某江水利樞紐堆石壩工程洪水調(diào)節(jié)計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1871某江水利樞紐堆石壩工程洪水調(diào)節(jié)計算過程案例 1157641.1調(diào)洪演算的方法及原理 1141381.1.1洪水調(diào)洪演算原理 1290171.1.2洪水調(diào)洪演算方法 362611.2洪水標(biāo)準(zhǔn)分析 36811.3泄水建筑的型式選擇 3178231.4計算成果 5188401.5成果分析 61.1調(diào)洪演算的方法及原理1.1.1洪水調(diào)洪演算原理洪水在水庫中，水庫沿程的水位、流量、過水?dāng)嗝?、流速等均隨時間而變化，其流態(tài)屬于明渠非恒定流。根據(jù)水力學(xué)基本方程，可以得到以下公式：連續(xù)性方程：（4-1）運動方程：（4-2）式中：—過水?dāng)嗝婷娣e（m2）—時間（s）—流量（m3/s）—沿水流方向距離（m）—重力加速度（m/s2）—斷面平均流速（m/s）—流量系數(shù)（m3/s）通常可以采用簡化方法來求解微分方程，通過有限差量來代替微分變量，并進(jìn)一步簡化，就可以近似求解某時刻水流的瞬時流態(tài)。瞬時流態(tài)法將式（4-1）進(jìn)行簡化而得出的基本公式，從而可以再通過水庫庫容的特有關(guān)系簡化基本公式，得出用于調(diào)洪演算的實用公式：（4-3）式中：，—計算時段初、末的入庫流量（m3/s）—計算時段中的平均入庫流量（m3/s），—計算時段初、末的下泄流量（m3/s）—計算時段中的平均下泄流量（m3/s），—計算時段初、末水庫的蓄水量（m3）—與之差—計算時段經(jīng)過簡化后得到的公式（4-3）為一個表達(dá)水量平衡的方程式，可以理解為在某兩個時刻之間水庫的水量和下泄水量的差值就是這兩個時段內(nèi)水庫水量的變化。由于公式進(jìn)行了簡化，忽略了洪水入庫到達(dá)泄洪建筑的時間，同時還忽略了入庫水流流速的變化對庫容的影響，這也是該簡化公式存在的局限性。由于已知入庫洪水的洪水過程線，則Q1，Q2，Q平均均為已知，而V1，q1則成為計算時段開始時的初始條件。于是，式（4-3）中的未知數(shù)僅剩下V2，q2，當(dāng)求出前一時間段的V2，q2后，則所求得的V2，q2即成為后一時段的V1，q1值，迭代該過程即可完成整個洪水過程的計算。但是僅僅用一個方程是不可能求出唯一的V2，q2值的，至少兩個方程才能解出兩個未知數(shù)，因此必須再有一個方程，q2=f（V2），與式（4-3）聯(lián)立，才可以解出V2，q2，忽略其他部門所需的引水流量，則下泄流量q是泄水建筑物泄流水頭的函數(shù)，而當(dāng)泄水建筑物的型式，尺寸等已確定時，即為堰流或孔流：（4-4）式中：—系數(shù)，與泄水建筑物的型式、尺寸。閘孔開度及淹沒系數(shù)有關(guān)?！笖?shù)，對于堰流一般等于3/2，對于閘孔出流一般=1/2由水力學(xué)公式可知，若確定了過流方式和其他過流參數(shù)則與q的關(guān)系曲線可求。如果泄流為堰流則為水庫上游水位與溢流堰堰頂高程之間的差；如果泄流為閘孔出流即為水庫上游水位與閘孔中心線的高程之差。由此可以根據(jù)通過水力學(xué)公式計算出的與q的關(guān)系曲線，進(jìn)一步求出與q的關(guān)系曲線q=f()，同時，由水庫上游水位Z，又可以通過查水庫水位與庫容關(guān)系曲線=f()，得到其對應(yīng)的水庫水量容積，則式（4-4）可用下泄流量q與庫容的關(guān)系曲線代替，即q=f()，與式（4-3）聯(lián)立方程組，求出所需要的V2，q2。當(dāng)洪水來臨時，水庫往往要承擔(dān)起下游的防洪任務(wù)，這時就要求下泄流量q不大于下游允許的最大下泄流量qmax，要通過升降閘門來控制流量q，但在計算時計算的原理和公式都跟上述相同，在此不再贅述。在本設(shè)計中采用正槽溢洪道作為該設(shè)計的基本泄水建筑物。泄流時水流從堰上過水，為堰流，因此采用水力學(xué)公式q=AH3/2。由此公式即可以得到設(shè)計洪水位、校核洪水位時下泄流量和上游水位的關(guān)系，從而進(jìn)一步查水位庫容曲線得到下泄流量和庫容的關(guān)系，由于前面已知下泄流量與水頭之間的關(guān)系，通過不斷假設(shè)下泄流量q，可利用洪水過程線進(jìn)行試算求出水庫蓄水量，再通過=f()可查出對應(yīng)的水位，從而得到q=f()曲線，通過兩條q—Z曲線最終即能求得所需的設(shè)計洪水位、校核洪水位以及最大下泄流量。1.1.2洪水調(diào)洪演算方法進(jìn)行調(diào)洪演算計算的方法有很多，其中包括：列表法，半圖解法。在本設(shè)計中采用的是列表試算法。1.2洪水標(biāo)準(zhǔn)分析設(shè)計情況，采用50年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)。P=2%的洪峰流量為361.5m3/s，三日洪量為965萬m3。校核情況，采用千年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)。P=0.1%洪峰流量為551.5m3/s，三日洪量為1569萬m3。1.3泄水建筑的型式選擇在水利工程中，由于存在擋水建筑物雍高水位，因此總要有必要的泄水建筑物來降低水位，降低洪峰。常見的泄水建筑物有河岸溢洪道、導(dǎo)流隧洞，以及河床段的溢流壩、溢流孔等。由于本設(shè)計采用的為混凝土面板堆石壩（具體見5.3節(jié)），由于土石壩一般不允許壩體過流，因此一般不采用河床泄流方案，即不設(shè)置溢流壩段和泄流閘孔。因此根據(jù)壩區(qū)的地形地質(zhì)條件泄水隧洞布置得一般原則是：地質(zhì)條件好，路線短，水流通暢，與樞紐其他建筑物無相互干擾無不良影響。隧洞洞軸線宜選擇在沿線地質(zhì)構(gòu)造相對簡單、巖體相對完整穩(wěn)定、圍巖巖性堅硬、其上覆蓋巖體厚度大，水文地質(zhì)條件有利和施工方便的地段。在隧洞開挖時應(yīng)避開圍巖破碎、地下水位高或滲水量很大的巖層以及可能坍塌的不穩(wěn)定地帶，同時防止洞身離地表太淺。由于本工程壩址區(qū)地處華夏系及新華夏系構(gòu)造復(fù)合部位，壩址斷層裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖層坍塌和撓曲常見。在前期準(zhǔn)備階段，在壩址區(qū)進(jìn)行了壩區(qū)巖石透水性及相對不透水層先導(dǎo)孔壓水實驗，實驗得到左岸相對不透水層埋深10~24m，左岸上層透水層q值為6.7~196.7Lu，大者達(dá)到341.7Lu，屬中等嚴(yán)重透水層。由于本工程最大壩高52.5m，正常蓄水位276.5m，水位對于山體來說相對較高，由于其相對不透水層埋深很大，地質(zhì)條件較差，因此要布置隧洞的話，隧洞要挖在相對不透水層以下，這就會延長隧洞的長度，同時加大開挖難度和工程量，所以不宜布置泄洪隧洞。溢洪道一般布置在河岸，分為正常溢洪道和非常溢洪道，非常溢洪道由于存在自潰的特性，因此在此不作討論亦不進(jìn)行布置。正常溢洪道的位置可以布置在攔河壩的壩肩，也可以布置在離壩體較遠(yuǎn)的適宜泄水的位置，具體位置應(yīng)按地質(zhì)資料確定。同時正常溢洪道也主要分為兩種布置形式，正槽溢洪道和側(cè)槽溢洪道，其中正槽溢洪道其過堰水流方向與下游泄槽軸線方向一致，其水力特性相對較好，受力容易分析；側(cè)槽溢洪道的特點是水流經(jīng)過溢流堰后要進(jìn)行90°的轉(zhuǎn)彎，再經(jīng)過泄槽下泄，由于軸線的轉(zhuǎn)折，就導(dǎo)致側(cè)槽溢洪道的受力條件較為復(fù)雜，在設(shè)計時要進(jìn)行論證分析。溢洪道由于其受到下泄水流的力，因此溢洪道的穩(wěn)定對其尤為重要，更因此溢洪道要布置在堅硬的基巖上，如果只能布置在較差的地基上，要做好防護(hù)和襯砌，有條件的話應(yīng)該遠(yuǎn)離壩體，下泄水流對壩體的穩(wěn)定造成影響。對于堆石壩由于堆石體有著較好的受力能力，較低的彈性模量，因此將溢洪道與堆石壩體相連布置，是可行的。因此，在本設(shè)計中為滿足泄流要求，在結(jié)合了地形地質(zhì)條件后泄水建筑物采用河岸溢洪道。在河岸溢洪道的選擇中，正槽溢洪道由于其水力特性簡單，結(jié)構(gòu)簡單，容易布置，往往是在布置中作為首選，缺點是在某些地形條件下，溢洪道的開挖工程量可能會偏大。側(cè)槽溢洪道的特點在于由于其對過堰水流方向較為寬松，就可以將側(cè)槽溢洪道布置在離壩體較遠(yuǎn)且避免山體較陡的部位，同時由于其布置位置的靈活性，就可以更好的利用地質(zhì)條件來減少開挖工程量，可以通過控制溢流前緣寬度來控制壩頂高程等參數(shù)，其缺點在于受力條件復(fù)雜，如果設(shè)計不慎在工程容易產(chǎn)生高速水流從而產(chǎn)生空化空蝕等水力學(xué)問題。通過地形地質(zhì)的分析，在本設(shè)計中將溢洪道布置在左岸（說明見5.4節(jié))，左岸山體雄厚坡度較陡，本應(yīng)布置側(cè)槽溢洪道來解決該問題，但由于考慮到側(cè)槽溢洪道的水力學(xué)復(fù)雜性，以及可能產(chǎn)生的高速水流和結(jié)構(gòu)問題，在泄流時水流對泄槽的沖刷力度較大，水流現(xiàn)象極為復(fù)雜。由于側(cè)槽溢洪道布置的風(fēng)險相對較大，再加之本工程壩址區(qū)的地質(zhì)條件較差，布置側(cè)槽溢洪道可能會存在隱患，因此本設(shè)計中不采用側(cè)槽溢洪道，此外由于本工程高度較小，即便溢洪道布置在左岸，其開挖工程量相對來說也不會很大，因此采用正槽溢洪道是可行的。綜上所述，結(jié)合本工程的地形、地質(zhì)條件，泄水建筑物采用正槽溢洪道，布置于左岸與壩體相接。1.4計算成果1.1.1調(diào)洪演算過程通過洪水資料，作出設(shè)計情況和校核情況下的洪水過程線；假定堰高、堰寬，確定各情況下的起調(diào)流量：假定不同的下泄流量，由洪水過程線求出庫容，由庫容，查水位—庫容曲線，找出相對應(yīng)的水位，從而，對于每一組情況下可作出一條曲線；根據(jù)公式，又可作出一條曲線；對應(yīng)于每一種情況，可從圖中確定相應(yīng)交點的和值。1.1.2計算公式計算采用公式：（4-6）式中：—側(cè)收縮系數(shù)；—流量系數(shù)，=0.502；—溢流孔口凈寬；—堰上水頭；—閘墩系數(shù)；—邊墩系數(shù)。起調(diào)流量：式中：—堰前水頭。1.1.3計算結(jié)果計算結(jié)果見表4-1：表4-1調(diào)洪方案匯總表方案前緣寬度（m）堰頂高程（m）設(shè)計洪水位（m）設(shè)計流量（m3/s）校核洪水位（m）校核流量（m3/s）1B=7271.5277.30213.21278.64292.622272.5277.95191.9279.03255.823273.5278.34163.03279.45222.594B=8271.5277.02227.05278.44320.445272.5277.69207.15278.85280.086273.5278.24180.92279.27242.857B=9271.5276.81241.4278.26346.58272.5277.46217.6278.68302.719273.5278.15197.87279.12262.8810B=10271.5276.34251.5278.14371.4311272.5277.28228.93278.53321.0412273.5278.03210.93278.99281.491.5成果分析從調(diào)洪演算結(jié)果來看，擬定的方案中有7組能夠滿足下泄流量<300m3/s的要求，從