第10章 水庫防洪調(diào)節(jié)計算

水庫防洪調(diào)節(jié)計算第章10教學(xué)內(nèi)容1、水庫防洪計算基本內(nèi)容；2、水庫的調(diào)洪作用和計算原理；3、水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)特征值選擇；4、水庫調(diào)洪計算。教學(xué)要求了解水庫調(diào)洪作用和計算原理，掌握水庫的庫容與下泄流量關(guān)系曲線的計算與繪制；掌握無閘門控制水庫調(diào)洪計算的列表試算法、半圖解法；掌握小型水庫調(diào)洪計算的簡化三角形法。CONTENTS目錄01水庫防洪計算基本內(nèi)容02水庫的調(diào)洪作用和計算原理03水庫調(diào)洪計算04水庫防洪計算PART01水庫防洪計算基本內(nèi)容10.1水庫防洪計算基本內(nèi)容10.1水庫防洪計算基本內(nèi)容防洪任務(wù)通過設(shè)置蓄洪庫容和泄洪措施保護(hù)水庫不受洪水漫頂?shù)耐{；一是通過設(shè)置防洪庫容調(diào)節(jié)洪水，減輕或免除對下游的威脅。二是10.1水庫防洪計算基本內(nèi)容水庫防洪調(diào)節(jié)計算的主要內(nèi)容包括水庫調(diào)洪計算和水庫防洪計算。調(diào)洪計算目的是在已擬定泄洪建筑物型式和尺寸的條件下，根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計洪水，遵循水庫汛期的控制運(yùn)用規(guī)則，計算出水庫的泄流過程，確定最大泄量、防洪水位及防洪庫容。目的是在調(diào)洪計算的基礎(chǔ)上，主要是對各種擬定的防洪方案進(jìn)行比較，以期選擇最佳的泄流方案。防洪計算PART02水庫的調(diào)洪作用和計算原理10.2.1水庫的調(diào)洪作用10.2.2水庫的調(diào)洪計算原理10.2.1水庫的調(diào)洪作用1.溢洪道無閘門控制

無閘門控制的開敞式溢洪道具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低，操作方便等特點(diǎn)，常用于小型水庫。圖10-1溢洪道無閘控制的調(diào)洪作用(Z汛=Z堰)水庫對洪水的調(diào)節(jié)過程分為三個階段：（1）to為起調(diào)時刻，起調(diào)水位Z=Z汛=Z堰，下泄量q=0；（2）在t0~t2時刻，Q>q，水庫始終處于蓄水狀態(tài)。至t2時刻，Q=q，水庫達(dá)到最高水位Zm與最大蓄水量V洪，下泄量也達(dá)到最大qm；（3）t2時刻以后，Q<q，前一段暫蓄的洪水逐漸下泄。至t4時刻，庫水位回到堰頂高程，調(diào)洪過程結(jié)束。入庫洪水過程下泄洪水過程庫水位變化過程10.2.1水庫的調(diào)洪作用圖10-2溢洪道無閘控制的調(diào)洪作用(Z汛<Z堰)如果洪水入庫時Z汛<Z堰，如圖10-2所示，水位則需先充蓄至堰頂高程，其后溢洪道才開始泄流，開始泄流后的調(diào)洪過程與前相同。入庫洪水過程下泄洪水過程庫水位變化過程10.2.1水庫的調(diào)洪作用2.溢洪道有閘門控制圖10-3溢洪道設(shè)閘門控制的調(diào)洪作用（1）在t=t0時刻，起調(diào)水位Z=Z汛，Z汛>Z堰，下泄量q=0。（2）在t0~t1時段，q=Q，汛限水位。ab段為控制泄流階段。至t1時刻閘門已完全開啟，溢洪道自由泄流。（3）在t1~t2時段，Q>q，蓄水狀態(tài)，直至t2時刻q=q允。bc段為自由泄流。（4）在t2~t3時段，q=q允，cd段為控制泄流。（5）在t3~t4時段，到t3時刻為防洪庫容V防，防洪高水位Z防。t3時刻以后，閘門開度又逐漸加大，迎接下次洪水。水庫對洪水的調(diào)節(jié)過程分為以下五個階段：

結(jié)論：由有無閘門調(diào)洪過程知水庫的調(diào)洪作用表現(xiàn)在：通過對入庫洪水的蓄、泄，出庫洪水過程相對于入庫洪水過程變得更為平緩，洪水歷時拉長，洪峰流量減小。10.2.1水庫的調(diào)洪作用10.2.2水庫的調(diào)洪計算原理1.水庫的水量平衡方程水庫調(diào)洪計算的基本公式是水量平衡方程式：(10-1)——t時段初、末的入庫流量，m3/s；——t時段初、末的出庫流量，m3/s；——t時段初、末水庫蓄水量，m3。

——計算時段長度，s；式中：10.2.2水庫的調(diào)洪計算原理2.水庫的泄流能力(10-2)溢洪道的泄流能力可按堰流公式計算：泄洪洞的泄流能力可按有壓管流公式計算：

(10-3)溢洪道的泄流能力溢洪道堰頂凈寬溢洪道堰上水頭流量系數(shù)泄洪洞的泄流能力流量系數(shù)泄洪洞的出流面積計算水頭10.2.2水庫的調(diào)洪計算原理3.水庫的蓄泄方程借助于水庫容積特性V＝f(Z)，可進(jìn)一步求出水庫下泄流量q與蓄水容積V的關(guān)系，即蓄泄方程：(10-4)PART03水庫調(diào)洪計算10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算10.3.2有閘門控制的水庫調(diào)洪計算10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算為保證正常興利用水的供給，溢洪道堰頂高程與正常蓄水位齊平；（1）興利庫容與防洪庫容不能結(jié)合使用，水庫的汛限水位與正常蓄水位齊平；（2）起調(diào)水位取在堰頂高程處，屬于自由泄流方式。（3）

中小型水庫為了節(jié)省投資、便于管理，溢洪道一般不設(shè)閘門。水庫不設(shè)閘門時，有如下幾個特點(diǎn)：10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算10.3.1.1列表試算法(2)根據(jù)水庫汛期的控制運(yùn)用方式，確定調(diào)洪計算的初始條件；(3)試算法求泄流量q2；(4)將入庫洪水過程Q—t和計算的泄流過程q—t繪在同一張圖上；(5)由qm查蓄泄曲線q—V，可得最高洪水位時的庫容Vm。(1)根據(jù)庫容曲線和擬定的泄流建筑物型式和尺寸；計算步驟10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算例題10-1

某水庫泄流建筑物為無閘溢洪道，堰頂高程與正常蓄水位齊平，均為132m，堰頂凈寬B=40m，流量系數(shù)M1=1.6。該水庫設(shè)有小型水電站，汛期按水輪機(jī)過水能力q電=10m3/s引水發(fā)電，尾水再引入渠首灌溉。水庫的水位容積關(guān)系曲線見表10-1。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇的設(shè)計洪水過程線如表10-4中第(1)、(3)欄所列。用試算法求水庫泄流過程、設(shè)計最大下泄流量、設(shè)計調(diào)洪庫容和設(shè)計洪水位。表10-1水庫水位一容積關(guān)系水位Z(m)116118120122124126128130132134136138庫容V(104m3)0208221041873212121700273036004460488010.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算解：（1）首先繪出Z—V關(guān)系曲線，再計算并繪制水庫的蓄泄曲線q—V。具體算見表10-2。利用表10-2中第(5)、(6)行對應(yīng)值繪制q—V蓄泄曲線，如圖10-4所示。表10-2水庫蓄泄關(guān)系曲線計算庫水位Z(m)(1)132132.5133133.5134134.5135136137溢洪道堰頂水頭H(m)(2)00.511.522.5345溢洪道泄量q溢(m3/s)(3)02264118181253333512716發(fā)電洞泄量q電(m2/s)(4)101010101010101010總泄流量q(m3/s)(5)103274128191263343522726庫容V(104m3)(6)273029803180342036003840406044604880圖10-4水庫q—V蓄泄關(guān)系曲線10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算（2）確定調(diào)洪起始條件。由于水庫溢洪道無閘門控制，因此起調(diào)水位等于汛限水位并與堰頂高程齊平(132m)，相應(yīng)庫容為2730萬m3，初始泄量為發(fā)電流量10m3/s；表10-3某水庫調(diào)洪計算表(部分)時間(h)時段△t(h)Q(m3/s)(m3/s)△t(m3/s)q(m3/s)(m3/s)△t(m3/s)△V(104m3)V(萬m3)Z(m)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)0

0

10

2730132.08810050144.0161337.4106.62837132.2168480290835.213475216.0619.23456133.62488406601900.8510322927.4973.44429135.92847307851130.4640575828.0302.44731136.6302650690496.8660650468.028.84760136.7322560605435.6638649467.3-31.74728136.64083404501296.04905641624.3-328.34400135.8488210275792.03304101180.8-388.84011134.9……………………………………………………

（3）逐時段試算推求泄流過程q—t。試算過程采用列表方式，見表10-3。10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算（4）繪制Q—t與q—t曲線，求最大下泄流量qm。以表10-3中第(1)、(3)、(6)欄相應(yīng)的數(shù)值，繪制Q—t與q—t曲線，如圖10-5所示。圖10-5水庫設(shè)計洪水過程線與下泄流量過程線10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算（5）求設(shè)計調(diào)洪庫容V設(shè)和設(shè)計洪水位Z設(shè)，利用表10-3中第(10)欄各時段末庫容值V，在庫容曲線上查得各時段末的相應(yīng)庫水位Z，即表中第(11)欄。qm=660m3/s的庫容為4760萬m3，減去堰頂高程以下庫容2730萬m3，即為V設(shè)=2030萬m3，而相應(yīng)于4760萬m3的庫水位，即為Z設(shè)=136.7m。10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算10.3.1.2圖解法單輔助線半圖解法方法一輔助線法的基本原理依然是逐時段連續(xù)求解水量平衡方程和蓄泄方程。先將水量平衡方程式(10-1)改寫為：

(10-5)10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算根據(jù)水庫蓄泄方程式(10-5)計算并繪制出輔助曲線，如圖10-6所示。圖10-6某水庫q—單輔助曲線單輔助線表達(dá)式為：

(10-6)10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算雙輔助線圖解法方法二

(10-7)雙輔助線圖解法是將水庫的水量平衡方程(10-1)改寫為：圖10-7雙輔助線示意10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算10.3.1.3簡化三角形法

為避免上述列表試算法或圖解法的麻煩，對于溢洪道無閘的水庫，此時可采用簡化三角形法進(jìn)行調(diào)洪計算。該法假定入庫洪水過程和出庫流量過程均可以概化為三角形，見圖10-8所示。圖10-8簡化三角形圖解法示意10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算入庫洪水總量W為：(10-8)調(diào)洪庫容V洪(陰影面積)為：(10-9)10.3.1無閘門控制的水庫調(diào)洪計算將式(10-8)代入式(10-9)有：(10-10)利用式(10-11)和水庫蓄泄曲線q=f(V)(V采用堰頂以上庫容)，在設(shè)計洪量W和設(shè)計洪峰Qm已知的情況下，可用試算法或圖解法求得未知量qm和V洪。(10-11)1.設(shè)閘的作用10.3.2有閘門控制的水庫調(diào)洪計算

溢洪道設(shè)置閘門，盡管使泄洪設(shè)施的投資增加，操作管理變得復(fù)雜，但可以比較靈活地按需要控制泄流的大小和泄流時間，這將給大中型水庫樞紐的綜合利用帶來巨大好處，故大中型水庫的溢洪道上一般都設(shè)閘門。設(shè)閘的作用主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1)因為有閘溢洪道的堰頂?shù)陀谘聪匏?，故在庫水位相同時，有閘溢洪道的泄流能大于無閘溢洪道的泄流能力；10.3.2有閘門控制的水庫調(diào)洪計算(2)在同樣滿足下游河道允許泄量q允的情況下，如圖10-9(a)所示，有閘的防洪庫容要比無閘的小，從而可減少大壩投資和上游淹沒損失；反之，防洪庫容一定有閘則可使下泄的最大流量減小，圖10-9(b)所示，從而可減輕下游的洪水災(zāi)害；q允一定V防一定圖10-9溢洪道有閘與無閘控制時調(diào)洪情況的比較10.3.2有閘門控制的水庫調(diào)洪計算(3)有閘控制泄流，可以在區(qū)間來水較大時，控制閘門減小水庫下泄量，待區(qū)間洪水減小時，再加大水庫下泄量，使上游洪水和區(qū)間洪水錯開，從而可以有效地削減下游河段的最大流量；(4)在溢洪道設(shè)閘的情況下，正常蓄水位Z正高于汛限水位Z汛，Z汛和Z正之間的庫容作為結(jié)合庫容，在汛期用來防洪，非汛期蓄水興利，這樣可使水庫的總庫容減??；(5)水庫溢洪道設(shè)閘，還便于考慮洪水預(yù)報，提前預(yù)泄并騰空庫容。10.3.2有閘門控制的水庫調(diào)洪計算2.水庫汛期控制運(yùn)用方式水庫汛期控制運(yùn)用方式如下：(1)當(dāng)入庫洪水為相應(yīng)下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時，泄洪開始，起調(diào)水位為Z限，初始階段Q≤q限，(q限限為汛限水位時溢洪道的泄洪能力)，為保持庫水位不變，確保興利要求，應(yīng)控制閘門開度，按q=Q下泄。(2)當(dāng)入庫洪水流量Q繼續(xù)增加，Q>q限時，為保證下游安全的條件下盡快排洪，閘門全部打開自由泄流，此時下泄量仍小于q限。10.3.2有閘門控制的水庫調(diào)洪計算(3)當(dāng)下泄量繼續(xù)增加，達(dá)到下游允許安全泄量q允時，逐漸關(guān)閉閘門控制固定泄流，即使q=q允，達(dá)到最大時即為防洪庫容，相應(yīng)水位即為防洪高水位Z防。(4)當(dāng)入庫洪水為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時，水庫控制運(yùn)用過程開始仍按下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水操作，直到水位達(dá)到Z防為止，此后入庫洪水仍然是Q>q允，庫水位繼續(xù)上漲，應(yīng)以保證大壩本身安全為主，故控制運(yùn)用改為再次閘門全開，轉(zhuǎn)入自由泄流，直至出現(xiàn)最大庫容和最高水位。(5)當(dāng)入庫洪水為校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時，如同前方法一樣，仍按分級調(diào)洪演算。PART04水庫防洪計算10.4.1無閘門控制的水庫防洪計算10.4.2有閘門控制的水庫防洪計算10.4.1無閘門控制的水庫防洪計算10.4.1.1下游無防洪要求防洪計算步驟如下：（1）擬定泄洪建筑物尺寸方案。（3）計算壩頂高程。（2）調(diào)洪計算。求得相應(yīng)的調(diào)洪庫容V設(shè)與V校，最大下泄流量qm設(shè)與qm校，最高洪水位Z設(shè)與Z校；（4）方案比較和選擇。按總投資最小的原則由圖10-10可查得最佳溢洪道寬度Bp，再由圖10-11可查出相應(yīng)的壩頂高程與最大下泄流量。01020304(10-12）10.4.1無閘門控制的水庫防洪計算圖10-10B-SV、B-SD、B-S關(guān)系曲線

圖10-11B-Z壩、B-qm校關(guān)系曲線10.4.1無閘門控制的水庫防洪計算10.4.1.2下游有防洪要求在防洪計算中需要考慮下游安全泄量的要求，分別對樞紐標(biāo)準(zhǔn)與下游防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水進(jìn)行調(diào)洪計算。具本步驟是：假定不同的溢洪道寬度B方案；（1）對每一方案B確定壩高、設(shè)計洪水位與校核洪水位以及相應(yīng)調(diào)洪庫容后，再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，求得經(jīng)濟(jì)上合理或最佳的B方案。（3）對下游防洪標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計洪水進(jìn)行調(diào)洪計算，求得B與qm的關(guān)系，舍去qm超