工程水文及水利计算-第24讲

工程水文及水利计算门宝辉可再生能源学院第十二章水库防洪计算12-1概述12-2水库调洪计算的原理和方法12-3水库防洪计算12-1概述1、防洪设计标准在河流上修建水库，通过其对洪水的拦洪削峰，可防止或减轻甚至消除水库下游地区的洪水灾害。若遇特大洪水或调度运用不当，大坝失事也会形成远远超过天然洪水的溃坝洪水。因此，防洪设计中除考虑下游防护对象的防洪要求外，更应确保大坝安全。下游防洪要求和大坝等水工建筑物本身防洪安全要求，一般通过防洪设计标准（常用洪水发生频率或重现期表示）来体现。板桥水库1975年8月入库洪峰13100m3／s，溃坝流量竟达79000m3／s，造成了下游极大的损失。水库自身安全标准是指设计水工建筑物所采用的洪水标准。12-1概述1、防洪设计标准水工建筑物的洪水标准分正常运用和非常运用两种情况。与前者相应的洪水称为设计洪水；与后者相应的洪水称为校核洪水。对于水库安全标准一般应采用入库洪水，如因资料等方面的原因而改用坝址洪水时，应估计二者的差异对水库调洪计算结果的影响。12-1概述1、防洪设计标准防护对象防洪标准应采用防洪保护区相应河段控制断面的设计洪水，该设计洪水由水库坝址以上流域及坝址至控制断面之间的区间两部分洪水组成，应考虑二者的不同组合类型及其对水库调洪计算结果的影响。防洪是一项长期艰巨的工作。目前解决洪水问题，一般都趋向于采取综合治理的方针，合理安排蓄、泄、滞、分等措施。防洪措施是指防止或减轻洪水灾害损失的各种手段和对策，它包括防洪工程措施和防洪非工程措施。12-1概述2、防洪措施防洪工程措施指为控制和抗御洪水以减免洪水灾害损失而修建的各种工程措施，主要包括堤防与防洪墙、分蓄洪工程、河道整治工程、水库以及水土保持等。堤防是古今中外最广泛采用的一种防洪工程措施，这一措施对防御常遇洪水较为经济，容易实行。防洪工程措施（1）修筑堤防主要作用：提高河道渲泄洪水的能力。负面影响：可能增加河道泥沙淤积，抬高河床，恶化防洪情势。12-1概述2、防洪措施河道整治是流域综合开发中的一项综合性工程措施。可根据防洪、航运、供水等方面的要求及天然河道的演变规律，合理进行河道的局部整治。防洪工程措施（2）河道整治在适当地点开辟分洪道行洪，可将超出河道安全泄量的峰部流量绕过重点保护河段后回归原河流或分流入其他河流。分洪道的作用是提高其临近的下游重点保护河段的防洪标准。（3）开辟分洪道和分蓄洪工程12-1概述2、防洪措施防洪工程措施分蓄洪工程则是利用天然洼地、湖泊或沿河地势平缓的洪泛区，加修周边围堤、进洪口门和排洪设施等工程措施而形成分蓄洪区。其防洪功能是分洪削峰，并利用分蓄洪区的容积对所分流的洪量起蓄、滞作用。（3）开辟分洪道和分蓄洪工程12-1概述2、防洪措施防洪工程措施水土保持也可归类于防洪工程措施，它有一定的蓄水、拦沙、减轻洪患的作用。其方法除包括一般的植树、种草等水土保持措施外，还包括在小河上修筑挡沙坝、梯级坝等。（5）水土保持防洪工程措施通过对洪水的蓄、泄、滞、分，起到防洪减灾的效果。这种减灾效果包括两方面：其一是提高了江河抗御洪水的能力，减少了洪灾的出现频率；其二是出现超防洪标准的大洪水时，虽不能避免产生洪水灾害，但可在一定程度上减轻洪灾损失。12-1概述2、防洪措施防洪非工程措施防洪非工程措施是指为了减少洪泛区洪水灾害损失，采取颁布和实施法令、政策及防洪工程以外的技术手段等方面的措施。如洪泛区管理、避洪安全设施、洪水预报与警报、安全撤离计划、洪水保险等均属于防洪非工程措施。12-1概述2、防洪措施洪泛区管理是减轻洪灾损失的一项重要的措施。根据我国的国情，这里所指的洪泛区主要是分蓄洪区（包括滞洪区及为特大洪水防洪预案安排出路涉及的行洪范围），而不是泛指江河的洪泛平原。必须通过政府颁布法令及政策加强对洪泛区的管理，以实现对洪泛区进行有计划的、合理的，而不是盲目的开发利用。（1）洪泛区管理防洪非工程措施12-1概述2、防洪措施建立洪水预报和洪水警报系统是防洪减灾的有效技术手段。利用水情自动测报系统自动采集和传输雨情、水情信息，及时作出洪水预报；利用洪水预报的预见期，配合洪水调度及洪水演算，预见将出现的分洪、行洪灾情，在洪水来临之前，及时发出洪水警报，以便分洪区居民安全转移。（2）建立洪水预报和洪水警报系统防洪非工程措施12-1概述2、防洪措施洪水保险作为一项防洪非工程措施主要是由于它有助于洪泛区的管理，对防洪减灾在一定程度上起有利的作用。（3）洪水保险实行洪水保险是指洪泛区内的单位和居民必须为洪灾投保，每年支付一定的年保险费，若发生洪灾，可用积累的保险费赔偿投保者的洪灾损失。防洪非工程措施12-1概述2、防洪设施及其调洪作用3、水库防洪设施及其调洪作用设计水库时，为使水工建筑物和下游防护地区能抵御规定的洪水，要求水库有防洪设施，即设置一定的防洪库容和泄洪建筑物，使洪水经过调节后，安全通过大坝，还要求下泄流量不超过防护河段的允许泄量，以保证下游防护对象的安全。河道的允许泄量是指防护河段允许通过而不发生泛滥的最大流量。12-1概述泄洪建筑物的类型有表面式溢洪道和深水式泄水洞。表面式溢洪道又分为无闸溢洪道和有闸溢洪道。无闸溢洪道常称作开敞式溢洪道，当库水位超过溢洪道的堰顶高程时，即自行泄流。无闸溢洪道调洪作用3、水库防洪设施及其调洪作用12-1概述设有闸门溢洪道的闸门顶高程一般和正常蓄水位齐平，而溢洪道的堰顶高程低于汛前水位。有闸溢洪道调洪作用3、水库防洪设施及其调洪作用12-1概述深水式泄洪洞设于一定水深处，其水流状态属于有压出流。有闸溢洪道调洪作用3、水库防洪设施及其调洪作用12-1概述12-2水库调洪计算的原理和方法水库是控制洪水的有效工程措施，其调节洪水的作用在于拦蓄洪水，削减洪峰，延长泄洪时间，使下泄流量能安全通过下游河道。调洪计算的任务是在水工建筑物或下游防护对象的防洪标准一定的情况下，根据已知的设计入库洪水过程线、水库地形特性资料、拟定的泄洪建筑物型式和尺寸、调洪方式，通过调洪计算，推求出水库出流过程、最大下泄流量、防洪库容和水库相应的最高洪水位。q=f（H）q=f（V）1、水库调洪计算的基本方程水库水量平衡方程12212122VVtqqtQQ水库蓄泄方程12-2水库调洪计算的原理和方法按静库容曲线进行调洪计算时，系假设水库水面为水平，采用下泄流量与蓄水量的关系q=f（V）求解。常用的方法有列表试算法和图解分析法。列表试算法计算步骤：1）绘制水库水位容积关系曲线Z～V，由相应的水力学出流计算公式求得q～V曲线。2、考虑静库容的调洪计算方法12-2水库调洪计算的原理和方法列表试算法计算步骤：2）从第一时段开始调洪，由起调水位（即汛前水位）查Z～V及q～V关系曲线得到水量平衡方程中的V1和q1：由入库洪水过程线Q（t）查得Q1、Q2；然后假设一个q2值，根据水量平衡方程算得相应的V2值，由V2在q～V上查得q2，若二者相等，q2即为所求。否则，应重设q2，重复上述计算过程，直到二者相等为止。2、考虑静库容的调洪计算方法12-2水库调洪计算的原理和方法3）将上时段末的q2、V2值作为下一时段的起始条件，重复上述试算过程，最后即可得出水库下世流量过程线q（t）。4）将入库洪水Q（t）和计算的q（t）两条曲线点绘在一张图上，若计算的最大下泄流量qm正好是二线的交点，说明计算的qm是正确的。否则，计算的qm有误差，应改变时段△t重新进行试算，直至计算的qm正好是二线的交点为止。列表试算法计算步骤：2、考虑静库容的调洪计算方法12-2水库调洪计算的原理和方法5）由qm查q～V曲线，得最高洪水位时的总库容Vm，从中减去堰顶以下的库容，得到防洪库容V防。由Vm查Z～V曲线，得最高洪水位Z防。显然，当入库洪水为设计标准的洪水时，求得的qm，V防、Z防即为设计标准的最大泄流量qm，设、设计防洪库容V设和设计洪水位Z设。同理，当入库洪水为校核标准的洪水时，求得的V防、Z防即为qm，校、V校和Z校。列表试算法计算步骤：2、考虑静库容的调洪计算方法12-2水库调洪计算的原理和方法【例题12—1】某水库泄洪建筑物为无闸溢洪道，其堰顶高程与正常蓄水位齐平为116m，堰顶宽B=45m，堰流系数m1=1.6。该水库设有小型水电站，汛期按水轮机过水能力Q电=l0m3/s引水发电。水库库容曲线和设计洪水过程线数值分别列于表12—4和表12—5中。求水库下泄流量过程线q（t）。表12—4水库水位容积关系库水位Z（m）7580859095100105115125135库容V（106m3）0.54.010.023.045.077.5119234401610表12—5设计洪水过程线时间t（h）01224364860728496流量Q（m3/s）101407102791316532151012-2水库调洪计算的原理和方法解：1）绘制Z～V曲线2）列表计算q～V曲线表12—6某水库q～V关系计算表库水位Z（m）（1）116118120122124126堰顶水头H（m）（2）0246810泄流能力q（m3/s）（3）10214586106816382280库容V（106m3）（4）247276307340378423q溢=m1BH3/2=1.6×45H3/2=72H3/212-2水库调洪计算的原理和方法3）绘制q～V曲线12-2水库调洪计算的原理和方法4）推求下泄流量过程线q（t）按起始条件V1＝247×106m3、q1＝10m3/s和已知值Q1=10m3/s、Q2=140m3/s求V2、q2。假设q2=30m3/s，得6621088.2491024736001223010360012214010V12-2水库调洪计算的原理和方法4）推求下泄流量过程线q（t）查q～V曲线，得q2=20m3/s，与原假设不符，故需重设q2进行计算。再假设q2=20m3/s，得6621059.2491024736001222010360012214010V再查q～V曲线，得q2=20m3/s与假设相符，故q2=20m3/s和V2=249.59×106m3即为所求。12-2水库调洪计算的原理和方法4）推求下泄流量过程线q（t）表12—7某水库调洪计算表（列表试算法）时间t（h）时段△t（h）Q（m3/s）221QQ（m3/s）tQQ221（106m3）q（m3/s）221qq（m3/s）tqq221（106m3）V（106m3）Z（m）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）01010247.00116.912753.24150.651214020249.59116.21242518.366252.7024710105265.26117.212494.521.3617257.4536279240279.18118.22264.51.902451.7638250250279.32118.210190.56.862408.6448131230277.54118.112-2水库调洪计算的原理和方法5）计算最大下泄流量qm取表的t、Q、q值，绘出Q（t）和q（t）（退水段为虚线）过程线。以△t＝12小时逐时段试算求得的qm=240m3/s不是正好落在Q（t）线上，而是偏在它的下方，正确的qm值应比240m3/s大一些，出现时间稍晚一些，为此，设qm=q2=250m3/s，在图上查得△t=2小时，该时段初的V1=279.18×106m3，q1=240m3/s，Q1=279m3/s，代入得12-2水库调洪计算的原理和方法5）计算最大下泄流量qm依此在图中q～V线上查得q2=250m3/s，与假设的q2（即qm）相符。故qm=250m3/s即为所求，其出现时间在第38小时。6621032.2791018.2793600222502402250279V12-2水库调洪计算的原理和方法6）推求设计防供库容V设和设计洪水位Z设按qm=2