实质上是在遇到洪水时该如何运用水库的调蓄能力去确定当时的泄量的问题。这除关系到对水库的防洪要求外，还关系到对洪水的预报情况。在选择防洪参数和特征值的设计阶段，运行方式应考虑得稳妥一些，故一般不计入短期洪水预报；且因未来实际运行中会遇到什么样的具体情况亦不可能都估计到，故可适当简化。现就考虑和不考虑短期洪水预报的水库防洪运行方式分述如下。

一、不考虑洪水预报情况

由于未考虑洪水预报，则只能根据当时观测到的水库水位及入库流量来安排水库的泄洪，而无法作出预泄，且只能随水库水位不断上升和洪水不断上涨而逐步加大泄量。当泄量加大到下游有防洪要求（以洪水频率大小体现）的允许泄量（或安全泄量）而库水位又未蓄至相应防洪高水位时，则应以此允许泄量控制泄流；当蓄至相应防洪高水位后水库来量仍大于泄量，表明洪水已超过该级标准。这时应转入更高一级的防护而加大水库泄量……。依此类推，直到出现大坝校核洪水情况。在调洪过程中，有一个针对洪水发生过程的随机性如何适时地安排或调整水库的充蓄和宣泄的问题，这涉及到当水库有多级防洪标准时防洪库容的合理分配。对介于某些级防洪标准范围内的洪水情况，其泄量亦可按蓄泄关系的线性变化考虑则较为简单。由此拟定的对各种可能出现的洪水情况都能作出泄洪安排的办法，可视为一套控制泄洪规则（或称防洪运行规则），它可由一组数学公式、图表、或文字描述。最优的防洪运行规则应通过拟定若干方案，对各种大小洪水（以频率表示）进行控制调洪演算，在满足各级防洪标准要求前提下按经济比较分析选出。对防洪参数已定的水库（或已建成的水库），经济比较的准则可由防洪效益（即减免的洪灾损失）最大来体现。

对于防洪设计阶段；因重点是确定水库泄洪设备类型、尺寸等防洪参数，其所需的泄洪运行规则可根据经验拟出，用来统一地指导各防洪参数方案的调洪演算。其调洪演算的起调水位应选为防洪限制水位。计算步骤必须是自最低一级防洪标准洪水开始，求得防洪高水位和相应防洪库容后，再对更高一级防洪标准洪水进行计算，并取得相应防洪高水位等成果……，依此，直至算完大坝校核洪水。在取得各防洪标准的调洪特征值后，便可进行经济计算。各防洪参数方案都作上述同样计算后，通过技术经济比较与分析可选出最佳方案。具体分析方法可参阅本节最后部分所列算例。

二、考虑洪水预报情况

这就是人们常说的水库防洪预报调度问题。对处在实施调洪过程的任一时刻，与无预报情况相比，由洪水预报对来临的洪水可获得更多的了解（信息），即改善了对来临洪水的预估。如对有降雨径流预报方案的情况，当获得水库流域降雨信息后，就可以知道相应的入库洪水过程，由此可判断已发生了多大量级的洪水，泄流量的控制过程（即调洪演算）则可按相应量级标准安排。经一个时段后，降雨信息增加，泄流量过程又需作出新的安排。如此递推，由于降雨随时间递增而变化，每个时段初作出的泄量过程安排仅被执行了一个面临的时段，随后，又被下一时段出现的新的情况所替代。如此继续，直至该次洪水调节过程结束。

预报调度方式由于流域降雨时空分布等变化复杂，而不能用如同前面所谈到的以简单的泄洪规则定量的方式来表达，需要设计相应的计算机应用软件去快速运算。这个应用软件在接收到当前降雨等信息后，应立即用预报方案算（报）出水库入流过程，并随即进行调洪演算、分析，选出面临时段泄量，供决策管理者决断执行。一套防洪预报调度的整个作业过程、决策过程都应当尽可能快速完成，以提高洪水预报的效用。就每一个时段而言，这整个过程如图13-8的框图所示。

按此种预报调度方式调洪，如果各防洪标准分配的防洪库容一定，由于预泄或提前加大泄量，将会使各频率标准的最大下泄流量降低而增加防洪效益；或在获得同样防洪效益的情况下减少所需要的防洪库容，从而增加水库的兴利效益。防洪预报调度一般都在已建成水库上逐步开展应用。且在实际应用中，通过工作经验的积累，还可适当地利用短期天气预报信息进一步改善水库的调度运用。

三、考虑补偿调节情况

如果上游水库与下游防洪地区之间有一定距离，两者之间的区间洪水又不可忽略，当发生洪水时，水库可能控制的仅是入库的洪水，而防护区允许通过的流量将指望水库进行补偿调节来满足（见图13-9）。对于此种情况，由于水库放水要经历一定的传播时间才能到达防护区河道控制断面并中途与区间来水相组合，因此，对区间洪水过程必须作出预报；其预见期应不短于相应水库放水到支流河口的传播时间τ（此处假定支流河口即在防洪点上游附近），否则，防洪补偿运行方式就无法实施。

图13-8　防洪预报调度计算（工作）程序框图

防洪补偿调节的计算，可分规划和运行两种情况。运行阶段的情况比较单纯，只要区间的洪水预报比较可靠，就可把其预报的洪水过程ΔQ—t向前移动一个传播时间τ，并倒置于安全泄量qp线之下，如图13-9所示。于是水库放水决策是：在C点以前，按来多少放多少维持库水位在防洪限制水位不变；而C点以后则按CDE的实线泄放。这就是补偿调节错峰运行的情况。这里是假定AB段河槽调蓄作用不大而不考虑。图中QA—t线则为等于和小于下游防洪标准的较大的入库洪水。如果某年入库洪水大于下游防洪标准的洪水，则当水库水位已达到防洪高水位，而洪水尚未过去时，则此时可能需要为了确保大坝安全而放弃为下游防洪的补偿调节，并开闸畅泄。

图13-9　水库防洪补偿调节示意图

规划阶段的防洪补偿调节计算，稍微复杂一些。先须根据下游防洪的设计标准求得建库前B处的洪水过程线QB—t（见图13-9中未绘），然后求出相应的A库入库洪水（或坝址洪水）QA—t和区间洪水ΔQ—t的组成洪水过程，如图13-9所示（必要时考虑几种组合）。对于自水库坝址到防洪控制断面间河槽调节的作用，在计算属于地区组成的入库洪水过程时应予以考虑。有了上述这两部分地区组成洪水过程之后，可将区间洪水过程ΔQ—t在防洪控制断面处的允许泄量qp下倒置，求得（qp-ΔQ）—t过程，如图13-9中倒置的虚线所示；进而将这（qp-ΔQ）—t自防洪控制断面反演算（指河槽调节演算）至坝址断面，如图中倒置的实线所示，再与入库洪水过程QA—t进行水量平衡，可求出水库的控制蓄泄过程，进而求得进行补偿调节所需的防洪库容Vp，如图中阴影面积所示。

在AB段距离不长或河槽调蓄作用不大时，常可以简化，不作洪流演进的反演，而直接将区间洪水过程向前移动一传播时间τ，并倒置于qp线上。这样就得到同样之水库下泄过程CDE线和所需补偿调节库容。

在设计防洪补偿运行方式时，水库的起调水位仍应选为防洪限制水位。对下游防洪补偿调节要求的任务计算完成后，仍要对水库大坝本身安全要求的设计及校核洪水进行计算。计算应注意的是，当为下游防洪提供的补偿调节防洪库容未充满以前，一律按维护下游防洪要求的补偿调节方式操作水库泄量；但当其防洪库容充满之后，且入库流量继续大于泄量，则应转入重点保护水库大坝安全的运行方式，具体计算与前面所述相同。

考虑防洪补偿调节情况，对区间洪水的预报精度和预见期都要求较高。预见期不足，短于前述条件τ，将难以实施所述补偿运行。但如果仅精度稍差，则还可视情况实施“错峰”运行，这与不考虑补偿调节相比仍能提高水库的防洪效能。由于补偿调节运行方式对预报等工作的质量，包括精度、预见期、发布速度等要求高，整个预报调度作业过程紧迫，若搞不好会弄巧成拙，故应同时要特别慎重。

四、算例

为了具体说明水库防洪水利计算的内容步骤和方法，现就不考虑洪水预报情况举出下例。

某综合利用水库以防洪、灌溉为主，兼有发电、渔业等其他效益。根据具体情况枢纽布置已定。发电和灌溉有关参数已初步选定。现需根据所提供资料和设计要求选择溢洪道尺寸，确定防洪库容和坝高。已知：

（1）水库正常蓄水位根据兴利要求已确定为110.0m。

（2）水库水电站共装四台水轮发电机组，每台容量为4.5万kW。

（3）根据水库库容、防洪保护对象的重要性、灌溉面积等确定本水利枢纽工程属一等工程，其大坝、溢洪道属一级永久性建筑物，设计洪水标准为P=0.2%（500年一遇），校核洪水标准为P=0.02%（5000年一遇）。

（4）水库下游有城市等防洪要求。与堤防措施配合运用，下游防洪标准为P=2%（50年一遇），相应的水库允许下泄流量q2%=7000m3/s。

（5）根据防洪兴利在水库上可能结合的情况，初步确定水库防洪限制水位为106.0m。

（6）根据水库排沙的需要，已确定设一圆形排沙孔，其直径为3.0m，中心高程68.0m，经分析汛期可用于泄洪。

（7）本枢纽泄洪隧洞已初步选定，采用马蹄形四孔，每孔过水面积等价于5m×5m，洞心高程为86.0m。

（8）该水库设计风速为V=12m/s，库面最大吹程为D=15km。

（9）水库库容曲线见图13-10；下游水位流量关系曲线见图13-11；各种频率的水库设计洪水过程见表13-10。

图13-10　库容曲线

图13-11　下游水位流量关系曲线

表13-10　水库设计洪水过程线流量　单位：m3/s

具体分析计算步骤如下：

（1）溢洪道型式及堰顶高程的选择。由于本水库有下游防洪任务，又属大型枢纽，汛期洪水发生次数又较多，防洪与兴利又有一定程度的结合，故决定采用有闸门控制的溢洪道。

堰顶高程可根据下列两个因素初定。其一考虑闸门结构上的限制，闸门高度不宜太大；其二考虑下游河床地质条件允许的单宽流量的大小。经分析计算初步选定堰顶高程为100.0m。最终选定还应进行包括经济的分析。

（2）溢洪道宽度的选择。现对四种方案，即溢洪道宽度B=40m、60m、80m及100m进行分析比较。

对每一种方案，都可绘制库水位与泄量关系曲线。现以B=60m为例，将计算过程和结果列于表13-11。

表13-11中各流量分别由下列公式确定：

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式中　μ1——流量系数，取用0.75；

　　　h1——水库上下游水位差。

表13-11　水库水位—下泄流量曲线计算表溢洪道宽度　B=60m

式中　μ2——流量系数，取用0.75；

　　　h2=Z上-86，86.0m为泄洪孔洞心高程。

式中　μ3——取用0.4。

　　　h3=Z上-100，100.0m为溢洪道堰顶高程。

式中　h4——上下游水位差。在泄洪时考虑三台机组满载发电。

本例中由于排沙孔和水轮机为淹没出流，其出流量与下游水位有关，而下游水位又决定于总下泄流量，因而需要进行试算。淹没出流的一般试算步骤是：对一定的水库上游水位，假定下游水位后由流量公式求出各项流量，如果求得的总下泄流量与假定的下游水位符合下游水位流量关系，则该结果即为所求。如不符则需重新假定下游水位，直至符合为止。表13-11所列为本例B=60m时的水库蓄水位与下泄能力关系的试算成果。

取Δt=4h=14400s。根据前面B=60m计算的库水位与下泄流量的关系，即可计算相应调洪演算辅助曲线q—V/Δt+q/2。计算步骤见表13-12。各种溢洪道宽度的调洪辅助曲线，如图13-12所示。

表13-12　q—（V/Δt+q/2）辅助曲线计算表　B=60m

图13-12　调洪演算辅助曲线

调洪演算辅助曲线绘出后，先对50年一遇设计洪水进行调洪演算。起调水位为防洪限制水位106.0m，相应库容为3.75亿m3，相应下泄能力为3620m3/s（见表13-12）。当入库流量小于3620m3/s时，可通过闸门调节使下泄量等于来水量，维持水库水位在防洪限制水位。当入库流量大于3620m3/s时，不能再维持防洪限制水位，水位被迫上升，水库按下泄能力下泄。当下泄量超过下游允许泄量7000m3/s时，控制为7000m3/s。最后求得最大蓄水量为9.71亿m3，相应防洪库容为5.96亿m3，防洪高水位为120.0m。具体计算见表13-13。

对于500年一遇设计洪水，开始调洪演算过程与50年一遇洪水一样，只有当水库水位已达120.0m，入库流量仍大于7000m3/s时，表明本次洪水已超过五十年一遇。为了大坝本身的安全，不应再控制在7000m3/s泄流，需打开闸门，按下泄能力泄洪。由此求得五百年一遇洪水的最高洪水位为122.2m，相应的最大蓄水量为12.90亿m3，最大下泄流量为13700m3/s。具体计算过程见表13-14。

图13-13　设计洪水及下泄流量过程（B=60m，Δt=4小时）

对于5000年一遇校核洪水，调洪演算方法与500年一遇洪水相同，不再赘述。三种设计洪水的调洪过程见图13-13，其中阴影部分面积为满足下游防洪要求的防洪库容。

表13-13　50年一遇洪水调洪计算表　B=60m

上面介绍了溢洪道宽度B=60m的计算步骤。对于B=40m、B=80m、B=100m亦可用同样方法计算，求其相应的最高洪水位和最大下泄流量。兹将四个宽度方案的计算结果列于表13-15。

求出各溢洪道宽度方案的调洪演算成果后，进而应按前面谈到的经济比较方法选择最佳宽度。经勘测分析，本工程溢洪道下游地质条件允许的最大单位宽度流量约为250m3/s左右。从表13-15不难看出，对校核洪水而言，溢洪道宽度愈大，则水库最高洪水位愈低；最大下泄流量愈大，然而单宽流量愈小。在所拟的宽度方案中，B=60m、80m、100m的方案都满足允许最大单宽流量的要求。另一方面，从经济上看，本工程又存在溢洪道愈宽，闸门及溢流体等费用增加超过坝高降低带来的费用减少的情况，又希望溢洪道宽度更小。因此，能满足允许最大单宽流量要求的费用最小的B=60m方案应予选定。

表13-14　500年一遇洪水调洪计算表　B=60m

表13-15　不同溢洪道宽度计算成果汇总表

上面简单地说明了溢洪道宽度的选择过程。如果本例中泄洪隧洞没有选定，当然仍可用上述方法选择，只不过比较方案更多一些。

（3）坝顶高程计算。坝顶高程的计算公式为

式中　Z0.2%——设计洪水位；

　　　Δh1、Δ1——设计洪水情况的风浪高及安全超高；

　　　Z0.02%——校核洪水位；

　　　Δh2、Δ2——校核洪水情况的风浪高及安全超高。

为安全起见，在Z1及Z2中，取较高的数值为设计值。

风浪高一般可按下式计算

式中　V——设计风速，V=12m/s；

　　　D——吹程，D=15km。

代入上式得Δh1=1.14m。

对校核洪水情况，风速取上述值的80%，由此算得Δh2=0.9m。

本枢纽为混凝土坝，且属一级建筑物，由表13-6查得Δ1=0.7m，Δ2=0.5m。于是得

由此选定坝顶高程为125.5m。