第10章 水库防洪调节计算

水库防洪调节计算第章10教学内容1、水库防洪计算基本内容；2、水库的调洪作用和计算原理；3、水库防洪标准和有关特征值选择；4、水库调洪计算。教学要求了解水库调洪作用和计算原理，掌握水库的库容与下泄流量关系曲线的计算与绘制；掌握无闸门控制水库调洪计算的列表试算法、半图解法；掌握小型水库调洪计算的简化三角形法。CONTENTS目录01水库防洪计算基本内容02水库的调洪作用和计算原理03水库调洪计算04水库防洪计算PART01水库防洪计算基本内容10.1水库防洪计算基本内容10.1水库防洪计算基本内容防洪任务通过设置蓄洪库容和泄洪措施保护水库不受洪水漫顶的威胁；一是通过设置防洪库容调节洪水，减轻或免除对下游的威胁。二是10.1水库防洪计算基本内容水库防洪调节计算的主要内容包括水库调洪计算和水库防洪计算。调洪计算目的是在已拟定泄洪建筑物型式和尺寸的条件下，根据各种标准的设计洪水，遵循水库汛期的控制运用规则，计算出水库的泄流过程，确定最大泄量、防洪水位及防洪库容。目的是在调洪计算的基础上，主要是对各种拟定的防洪方案进行比较，以期选择最佳的泄流方案。防洪计算PART02水库的调洪作用和计算原理10.2.1水库的调洪作用10.2.2水库的调洪计算原理10.2.1水库的调洪作用1.溢洪道无闸门控制

无闸门控制的开敞式溢洪道具有结构简单，造价低，操作方便等特点，常用于小型水库。图10-1溢洪道无闸控制的调洪作用(Z汛=Z堰)水库对洪水的调节过程分为三个阶段：（1）to为起调时刻，起调水位Z=Z汛=Z堰，下泄量q=0；（2）在t0~t2时刻，Q>q，水库始终处于蓄水状态。至t2时刻，Q=q，水库达到最高水位Zm与最大蓄水量V洪，下泄量也达到最大qm；（3）t2时刻以后，Q<q，前一段暂蓄的洪水逐渐下泄。至t4时刻，库水位回到堰顶高程，调洪过程结束。入库洪水过程下泄洪水过程库水位变化过程10.2.1水库的调洪作用图10-2溢洪道无闸控制的调洪作用(Z汛<Z堰)如果洪水入库时Z汛<Z堰，如图10-2所示，水位则需先充蓄至堰顶高程，其后溢洪道才开始泄流，开始泄流后的调洪过程与前相同。入库洪水过程下泄洪水过程库水位变化过程10.2.1水库的调洪作用2.溢洪道有闸门控制图10-3溢洪道设闸门控制的调洪作用（1）在t=t0时刻，起调水位Z=Z汛，Z汛>Z堰，下泄量q=0。（2）在t0~t1时段，q=Q，汛限水位。ab段为控制泄流阶段。至t1时刻闸门已完全开启，溢洪道自由泄流。（3）在t1~t2时段，Q>q，蓄水状态，直至t2时刻q=q允。bc段为自由泄流。（4）在t2~t3时段，q=q允，cd段为控制泄流。（5）在t3~t4时段，到t3时刻为防洪库容V防，防洪高水位Z防。t3时刻以后，闸门开度又逐渐加大，迎接下次洪水。水库对洪水的调节过程分为以下五个阶段：

结论：由有无闸门调洪过程知水库的调洪作用表现在：通过对入库洪水的蓄、泄，出库洪水过程相对于入库洪水过程变得更为平缓，洪水历时拉长，洪峰流量减小。10.2.1水库的调洪作用10.2.2水库的调洪计算原理1.水库的水量平衡方程水库调洪计算的基本公式是水量平衡方程式：(10-1)——t时段初、末的入库流量，m3/s；——t时段初、末的出库流量，m3/s；——t时段初、末水库蓄水量，m3。

——计算时段长度，s；式中：10.2.2水库的调洪计算原理2.水库的泄流能力(10-2)溢洪道的泄流能力可按堰流公式计算：泄洪洞的泄流能力可按有压管流公式计算：

(10-3)溢洪道的泄流能力溢洪道堰顶净宽溢洪道堰上水头流量系数泄洪洞的泄流能力流量系数泄洪洞的出流面积计算水头10.2.2水库的调洪计算原理3.水库的蓄泄方程借助于水库容积特性V＝f(Z)，可进一步求出水库下泄流量q与蓄水容积V的关系，即蓄泄方程：(10-4)PART03水库调洪计算10.3.1无闸门控制的水库调洪计算10.3.2有闸门控制的水库调洪计算10.3.1无闸门控制的水库调洪计算为保证正常兴利用水的供给，溢洪道堰顶高程与正常蓄水位齐平；（1）兴利库容与防洪库容不能结合使用，水库的汛限水位与正常蓄水位齐平；（2）起调水位取在堰顶高程处，属于自由泄流方式。（3）

中小型水库为了节省投资、便于管理，溢洪道一般不设闸门。水库不设闸门时，有如下几个特点：10.3.1无闸门控制的水库调洪计算10.3.1.1列表试算法(2)根据水库汛期的控制运用方式，确定调洪计算的初始条件；(3)试算法求泄流量q2；(4)将入库洪水过程Q—t和计算的泄流过程q—t绘在同一张图上；(5)由qm查蓄泄曲线q—V，可得最高洪水位时的库容Vm。(1)根据库容曲线和拟定的泄流建筑物型式和尺寸；计算步骤10.3.1无闸门控制的水库调洪计算例题10-1

某水库泄流建筑物为无闸溢洪道，堰顶高程与正常蓄水位齐平，均为132m，堰顶净宽B=40m，流量系数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=10m3/s引水发电，尾水再引入渠首灌溉。水库的水位容积关系曲线见表10-1。设计标准为百年一遇的设计洪水过程线如表10-4中第(1)、(3)栏所列。用试算法求水库泄流过程、设计最大下泄流量、设计调洪库容和设计洪水位。表10-1水库水位一容积关系水位Z(m)116118120122124126128130132134136138库容V(104m3)0208221041873212121700273036004460488010.3.1无闸门控制的水库调洪计算解：（1）首先绘出Z—V关系曲线，再计算并绘制水库的蓄泄曲线q—V。具体算见表10-2。利用表10-2中第(5)、(6)行对应值绘制q—V蓄泄曲线，如图10-4所示。表10-2水库蓄泄关系曲线计算库水位Z(m)(1)132132.5133133.5134134.5135136137溢洪道堰顶水头H(m)(2)00.511.522.5345溢洪道泄量q溢(m3/s)(3)02264118181253333512716发电洞泄量q电(m2/s)(4)101010101010101010总泄流量q(m3/s)(5)103274128191263343522726库容V(104m3)(6)273029803180342036003840406044604880图10-4水库q—V蓄泄关系曲线10.3.1无闸门控制的水库调洪计算（2）确定调洪起始条件。由于水库溢洪道无闸门控制，因此起调水位等于汛限水位并与堰顶高程齐平(132m)，相应库容为2730万m3，初始泄量为发电流量10m3/s；表10-3某水库调洪计算表(部分)时间(h)时段△t(h)Q(m3/s)(m3/s)△t(m3/s)q(m3/s)(m3/s)△t(m3/s)△V(104m3)V(万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）逐时段试算推求泄流过程q—t。试算过程采用列表方式，见表10-3。10.3.1无闸门控制的水库调洪计算（4）绘制Q—t与q—t曲线，求最大下泄流量qm。以表10-3中第(1)、(3)、(6)栏相应的数值，绘制Q—t与q—t曲线，如图10-5所示。图10-5水库设计洪水过程线与下泄流量过程线10.3.1无闸门控制的水库调洪计算（5）求设计调洪库容V设和设计洪水位Z设，利用表10-3中第(10)栏各时段末库容值V，在库容曲线上查得各时段末的相应库水位Z，即表中第(11)栏。qm=660m3/s的库容为4760万m3，减去堰顶高程以下库容2730万m3，即为V设=2030万m3，而相应于4760万m3的库水位，即为Z设=136.7m。10.3.1无闸门控制的水库调洪计算10.3.1.2图解法单辅助线半图解法方法一辅助线法的基本原理依然是逐时段连续求解水量平衡方程和蓄泄方程。先将水量平衡方程式(10-1)改写为：

(10-5)10.3.1无闸门控制的水库调洪计算根据水库蓄泄方程式(10-5)计算并绘制出辅助曲线，如图10-6所示。图10-6某水库q—单辅助曲线单辅助线表达式为：

(10-6)10.3.1无闸门控制的水库调洪计算双辅助线图解法方法二

(10-7)双辅助线图解法是将水库的水量平衡方程(10-1)改写为：图10-7双辅助线示意10.3.1无闸门控制的水库调洪计算10.3.1.3简化三角形法

为避免上述列表试算法或图解法的麻烦，对于溢洪道无闸的水库，此时可采用简化三角形法进行调洪计算。该法假定入库洪水过程和出库流量过程均可以概化为三角形，见图10-8所示。图10-8简化三角形图解法示意10.3.1无闸门控制的水库调洪计算入库洪水总量W为：(10-8)调洪库容V洪(阴影面积)为：(10-9)10.3.1无闸门控制的水库调洪计算将式(10-8)代入式(10-9)有：(10-10)利用式(10-11)和水库蓄泄曲线q=f(V)(V采用堰顶以上库容)，在设计洪量W和设计洪峰Qm已知的情况下，可用试算法或图解法求得未知量qm和V洪。(10-11)1.设闸的作用10.3.2有闸门控制的水库调洪计算

溢洪道设置闸门，尽管使泄洪设施的投资增加，操作管理变得复杂，但可以比较灵活地按需要控制泄流的大小和泄流时间，这将给大中型水库枢纽的综合利用带来巨大好处，故大中型水库的溢洪道上一般都设闸门。设闸的作用主要体现在以下几方面：(1)因为有闸溢洪道的堰顶低于汛限水位，故在库水位相同时，有闸溢洪道的泄流能大于无闸溢洪道的泄流能力；10.3.2有闸门控制的水库调洪计算(2)在同样满足下游河道允许泄量q允的情况下，如图10-9(a)所示，有闸的防洪库容要比无闸的小，从而可减少大坝投资和上游淹没损失；反之，防洪库容一定有闸则可使下泄的最大流量减小，图10-9(b)所示，从而可减轻下游的洪水灾害；q允一定V防一定图10-9溢洪道有闸与无闸控制时调洪情况的比较10.3.2有闸门控制的水库调洪计算(3)有闸控制泄流，可以在区间来水较大时，控制闸门减小水库下泄量，待区间洪水减小时，再加大水库下泄量，使上游洪水和区间洪水错开，从而可以有效地削减下游河段的最大流量；(4)在溢洪道设闸的情况下，正常蓄水位Z正高于汛限水位Z汛，Z汛和Z正之间的库容作为结合库容，在汛期用来防洪，非汛期蓄水兴利，这样可使水库的总库容减小；(5)水库溢洪道设闸，还便于考虑洪水预报，提前预泄并腾空库容。10.3.2有闸门控制的水库调洪计算2.水库汛期控制运用方式水库汛期控制运用方式如下：(1)当入库洪水为相应下游防洪标准洪水时，泄洪开始，起调水位为Z限，初始阶段Q≤q限，(q限限为汛限水位时溢洪道的泄洪能力)，为保持库水位不变，确保兴利要求，应控制闸门开度，按q=Q下泄。(2)当入库洪水流量Q继续增加，Q>q限时，为保证下游安全的条件下尽快排洪，闸门全部打开自由泄流，此时下泄量仍小于q限。10.3.2有闸门控制的水库调洪计算(3)当下泄量继续增加，达到下游允许安全泄量q允时，逐渐关闭闸门控制固定泄流，即使q=q允，达到最大时即为防洪库容，相应水位即为防洪高水位Z防。(4)当入库洪水为设计标准洪水时，水库控制运用过程开始仍按下游防洪标准洪水操作，直到水位达到Z防为止，此后入库洪水仍然是Q>q允，库水位继续上涨，应以保证大坝本身安全为主，故控制运用改为再次闸门全开，转入自由泄流，直至出现最大库容和最高水位。(5)当入库洪水为校核标准洪水时，如同前方法一样，仍按分级调洪演算。PART04水库防洪计算10.4.1无闸门控制的水库防洪计算10.4.2有闸门控制的水库防洪计算10.4.1无闸门控制的水库防洪计算10.4.1.1下游无防洪要求防洪计算步骤如下：（1）拟定泄洪建筑物尺寸方案。（3）计算坝顶高程。（2）调洪计算。求得相应的调洪库容V设与V校，最大下泄流量qm设与qm校，最高洪水位Z设与Z校；（4）方案比较和选择。按总投资最小的原则由图10-10可查得最佳溢洪道宽度Bp，再由图10-11可查出相应的坝顶高程与最大下泄流量。01020304(10-12）10.4.1无闸门控制的水库防洪计算图10-10B-SV、B-SD、B-S关系曲线

图10-11B-Z坝、B-qm校关系曲线10.4.1无闸门控制的水库防洪计算10.4.1.2下游有防洪要求在防洪计算中需要考虑下游安全泄量的要求，分别对枢纽标准与下游防洪标准的洪水进行调洪计算。具本步骤是：假定不同的溢洪道宽度B方案；（1）对每一方案B确定坝高、设计洪水位与校核洪水位以及相应调洪库容后，再进行经济比较，求得经济上合理或最佳的B方案。（3）对下游防洪标准的设计洪水进行调洪计算，求得B与qm的关系，舍去qm超