梯级建设条件下的高坝施工中期防洪度汛方案决策方法

摘要

本发明涉及水利水电工程施工导流方案决策技术，其公开了一种梯级建设条件下的高坝水电工程施工中期防洪度汛方案决策方法，提高下游水电站施工期的安全性。具体步骤为：a.计算上、下游水电站汛前坝体填筑高程；b.判别下游水电站为中期度汛阶段，而上游相邻水电站为初期导流阶段；c.确定下游水电站中期度汛的泄流能力曲线和上游水电站初期导流泄流能力曲线；d.模拟上游水电站土石围堰漫顶溃决过程；e.建立特征频率洪峰流量与下游水电站度汛最高水位的关系曲线；f.根据关系曲线求解设计标准下的下游水电站的中期度汛最高水位，并结合下游水电站坝体汛前填筑高程进行中期防洪度汛方案决策。

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电工程施工导流方案决策技术，特别涉及一种梯级建设条件下的高坝施工中期防洪度汛方案决策方法。

背景技术

高坝大型水电工程的施工导流贯穿建设全过程，其施工中期度汛方案的制定不仅直接关系工程本身和施工人员的安全，而且影响工程的管理、进度、发电等社会经济效益，因此，开展中期度汛方案决策方法研究具有重要理论意义和工程应用价值。

近年来，西南地区诸多流域如雅砻江流域、大渡河流域、金沙江中游流域等的梯级水电站建设持续不断推进，存在比邻梯级水电站同时建设施工的情况。梯级开发过程中，由于比邻梯级水电站开发建设时序的差异，存在上游水电站处于初期围堰挡水阶段，而下游水电站正处于施工中期度汛阶段的情况。此时，下游水电站施工中期度汛标准较上游水电站初期围堰挡水标准更高，而上游水电站可能遭遇超标洪水的情况，若上游水电站围堰漫顶溃决，则会对下游水电站的中期施工度汛造成较大影响。

传统技术中的中期度汛方案决策主要依据水文专业提供的坝址处天然设计洪水资料，并通过水力计算确定防洪挡水位，从而制定防洪度汛方案，此种方法适用于独立电站的建设工程中，由于其未考虑上游溃堰的情况，并不适用于比邻梯级水电站同时建设施工的工况。

因此，本发明有必要提供一种梯级建设条件下的高坝施工中期防洪度汛方案决策方法，提高下游水电站施工期的安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种梯级建设条件下的高坝施工中期防洪度汛方案决策方法，提高下游水电站施工期的安全性。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

梯级建设条件下的高坝施工中期防洪度汛方案决策方法，其包括：

a.计算上、下游水电站汛前坝体填筑高程；

b.判别下游水电站度汛阶段和上游水电站度汛阶段，若下游水电站为中期度汛阶段，上游水电站为初期导流阶段，则进入步骤c；否则放弃；

c.确定中期度汛阶段的泄水建筑物，同时拟合下游水电站中期度汛的泄流能力曲线；选择上游水电站的入库典型施工洪水过程线，拟合上游水电站初期导流的泄流能力曲线；

d.进行上游水电站土石围堰漫顶溃决过程模拟；

e.通过溃决过程模拟，建立特征频率洪峰流量与下游水电站度汛最高水位的关系，并拟合关系曲线；

f.根据关系曲线求解设计标准下的下游水电站的中期度汛最高水位，并结合下游水电站坝体汛前填筑高程进行中期防洪度汛方案决策。

作为进一步优化，步骤a中，首先，专家根据工程经验和现场施工数据给出上、下游水电站坝体最慢填筑上升速度z_min、平均水平填筑上升速度z_av、最快填筑上升速度z_max；然后，根据水文分期洪水资料，判断坝体填筑时间末节点T₂。最后，计算汛前坝体的最低填筑高程H_min、平均水平填筑高程H_av、最高填筑高程H_max，表达式如下：

H_min＝H₀+z_min×(T₂-T₁)>

H_av＝H₀+z_av×(T₂-T₁)>

H_max＝H₀+z_max×(T₂-T₁)>

式中：H₀为进行方案决策时点T₁坝体已填筑高程。

作为进一步优化，步骤b中，设下游水电站围堰高程为H_w(下)，下游水电站平均水平填筑高程为H_av(下)，若H_av(下)>H_w(下)，则下游水电站处于中期度汛阶段；设上游水电站围堰高程为H_uw，上游水电站平均水平填筑高程为H_av(上)，若H_av(上)>H_w(上)，则下游水电站处于中期度汛阶段，则进入c步的判别条件为否则不用进入下一步c的计算分析。

作为进一步优化，步骤d中，所述土石围堰溃决过程模拟包括：溃口模拟、围堰溃决下泄流量模拟、溃口下泄洪水的河道演进模拟，模拟过程中，下游水电站仅靠中期度汛阶段的泄水建筑物泄流。

作为进一步优化，步骤d中，所述土石围堰溃决过程模拟是利用DAMBRK模型计算模拟上游水电站发生溃堰时河段所有断面的流量和水位变化情况，模拟的范围包括上游水电站库区河道和上游水电站围堰至下游水电站围堰区间河道，模型计算上边界条件为特征频率下上游水电站入库洪水流量过程，溃堰计算时以上游水电站导流洞泄流曲线作为内边界条件处理，出口边界为下游水电站中期度汛的导流洞泄流曲线，在模拟非恒定流过程之前，先假设一恒定流计算得到的各断面水位和流量作为非恒定流计算的初始条件。

作为进一步优化，所述溃口模拟是参照DAMBRK模型，结合经验和其它失事大坝的数据，给定溃口开始到最后终止的时间和溃口的最终尺寸与形状，对溃口形状和溃口扩大演变过程进行模拟。

作为进一步优化，所述围堰溃决下泄流量包括溃口下泄流量和初期导流泄水建筑物泄流流量两部分。

作为进一步优化，所述溃口下泄洪水的河道演进模拟的计算公式如下：

对于一维明渠水流，如果假定为静水压力分布和小底坡，则采用圣维南方程组描述，其中水流连续方程为：

运动方程为：

式中：x为流程(m)，Q为流量(m³/s)，Z为水位(m)，g为重力加速度(m/s²)，t为时间(s)，A为过水断面面积(m²)，R为断面水力半径(m)，n为糙率系数；

对上述方程中的时间偏导项和采用向前差分格式，对流项采用一阶迎风格式，对时间偏导项的处理采用蛙跳格式，则离散后的方程为：

作为进一步优化，步骤f具体包括：

首先，根据实际工程施工进展情况，结合相应规程规范给定下游中期防洪度汛标准，然后根据步骤e中建立的特征频率洪峰流量与下游水电站度汛最高水位的关系曲线，插值求解设计标准下下游水电站的中期度汛最高洪水位h_max(下)，则下游水电站的中期度汛方案决策方法为：

1、若H_av(下)＞h_max(下)，则下游水电站填筑高程满足防洪度汛要求，采用大坝拦洪度汛方案，汛期可正常施工；

2、若H_av(下)≤h_max(下)，则需重新计算下游水电站坝体满足防洪度汛要求所需达到的最低平均填筑上升速度v_m(下)，计算表达为：

①若z_max>v_m(下)则说明通过抢筑施工，坝体填筑能达到中期施工度汛面貌，采用坝体抢筑措施使坝体达到拦洪高程；②若z_max≤v_m(下)，则说明不能达到，则需做好坝体过水保护，并提前制定必要的洪灾应急预案。

本发明的有益效果是：

在进行防洪度汛方案决策时，考虑了在梯级电站建设条件下上游电站溃堰的情况，从而提高下游水电站施工期的安全性，为高坝施工中期度汛方案决策提供了重要的理论依据。

附图说明

图1为本发明中的防洪度汛方案决策方法流程图；

图2为下游水电站中期度汛的泄流能力曲线；

图3为上游水电站初期导流的泄流能力曲线；

图4为上游A电站洪水洪峰流量与下游B电站最高度汛水位的关系曲线。

具体实施方式

本发明旨在提出一种梯级建设条件下的高坝水电施工中期防洪度汛方案的决策方法，提高下游水电站施工期的安全性。

下面结合附图及实施例对本发明的方案作进一步的描述：

如图1所示，本发明中的梯级建设条件下的高坝水电施工中期防洪度汛方案的决策方法，包括以下步骤：

a.计算上、下游水电站汛前坝体填筑高程；

b.判别下游水电站度汛阶段和上游水电站度汛阶段，若下游水电站为中期度汛阶段，上游水电站为初期导流阶段，则进入步骤c；否则放弃；

c.确定中期度汛阶段的泄水建筑物，同时拟合下游水电站中期度汛的泄流能力曲线；选择上游水电站的入库典型施工洪水过程线，拟合上游水电站初期导流的泄流能力曲线；

d.进行上游水电站土石围堰漫顶溃决过程模拟；

e.通过溃决过程模拟，建立特征频率洪峰流量与下游水电站度汛最高水位的关系，并拟合关系曲线；

f.根据关系曲线求解设计标准下的下游水电站的中期度汛最高水位，并结合下游水电站坝体汛前填筑高程进行中期防洪度汛方案决策。

实施例：

西南地区大渡河流域上游水电站A采用坝式开发，拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高达223.50m，工程初期导流采用断流围堰挡水、隧洞导流的导流方式，初期导流标准为50年一遇。上游围堰为土石围堰，堰顶设计高程1742.50m，堰顶宽度12.00m，迎水面边坡1:2.0，背水面边坡1:1.8，库区回水长度约12km，库容约0.3亿m³。围堰混凝土防渗墙施工平台高程1706.00m，防渗墙厚度1.0m。B水电站是A水电站下游相邻梯级，拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240.00m，距A水电站坝址约36km。河道洪水以上游来水为主，区间流量较小。

应用本发明中的防洪度汛方案决策手段，具体实施如下：

a.计算上、下游水电站汛前坝体填筑高程；

某施工年初进行方案决策时点T₁为1月初，坝体已填筑高程为H₀＝1496.00m。根据分期洪水资料，6月份进入主汛期，因此坝体填筑时间末节点T₂为5月底，根据工程实际情况，专家根据工程经验和现场施工数据给出坝体最慢填筑上升速度z_min(下)＝5.5m、平均水平填筑上升速度z_av(下)＝7.7m、最快填筑上升速度z_max(下)＝8.5m因此，计算下游水电站的平均水平填筑高程H_av(下)为1496.00+7.7×(5-0)＝1534.50m，。

同理，计算上游水电站平均水平对应的填筑高程为H_av(上)为1525m。

b.判别下游水电站度汛阶段和上游水电站度汛阶段，若下游水电站为中期度汛阶段，上游水电站为初期导流阶段，则进入步骤c；否则放弃；

根据两水电站施工进展，满足H_av(下)>H_w(下)，且满足H_av(上)>H_w(上)，即满足判别条件，说明上游A处于初期导流时段，下游B处于中期度汛的时段，进入下一步。此时，正常运行时，上游水电站围堰导流不会对下游水电站水电站施工造成不利影响，但下游水电站中期度汛标准较上游水电站初期挡水标准高，下游水电站中期度汛标准对应的洪水过程实际上为上游水电站水电站遭遇的超标准洪水，上游水电站施工围堰若发生漫顶溃决，库区水体突然下泄，将形成较大的洪峰向下游传播，势必威胁到下游水电站水电站坝体及施工人员的安全。因此，有必要对下游水电站中期防洪度汛进行科学合理的方案决策。

c.确定中期度汛阶段的泄水建筑物，同时拟合下游水电站中期度汛的泄流能力曲线；选择上游水电站的入库典型施工洪水过程线，拟合上游水电站初期导流的泄流能力曲线；

根据下游水电站导流规划，确定下游水电站中期度汛的泄水建筑物仍为初期导流洞，拟合下游水电站中期度汛的泄流能力曲线如图2所示；

选择上游水电站的入库典型施工洪水过程线为1992年典型洪水过程，同时拟合上游水电站初期导流的泄流能力曲线如图3所示。

d.进行土石围堰溃决过程模拟，模拟过程由三部分组成，包括：①溃口模拟；②围堰溃决下泄流量模拟；③溃口下泄洪水的河道演进模拟。模拟过程中，下游水电站仅靠中期度汛阶段的泄水建筑物泄流。具体计算过程如下：

1)地形资料：

模型模拟的范围为从A水电站坝址上游约12km至B水电站坝址，计算河段总长51.7km，共取计算断面42个。其中A水电站库区河段长12.2km，布设有10条断面，B水电站坝址至A水电站坝址区间河段长39.5km，布设有32条断面。

2)模型计算初始条件和边界条件：

初始条件：本模型在计算非恒定流过程前，先假设一恒定流计算得到的各断面水位和流量作为非恒定流计算的初始条件。

边界条件：由于模型模拟的范围包括A水电站库区河道和A水电站围堰至B水电站围堰区间河道，模型计算上边界条件为特征频率下A水电站入库洪水流量过程，溃堰计算时A水电站导流洞泄流曲线作为内边界条件处理，出口边界为B水电站中期度汛的导流洞泄流曲线。

3)计算工况：

溃堰时，堰前水位选取为堰顶高程1742.50m，溃堰历时取值2小时，溃决终止时溃口底宽、底高程和边坡系数分别为100m、1715.00m和1.0。

河道糙率采用实测水面线推算得出的成果，其变化范围为0.05至0.07之间。

4)模拟过程：

本发明采用的溃堰洪水数学模型在上游A的初期围堰溃堰洪水计算中分为四个阶段：

(1)起算后一段时间内库尾上游来流给定为一恒定基流流量，由此计算非恒定流计算阶段开始时刻的沿程流量和水位。当计算到沿程各断面(包括坝下游断面)流量相等时，转入非恒定流计算阶段。

(2)库尾上游来流按对应的设计洪水标准过程加入。由于上游来流随时间变化，库区流量和水位随之变化。涨水过程中，导流洞泄流流量小于上游来流流量，水库水位上涨。进入围堰下游河道的流量为导流洞流量和过围堰流量之和。

(3)当堰前水位继续上涨达到该工况设定的溃堰发生的水位时，堰体出现溃口。溃口流量由宽顶堰流量公式计算，同时导流洞的下泄流量由其水位流量关系曲线确定。

(4)溃口发生后，上游入库洪水按设计过程继续加入，溃口尺寸随时间扩大，通过溃口的流量不断增加(进入围堰下游河道的流量为溃口流量和导流洞流量之和)。水库水位开始下降，直到泄空，计算结束。

以上四个阶段是连续进行的，数学模型输出的计算结果为计算河段所有断面的流量和水位变化过程。

e.通过溃决过程模拟，建立特征频率洪峰流量与下游水电站度汛最高水位的关系，并拟合关系曲线。

研究上游不同频率洪水洪峰与下游B度汛最高水位的关系，施工洪水过程模拟采用按峰值放大典型洪水过程线的方法，并假设下游B的大坝填筑高度足够高，仅靠导流洞宣泄洪水，计算成果如表1所示。同时，根据计算模拟成果绘制上游A洪水洪峰流量与下游B最高度汛水位的关系曲线如图4所示。

表1不同频率洪水洪峰与度汛最高水位的关系成果表

f.根据关系曲线求解设计标准下的下游水电站的中期度汛最高水位，并结合下游水电站坝体汛前填筑高程进行中期防洪度汛方案决策。

在步骤f中，根据实际工程施工进展情况，结合相应规程规范给定下游中期防洪度汛标准，取规范上限值100年一遇，根据步骤e建立特征频率洪峰流量与下游水电站度汛最高水位的关系曲线，插值求解设计标准下下游水电站的中期度汛最高水位h_max(下)＝1548.01m，根据步骤a中计算的汛前坝体填筑高程H_av(下)＝1534.50m，可以判断H_av(下)≤h_max(下)。

然后，重新计算满足规范情况下下游水电站坝体所需达到的最低平均上升速度为v_m(下)＝10.02m，通过比较z_max(下)≤v_m(下)，说明不能达到此上升速度。因此，最终的度汛方案为，在设计标准下，水电站B需做好坝体过水保护，提前制定必要的洪灾应急预案。

对比之下，如果采用传统技术，得到的100年一遇的度汛水位为1535.63m，比本发明计算得到的1548.01m小12.38m，由于传统方法未考虑上游水电站溃堰的发生，显然会高估下游水电站B抵御洪水的能力而带来较大的安全隐患。

综上所述，按照本发明的方法，获得了以下重要成果：针对比邻梯级水电站建设存在的上游水电站处于初期围堰挡水阶段，下游水电站处于施工中期度汛阶段的情况，若仍按照度汛标准对应的天然洪水流量进行施工中期度汛挡水高程的设计，显然是偏危险的，实际度汛阶段考虑上游水电站围堰漫顶溃决洪水过程的影响并进行准确量化十分必要。本发明通过科学合理的方案决策，为上游水电站初期围堰挡水条件下的施工中期度汛方案决策制定提供了重要的理论依据，最终确定的度汛方案为：在设计标准下，水电站B需做好坝体过水保护，提前制定必要的洪灾应急预案。

需要说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。