馬 林，丁晶晶，蔡明光

(中國(guó)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(jí)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(guān)系紊亂，給水庫安全運(yùn)行及河道行洪安全帶來很大的挑戰(zhàn)[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在梯級(jí)水庫調(diào)度原則[2]、運(yùn)行方式[3]及模型算法[4-5]等方面做了大量研究，為梯級(jí)水庫聯(lián)合調(diào)度的研究提供了有益借鑒。而堆龍河梯級(jí)水閘有其自身特點(diǎn)，一方面，工程中設(shè)置的6座梯級(jí)水閘形成的庫區(qū)可調(diào)庫容很小，且各梯級(jí)水閘間距很短，下泄洪水存在洪峰疊加的風(fēng)險(xiǎn)，如果運(yùn)行不當(dāng)可能對(duì)河道行洪安全造成不利影響。另一方面，梯級(jí)水庫各攔水閘采用氣盾壩型式，氣盾壩閘上運(yùn)行水頭有高度限制，當(dāng)運(yùn)行水位超過氣盾壩安全水位時(shí)，氣盾壩將自動(dòng)塌壩，塌壩過程不再可控。這兩方面的影響使得堆龍河梯級(jí)水閘防洪調(diào)度更具復(fù)雜性。為此，擬利用水文大斷面建立一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，模擬各閘不同泄流工況下的河道流量過程，確定各級(jí)閘壩塌壩泄洪的最小時(shí)間限制，以及各級(jí)閘壩開啟的時(shí)間順序，進(jìn)而擬定防洪聯(lián)合調(diào)度方式，為梯級(jí)閘壩的科學(xué)運(yùn)行提供依據(jù)。

1 河道一維水流數(shù)學(xué)模型

本次河道一維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算，采用美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)設(shè)計(jì)的HEC-RAS軟件系統(tǒng)進(jìn)行，該軟件可以計(jì)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(shù)學(xué)模型

用以描述明渠流水流運(yùn)動(dòng)的圣維南方程組體現(xiàn)了水體的質(zhì)量和動(dòng)量守恒。由質(zhì)量守恒可導(dǎo)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(guān)系。由動(dòng)量守恒可導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程，建立了慣性力、重力、壓力、摩擦力等之間的平衡關(guān)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(cè)入流，m3/s。

動(dòng)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(shù)，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(shù)。

邊界條件采用上游流量過程線與下游水位流量關(guān)系曲線。

1.2 氣盾壩的數(shù)值模擬

氣盾壩是由1組盾板、1組氣囊、1排基礎(chǔ)錨固螺栓、1套氣動(dòng)充排系統(tǒng)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(duì)擋水盾板的支撐，實(shí)現(xiàn)升壩和降壩。氣盾壩的充排時(shí)間短，一般在20～30 min內(nèi)可完成充壩或降壩，能夠及時(shí)避開洪峰的威脅。當(dāng)壩上水頭超過限定高度時(shí)氣盾壩將自動(dòng)塌壩運(yùn)行，塌壩過程不受控制，這一個(gè)特點(diǎn)須在防洪調(diào)度過程中加以考慮。

圖1 氣盾壩構(gòu)造示意

氣盾壩泄流能力可按堰流基本公式計(jì)算:

(5)

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

氣盾壩完全充氣擋水時(shí)，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(yàn)表明，氣盾壩開度小于10°流量系數(shù)與寬定堰流量系數(shù)接近，可按寬頂堰流計(jì)算流量；開度大于10°為薄壁堰流，但流量系數(shù)大于一般薄壁堰流量系數(shù)。

考慮到氣盾壩的流量系數(shù)介于寬頂堰與薄壁堰之間，m取值范圍0.36～0.54。模型試驗(yàn)不同開啟角度對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)見表1。

表1 模型試驗(yàn)氣盾壩不同角度流量系數(shù)

根據(jù)氣盾壩廠家提供的設(shè)計(jì)資料，氣盾壩的最快塌壩時(shí)間為20 min。氣盾壩的塌壩過程較為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)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(jìn)行塌壩，從而計(jì)算出塌壩過程中的堰頂高程變化情況，再按堰流公式進(jìn)行計(jì)算。

1.3 模型糙率的取值

本工程糙率率定的時(shí)候通過現(xiàn)場(chǎng)洪痕調(diào)查，再結(jié)合拉薩河糙率及河段上游已建工程綜合確定。結(jié)合洪水調(diào)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(jīng)洪跡線推算，調(diào)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(jì)算范圍

數(shù)模計(jì)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(jì)算河段總長(zhǎng)約6.6 km，共布置水文大斷面44個(gè)，平均斷面間距153 m，能控制住河道地形的變化過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 水閘運(yùn)行方式和明確閘門開啟臨界流量

梯級(jí)水閘蓄滿正常運(yùn)行過程中，閘上水頭有高度限制。本項(xiàng)目閘壩上游最高水頭限制為0.5 m，根據(jù)閘上水頭，采用模型試驗(yàn)最大擋水高度相應(yīng)的流量系數(shù)0.478，計(jì)算得到最高水頭相應(yīng)的下泄流量，計(jì)算成果見表2。

表2 各級(jí)閘壩最高水頭下泄流量計(jì)算成果

由表2可見，0.5 m水頭對(duì)應(yīng)的泄流能力相對(duì)較大，相當(dāng)分期洪水中5月份10年一遇洪水至50年一遇洪水。當(dāng)來流大于臨界流量時(shí)，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(shí)間限制擬定

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

根據(jù)廠家提供的資料，氣盾壩的最小放空時(shí)間為20 min。通過一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算了塌壩時(shí)間20 min、30 min，40 min三種計(jì)算工況。計(jì)算時(shí)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(jì)算的最大人造洪峰計(jì)算成果見表3。

由表3可見，按廠家提供的最短塌壩時(shí)間，僅堆龍3號(hào)壩單獨(dú)塌壩即可人造100年一遇的洪峰?？紤]到按工程河段兩岸生態(tài)護(hù)岸頂高程及各級(jí)閘壩消能防沖設(shè)施的防洪標(biāo)準(zhǔn)均為20年一遇，故各級(jí)閘壩單獨(dú)運(yùn)行時(shí)塌壩人造洪峰不宜高于20年一遇的設(shè)計(jì)洪峰流量Q=425 m3/s。堆龍河2號(hào)閘壩均位于鐵路橋的上游，為降低人造洪峰對(duì)橋梁基礎(chǔ)的沖刷影響，人造洪峰流量宜低于河段10年一遇設(shè)計(jì)洪水Q=344 m3/s。

表3 各級(jí)閘壩單獨(dú)運(yùn)行人造洪峰流量計(jì)算成果

綜上所述，各級(jí)閘壩單獨(dú)運(yùn)行時(shí)塌壩的最小時(shí)間限制分別為:經(jīng)開1號(hào)閘壩20 min、經(jīng)開2號(hào)閘20 min、堆龍1號(hào)閘20 min、堆龍2號(hào)閘30 min、堆龍3號(hào)閘40 min、堆龍4號(hào)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(duì)于梯級(jí)閘壩群的運(yùn)行調(diào)度，一般要遵循“先下后上”的順序進(jìn)行充壩蓄水和塌壩放水。汛前梯級(jí)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(dāng)簡(jiǎn)化方案難度，堆龍河6級(jí)閘壩可以全部按40 min塌壩，從下游往上游每級(jí)閘壩滯后20 min的方式順序塌壩，放空最上一級(jí)堆龍4號(hào)閘壩蓄水的時(shí)間為140 min。計(jì)算表明，各級(jí)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(hào)壩塌壩人造洪峰363 m3/s。

2.3.2 非主汛期遭遇洪水時(shí)梯級(jí)水閘下泄方案

在沒有完善水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)體系的情況下，可根據(jù)最上一級(jí)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(dāng)流量超過該流量時(shí)，按設(shè)計(jì)洪水開始起漲考慮，進(jìn)行梯級(jí)閘壩的聯(lián)合調(diào)度。

在非汛期運(yùn)行時(shí)，可設(shè)置一定的分界流量，當(dāng)最上一級(jí)來流量超過分界流量時(shí)，啟動(dòng)塌壩方案。

非主汛期設(shè)計(jì)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(xùn)前塌壩方案進(jìn)行計(jì)算。計(jì)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(dāng)分界流量為80 m3/s時(shí)，調(diào)度過程中的最大洪峰流量超過了河道20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量，對(duì)河道影響相對(duì)較大。當(dāng)分界流量40 m3/s時(shí)，由于流量出現(xiàn)頻率相對(duì)較高，塌壩方案啟動(dòng)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(jù)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(dāng)洪水漲至60 m3/s，洪水漲率約為每小時(shí)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(duì)較緩，塌壩方案可采用汛前塌壩相同的方案，即:6級(jí)閘壩可以全部按40 min塌壩，從下游往上游每級(jí)閘壩滯后20 min的方式順序塌壩。

遭遇其他頻率洪水時(shí)，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(diào)度方案:各級(jí)閘壩塌壩時(shí)間40 min，梯級(jí)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(hào)閘壩庫區(qū)的騰空。本梯級(jí)調(diào)度方式適用于汛前及遭遇上游洪水時(shí)的塌壩放空水庫情況，遭遇洪水時(shí)可按來流超過分界流量60 m3/s時(shí)啟動(dòng)的梯級(jí)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(jí)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(jí)閘壩總的放空時(shí)間最短。

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

計(jì)算表明，工況1條件下，經(jīng)開2號(hào)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(dá)698 m3/s，遠(yuǎn)高于河道設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)開2號(hào)閘壩、堆龍1號(hào)閘壩、堆龍2號(hào)閘壩之間有較大的低流量段，可以取消滯后時(shí)間，堆龍2號(hào)閘壩、堆龍3號(hào)閘壩、堆龍4號(hào)閘壩之間滯后10 min仍然不夠，洪峰疊加后達(dá)到571 m3/s，宜進(jìn)一步優(yōu)化增加滯后時(shí)間。堆龍河6級(jí)閘壩按工況3提出的變滯后時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度后，上游幾級(jí)閘壩的較大的人造洪峰均未疊加，經(jīng)開1號(hào)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(hù)岸及閘壩消能防沖的防洪標(biāo)準(zhǔn)，更遠(yuǎn)小于河段堤防與橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且方案總的放空時(shí)間相對(duì)較短(80 min)，可以滿足應(yīng)急放空水庫的需求。

因此，擬定應(yīng)急調(diào)度方案。各級(jí)閘壩單獨(dú)運(yùn)行時(shí)塌壩的最小時(shí)間限制分別為:經(jīng)開1號(hào)閘壩、經(jīng)開2號(hào)閘、堆龍1號(hào)閘等3座閘壩20 min、堆龍2號(hào)閘、堆龍4號(hào)閘兩座閘為30 min、堆龍3號(hào)閘40 min。各級(jí)閘壩從0 min經(jīng)開1號(hào)閘壩塌壩，10 min后經(jīng)開2號(hào)閘、堆龍1號(hào)閘、堆龍2號(hào)閘同時(shí)塌壩，到第30 min(滯后20 min)堆龍3號(hào)閘壩開始塌壩，到第50 min(滯后20 min)堆龍4號(hào)閘壩開始塌壩。堆龍河梯級(jí)閘壩非汛期應(yīng)急塌壩騰空最上一級(jí)水庫需要的總時(shí)間約80 min。本調(diào)度方案適用于當(dāng)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(shí)，且此時(shí)上游來流量較小且無明顯漲勢(shì)的情況。

3 結(jié) 語

利用一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，對(duì)堆龍河梯級(jí)水閘的聯(lián)合調(diào)度方式進(jìn)行了研究，確定各級(jí)閘壩塌壩泄洪的最小時(shí)間限制，以及各級(jí)閘壩開啟的時(shí)間順序，擬定了堆龍河梯級(jí)閘壩的正常調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度兩種調(diào)度方式。根據(jù)擬定的梯級(jí)水閘防洪調(diào)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(cè)站，觀測(cè)降雨、水位、流量等數(shù)據(jù)，用作堆龍河梯級(jí)閘壩運(yùn)行管理的報(bào)汛站。