基于壩前水位的大伙房水庫(kù)第二溢洪道啟用條件研究

王 萍

(桓仁縣水務(wù)局，遼寧 本溪 117022)

1 工程背景

大伙房水庫(kù)是遼寧省北部渾河干流上的一座以防洪和供水為主，兼有其他諸多功能的大型水利樞紐工程。水庫(kù)與下游的河道的堤防相互配合，共同構(gòu)成渾河中下游的防洪體系，可以為下游的600萬 余人和15.6萬hm2農(nóng)田提供有效的保護(hù)[1]。同時(shí)，大伙房水庫(kù)又是下游的撫順和沈陽(yáng)兩市的重要水源地水庫(kù)，對(duì)下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用和意義[2]。1995年，渾河流域遭受了特大暴雨的襲擊，經(jīng)過復(fù)核，大伙房水庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)已不能達(dá)標(biāo)，由原來的1 000年一遇降低為300年一遇。基于此，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固和新建第二溢洪道相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，提高水庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。新建的第二溢洪道主要承擔(dān)水庫(kù)的加泄水量。該溢洪道位于主溢洪道右側(cè)兩低山之間的U型山谷的上游，為直泄式溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，堰體總寬為102.2 m，溢流凈寬為84.0 m，堰頂高程為125.0 m。溢洪道的控制段長(zhǎng)為32.88 m，收縮段長(zhǎng)158.42 m，陡槽段長(zhǎng)130.25 m，建筑物的級(jí)別為Ⅰ級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按照千年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按照可能最大洪水校核。由于特大洪水發(fā)生頻率較小，屬于稀遇性實(shí)踐，因此水庫(kù)的第二溢洪道作為水庫(kù)的非常溢洪道在應(yīng)用方面可供借鑒的實(shí)例并不多，因此在運(yùn)用方面會(huì)面臨水文條件、起調(diào)水位等較多的不確定性，而這些不確定性因素的存在，必然會(huì)增加水庫(kù)的防洪調(diào)度方面的風(fēng)險(xiǎn)[3]?；诖?，研究針對(duì)不同的啟用情境，對(duì)第二溢洪道的啟用指標(biāo)進(jìn)行量化研究，保證水庫(kù)在遭遇特大洪水襲擊的情況下，能夠及時(shí)啟用第二溢洪道，降低水庫(kù)調(diào)度方面的風(fēng)險(xiǎn)。

2 第二溢洪道啟用水位計(jì)算

2.1 計(jì)算原理與思路

根據(jù)研究目的，認(rèn)為大伙房水庫(kù)第二溢洪道的啟用水位指的是其參與泄洪的最低水位[4]。在計(jì)算過程中首先結(jié)合水庫(kù)以防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)控制為前提的可接受洪水過程，確定遭遇特大洪水襲擊條件下第二溢洪道的啟用水位，并結(jié)合典型洪水過程的計(jì)算，驗(yàn)證其科學(xué)性和合理性[5]。具體的計(jì)算步驟如下：

首先，以王麗學(xué)等[6]的研究成果為借鑒，結(jié)合大伙房水庫(kù)實(shí)際情況，對(duì)基于防洪風(fēng)險(xiǎn)防控的可接受洪水過程進(jìn)行推求，分析獲取第二溢洪道不參與泄洪條件下的壩前水位，并將其作為第二溢洪道的啟用水位。然后結(jié)合典型洪水過程的分析計(jì)算第二溢洪道未參與和參與泄洪兩種不同工況下的壩前水位，經(jīng)過數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證第二溢洪道啟用的科學(xué)性與有效性[7]。

在此次研究中，采用水庫(kù)調(diào)度和洪水過程分析相結(jié)合的方式[8]，利用公式(1)確定第二溢洪道的啟用水位。

(1)

式中：ΔW為時(shí)段洪量，m3；Qt+1為t+1時(shí)段泄流量，m3/s；Qt為t時(shí)段泄流量，m3/s；Δt為時(shí)段間隔，s；qt+1為t+1時(shí)段入庫(kù)流量，m3/s；qt為t時(shí)段入庫(kù)流量，m3/s。

2.2 不開啟第二溢洪道計(jì)算結(jié)果

研究中以萬年一遇洪水過程為例，進(jìn)行大伙房水庫(kù)的調(diào)洪計(jì)算，獲取第二溢洪道不參與泄洪的大壩壩前最高水位，入庫(kù)的洪峰流量為15 100 m3/s，計(jì)算時(shí)間為8月15日0時(shí)。由于大伙房水庫(kù)在汛期和非汛期的調(diào)度原則不同，因此研究中按照汛期和非汛期兩種不同的調(diào)度方式進(jìn)行研究。其中，汛期的起調(diào)水位為126.5 m，非汛期的起調(diào)水位為128.5 m。具體的計(jì)算結(jié)果如下：

(1)起調(diào)水位為126.5 m。按照上節(jié)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖1～圖2所示。由圖中的計(jì)算結(jié)果可以看出，第二溢洪道不參與泄洪情況下的壩前最高水位為137.07 m。

圖1 起調(diào)水位為126.5 m計(jì)算結(jié)果1

圖2 起調(diào)水位為126.5 m計(jì)算結(jié)果2

(2)起調(diào)水位為128.5 m。按照上節(jié)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3～圖4所示。由圖中的計(jì)算結(jié)果可以看出，第二溢洪道不參與泄洪情況下的壩前最高水位為136.34 m。

圖3 起調(diào)水位為128.5 m計(jì)算結(jié)果1

圖4 起調(diào)水位為128.5 m計(jì)算結(jié)果2

綜合上述計(jì)算結(jié)果，當(dāng)起調(diào)水位為126.5 m時(shí)，第二溢洪道啟用的壩前水位高度應(yīng)該是137.07 m；當(dāng)起調(diào)水位為128.5 m時(shí)，第二溢洪道啟用的壩前水位高度應(yīng)該是136.34 m。

2.3 開啟第二溢洪道計(jì)算結(jié)果

按照上節(jié)的計(jì)算原理和方法，對(duì)第二溢洪道參與泄洪條件下的調(diào)洪過程進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如表1所示。由此可見，當(dāng)大伙房水庫(kù)遭遇萬年一遇洪水侵襲的情況下，開啟第二溢洪道可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壩前水位的有效控制。

表1 第二溢洪道是否參與泄洪的壩前最高水位計(jì)算結(jié)果 m

2.4 典型超標(biāo)洪水計(jì)算結(jié)果

按照上文的計(jì)算思路和方法對(duì)超標(biāo)洪水工況下的調(diào)度過程進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程中的起調(diào)水位為126.5 m和128.5 m不變，超標(biāo)洪水的入庫(kù)的洪峰流量為20 300 m3/s。計(jì)算結(jié)果如表2所示。由此可見，當(dāng)大伙房水庫(kù)遭遇典型超標(biāo)洪水侵襲的情況下，開啟第二溢洪道可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壩前水位的有效控制。

表2 典型超標(biāo)洪水計(jì)算結(jié)果 m

3 第二溢洪道啟用條件推薦方案

研究中針對(duì)大伙房水庫(kù)可能遭遇的萬年一遇洪水和超標(biāo)洪水過程，結(jié)合汛期和非汛期兩種不同調(diào)度方案下的起調(diào)水位，經(jīng)過調(diào)度計(jì)算獲得不同調(diào)度情境下的第二溢洪道啟用的壩前水位。在不同的計(jì)算情景下，第二溢洪道的啟用水位均為水庫(kù)的底線水位，可以結(jié)合工程的具體實(shí)際，以提前啟用第二溢洪道，保證水庫(kù)的泄洪安全。由于此次研究的主要目標(biāo)是防范水庫(kù)的調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)，因此僅從防洪調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)控制視角研究和確定第二溢洪道啟用方案。

針對(duì)萬年一遇洪水過程，如果起調(diào)水位為126.5 m，當(dāng)水位高度超過137.07 m，且水位仍明顯上漲時(shí)即可啟用第二溢洪道，可以將最高水位控制在137.63 m以下；如果起調(diào)水位為128.5 m，當(dāng)水位高度超過136.34 m，且水位仍明顯上漲時(shí)即可啟用第二溢洪道，可以將最高水位控制在137.15 m以下。

針對(duì)典型超標(biāo)洪水過程，如果起調(diào)水位為126.5 m，當(dāng)水位高度超過139.69 m，且水位仍明顯上漲時(shí)即可啟用第二溢洪道，可以將最高水位控制在139.99以下；如果起調(diào)水位為128.5 m，當(dāng)水位高度超過139.32 m，且水位仍明顯上漲時(shí)即可啟用第二溢洪道，可以將最高水位控制在139.65 m以下。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次研究以遼寧省大伙房水庫(kù)為例，對(duì)不同情景下的第二溢洪道啟用條件進(jìn)行研究，提出了不同調(diào)度情景下第二溢洪道啟用的壩前水位條件。計(jì)算結(jié)果顯示，第二溢洪道的啟用水位具有科學(xué)性和合理性，可以為大伙房水庫(kù)非常條件下的調(diào)度提供必要的支持和借鑒。當(dāng)然，此次研究也有一些不足之處，主要是研究過程中僅考慮了溢洪道的泄流能力，而沒有對(duì)下游河道的洪水承載能力進(jìn)行計(jì)算和分析，在今后研究中，需要綜合考慮下游河道的承載力和第二溢洪道的泄流能力，獲得更為科學(xué)的第二溢洪道啟用條件。