堆龍河梯級氣盾壩防洪聯合調度方案研究

馬 林，丁晶晶，蔡明光

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

0 前 言

江河中梯級水庫的修建改變了河道徑流和洪水特征，上下游水庫首尾相連，水位流量關系紊亂，給水庫安全運行及河道行洪安全帶來很大的挑戰(zhàn)[1]。國內外學者在梯級水庫調度原則[2]、運行方式[3]及模型算法[4-5]等方面做了大量研究，為梯級水庫聯合調度的研究提供了有益借鑒。而堆龍河梯級水閘有其自身特點，一方面，工程中設置的6座梯級水閘形成的庫區(qū)可調庫容很小，且各梯級水閘間距很短，下泄洪水存在洪峰疊加的風險，如果運行不當可能對河道行洪安全造成不利影響。另一方面，梯級水庫各攔水閘采用氣盾壩型式，氣盾壩閘上運行水頭有高度限制，當運行水位超過氣盾壩安全水位時，氣盾壩將自動塌壩，塌壩過程不再可控。這兩方面的影響使得堆龍河梯級水閘防洪調度更具復雜性。為此，擬利用水文大斷面建立一維非恒定流數學模型，模擬各閘不同泄流工況下的河道流量過程，確定各級閘壩塌壩泄洪的最小時間限制，以及各級閘壩開啟的時間順序，進而擬定防洪聯合調度方式，為梯級閘壩的科學運行提供依據。

1 河道一維水流數學模型

本次河道一維水流數學模型計算，采用美國陸軍工程兵團設計的HEC-RAS軟件系統進行，該軟件可以計算恒定流水面線及非恒定流洪水過程。

1.1 一維非恒定水流數學模型

用以描述明渠流水流運動的圣維南方程組體現了水體的質量和動量守恒。由質量守恒可導出連續(xù)性方程，連續(xù)性方程建立了水位上漲率與楔蓄、棱蓄之間的平衡關系。由動量守恒可導出運動方程，建立了慣性力、重力、壓力、摩擦力等之間的平衡關系，基本方程有:

連續(xù)方程

(1)

式中：Q為流量、A為過流面積；q為旁側入流，m3/s。

動量方程

(2)

式中:H為水深；Sf為摩阻坡降，

(3)

式中：K為流量模數，可由曼寧公式算得，即：

(4)

式中:R為水力半徑；A為過流面積；P為濕周；n為曼寧糙率系數。

邊界條件采用上游流量過程線與下游水位流量關系曲線。

1.2 氣盾壩的數值模擬

氣盾壩是由1組盾板、1組氣囊、1排基礎錨固螺栓、1套氣動充排系統組成的新型擋水壩(見圖1)。其中，鋼盾板提供正面擋水；具有充漲功能的氣囊提供對擋水盾板的支撐，實現升壩和降壩。氣盾壩的充排時間短，一般在20～30 min內可完成充壩或降壩，能夠及時避開洪峰的威脅。當壩上水頭超過限定高度時氣盾壩將自動塌壩運行，塌壩過程不受控制，這一個特點須在防洪調度過程中加以考慮。

圖1 氣盾壩構造示意

氣盾壩泄流能力可按堰流基本公式計算:

(5)

式中:Q為流量；B為堰頂寬度；H0為計入行近流速水頭的堰頂水頭；m為流量系數；σ為淹沒系數；ε為側收縮系數；g為重力加速度。

氣盾壩完全充氣擋水時，弧形鋼盾板弦線的傾斜角度(盾板與閘底板之間的夾角，也稱開度)為55°。模型試驗表明，氣盾壩開度小于10°流量系數與寬定堰流量系數接近，可按寬頂堰流計算流量；開度大于10°為薄壁堰流，但流量系數大于一般薄壁堰流量系數。

考慮到氣盾壩的流量系數介于寬頂堰與薄壁堰之間，m取值范圍0.36～0.54。模型試驗不同開啟角度對應的流量系數見表1。

表1 模型試驗氣盾壩不同角度流量系數

根據氣盾壩廠家提供的設計資料，氣盾壩的最快塌壩時間為20 min。氣盾壩的塌壩過程較為復雜，為了簡化計算，本次模擬塌壩過程按照氣盾壩弦線從55°按均勻的角速度進行塌壩，從而計算出塌壩過程中的堰頂高程變化情況，再按堰流公式進行計算。

1.3 模型糙率的取值

本工程糙率率定的時候通過現場洪痕調查，再結合拉薩河糙率及河段上游已建工程綜合確定。結合洪水調查的流量，推算2018年發(fā)生的洪水水面線，以此反推區(qū)間河段的糙率。經洪跡線推算，調查河段區(qū)間糙率在0.038～0.042范圍，基本符合堆龍河山區(qū)性游蕩性河道的河道阻力特性。

1.4 計算范圍

數模計算范圍上起東嘎大橋(新橋)橋面中心線起上游方向約4.23 km處，下至堆龍河河口附近的控制斷面。計算河段總長約6.6 km，共布置水文大斷面44個，平均斷面間距153 m，能控制住河道地形的變化過程。

2 結果與討論

2.1 水閘運行方式和明確閘門開啟臨界流量

梯級水閘蓄滿正常運行過程中，閘上水頭有高度限制。本項目閘壩上游最高水頭限制為0.5 m，根據閘上水頭，采用模型試驗最大擋水高度相應的流量系數0.478，計算得到最高水頭相應的下泄流量，計算成果見表2。

表2 各級閘壩最高水頭下泄流量計算成果

由表2可見，0.5 m水頭對應的泄流能力相對較大，相當分期洪水中5月份10年一遇洪水至50年一遇洪水。當來流大于臨界流量時，開啟閘孔，使得壩上水頭不超過最大允許值。

2.2 塌壩最小時間限制擬定

為避免各梯級水閘下泄洪水疊加而導致的人造洪峰，須為梯級閘壩擬定塌壩放空的最小時間限制。

根據廠家提供的資料，氣盾壩的最小放空時間為20 min。通過一維數學模型計算了塌壩時間20 min、30 min，40 min三種計算工況。計算時上游來流綜合考慮5月、10月來流情況，按為恒定入流考慮，取值Q=20 m3/s。計算的最大人造洪峰計算成果見表3。

由表3可見，按廠家提供的最短塌壩時間，僅堆龍3號壩單獨塌壩即可人造100年一遇的洪峰。考慮到按工程河段兩岸生態(tài)護岸頂高程及各級閘壩消能防沖設施的防洪標準均為20年一遇，故各級閘壩單獨運行時塌壩人造洪峰不宜高于20年一遇的設計洪峰流量Q=425 m3/s。堆龍河2號閘壩均位于鐵路橋的上游，為降低人造洪峰對橋梁基礎的沖刷影響，人造洪峰流量宜低于河段10年一遇設計洪水Q=344 m3/s。

表3 各級閘壩單獨運行人造洪峰流量計算成果

綜上所述，各級閘壩單獨運行時塌壩的最小時間限制分別為:經開1號閘壩20 min、經開2號閘20 min、堆龍1號閘20 min、堆龍2號閘30 min、堆龍3號閘40 min、堆龍4號閘30 min。

2.3 汛前或非汛期突發(fā)事故放空方案

2.3.1 汛前塌壩放空方案

對于梯級閘壩群的運行調度，一般要遵循“先下后上”的順序進行充壩蓄水和塌壩放水。汛前梯級塌壩放空方案的擬定:汛前放空方案由于上游來水較小，為盡量減少人造洪峰影響，并適當簡化方案難度，堆龍河6級閘壩可以全部按40 min塌壩，從下游往上游每級閘壩滯后20 min的方式順序塌壩，放空最上一級堆龍4號閘壩蓄水的時間為140 min。計算表明，各級閘壩滯后20 min可有效避免最上游三座閘壩人造洪峰的疊加，塌壩全過程中最大洪峰流量為堆龍3號壩塌壩人造洪峰363 m3/s。

2.3.2 非主汛期遭遇洪水時梯級水閘下泄方案

在沒有完善水情監(jiān)測預報體系的情況下，可根據最上一級閘壩的閘上水位，通過閘壩泄流曲線確定來流量，擬定一定的分界流量，當流量超過該流量時，按設計洪水開始起漲考慮，進行梯級閘壩的聯合調度。

在非汛期運行時，可設置一定的分界流量，當最上一級來流量超過分界流量時，啟動塌壩方案。

非主汛期設計洪水過程線作為入庫洪水過程控制條件。

分別選取分界流量40 m3/s、60 m3/s、80 m3/s，按訓前塌壩方案進行計算。計算表明，不同分界流量下河段最大洪峰值分別為388 m3/s、414 m3/s、439 m3/s。當分界流量為80 m3/s時，調度過程中的最大洪峰流量超過了河道20年一遇設計洪峰流量，對河道影響相對較大。當分界流量40 m3/s時，由于流量出現頻率相對較高，塌壩方案啟動過于頻繁，不利于河道景觀。綜合考慮，選定分界流量為60 m3/s，約等于非汛期5月(洪水頻率p=20%)分期洪水洪峰流量。

根據5月(洪水頻率p=1%)分期洪水漲水過程線分析，洪水漲水過程為2.5 d。當洪水漲至60 m3/s，洪水漲率約為每小時2 m3/s。如果能在150 min放空水庫，來流僅增至65 m3/s。由于河道洪水漲水過程相對較緩，塌壩方案可采用汛前塌壩相同的方案，即:6級閘壩可以全部按40 min塌壩，從下游往上游每級閘壩滯后20 min的方式順序塌壩。

遭遇其他頻率洪水時，同樣以60 m3/s為分界流量，采用汛前塌壩方案。

因此，擬定正常調度方案:各級閘壩塌壩時間40 min，梯級閘壩從下往上依次滯后20 min開始塌壩，可在140 min完成最上游堆龍4號閘壩庫區(qū)的騰空。本梯級調度方式適用于汛前及遭遇上游洪水時的塌壩放空水庫情況，遭遇洪水時可按來流超過分界流量60 m3/s時啟動的梯級塌壩方案。

2.3.3 非汛期突發(fā)事故放空方案

非汛期突發(fā)事故放空方案的擬定，由于突發(fā)事故要求盡量加快梯級閘壩的放空速度，所以方案的約束條件為：確保河道行洪安全的前提下，使梯級閘壩總的放空時間最短。

為了研究梯級水庫的塌壩間隔時間，擬定了3種計算工況:工況1，梯級水庫同時塌壩，研究洪水疊加情況；工況2，等滯后時間塌壩，從下往上游梯級水庫塌壩依次時間滯后10 min方案；工況3，根據工況2計算的洪水疊加情況，提出變滯后時間塌壩方案:從0 min經開1號閘壩塌壩，到第10 min經開2號閘、堆龍1號閘、堆龍2號閘同時塌壩，到第30 min(滯后20 min)堆龍3號閘開始塌壩，到第50 min(滯后20 min)堆龍4號閘開始塌壩，總塌壩時間80 min。

計算表明，工況1條件下，經開2號閘以上河段人造洪峰全部疊加，形成巨大的單峰洪水過程，洪峰流量高達698 m3/s，遠高于河道設計防洪標準100年一遇洪峰流量618 m3/s，工況1塌壩方案無法滿足河道行洪安全的要求。

工況2條件下，經開2號閘壩、堆龍1號閘壩、堆龍2號閘壩之間有較大的低流量段，可以取消滯后時間，堆龍2號閘壩、堆龍3號閘壩、堆龍4號閘壩之間滯后10 min仍然不夠，洪峰疊加后達到571 m3/s，宜進一步優(yōu)化增加滯后時間。堆龍河6級閘壩按工況3提出的變滯后時間進行聯合調度后，上游幾級閘壩的較大的人造洪峰均未疊加，經開1號閘最大流量402 m3/s，其他閘壩控制斷面最大流量397 m3/s，小于河道生態(tài)護岸及閘壩消能防沖的防洪標準，更遠小于河段堤防與橋梁的設計標準，且方案總的放空時間相對較短(80 min)，可以滿足應急放空水庫的需求。

因此，擬定應急調度方案。各級閘壩單獨運行時塌壩的最小時間限制分別為:經開1號閘壩、經開2號閘、堆龍1號閘等3座閘壩20 min、堆龍2號閘、堆龍4號閘兩座閘為30 min、堆龍3號閘40 min。各級閘壩從0 min經開1號閘壩塌壩，10 min后經開2號閘、堆龍1號閘、堆龍2號閘同時塌壩，到第30 min(滯后20 min)堆龍3號閘壩開始塌壩，到第50 min(滯后20 min)堆龍4號閘壩開始塌壩。堆龍河梯級閘壩非汛期應急塌壩騰空最上一級水庫需要的總時間約80 min。本調度方案適用于當遭遇污染水體突然大量入庫，部分閘段突然損壞等突然事故需要放空水閘時，且此時上游來流量較小且無明顯漲勢的情況。

3 結 語

利用一維非恒定流數學模型，對堆龍河梯級水閘的聯合調度方式進行了研究，確定各級閘壩塌壩泄洪的最小時間限制，以及各級閘壩開啟的時間順序，擬定了堆龍河梯級閘壩的正常調度和應急調度兩種調度方式。根據擬定的梯級水閘防洪調度方案，建議在工程河段上游，選擇適合建立水文站的位置，建立水情測站，觀測降雨、水位、流量等數據，用作堆龍河梯級閘壩運行管理的報汛站。