考虑上游溃坝洪水的土石坝群控制梯级泄水安全计算方法与流程

本发明涉及一种考虑上游溃坝洪水的土石坝群控制梯级泄水安全计算方法，是一种水工计算方法，是一种考虑上游溃坝洪水的土石坝群控制梯级泄水安全分析计算和处置方法。
背景技术：
：土石坝是坝工建设中应用最广、发展最快和最有前景的坝型之一。梯级开发形成的水库群关键致灾因子包括：极端天气引发降雨导致的超标准洪水、各种因素导致的上游支流或者风险触发梯级的溃坝洪水，尤其后者，一旦上游失事，要求下游控制梯级特级坝具有足够的调洪能力，可截断、削弱流域上游梯级传递的风险，它能否截断风险与风险触发梯级溃决流量、与控制梯级之间的洪水流达时间、库容水位等特征参数密切相关，这些敏感参数又直接受挡水和泄水建筑物的泄流特征参数制约。因此，有必要重新评估梯级土石坝水库群控制梯级的泄水安全能否满足上游溃坝条件下的要求。已有研究考虑梯级效应水库群的安全标准，将特级坝分为特1级坝和特2级坝。对于流域“上小下大”的梯级库群布局，即“特2级坝-土石坝群-特1级坝”，当上游特2级坝发生溃坝后，两个特级坝之间的土石坝群小水库库容有限，显然无法截断溃坝洪水，这就直接对下游特1级坝的泄水安全造成很大风险。由于特级坝的标准刚刚被学术界、工程界接受，是新鲜事物，那么考虑上游溃坝洪水的土石坝群控制梯级的泄水安全如何分析计算、采取何种措施预警错峰、采取何种增大泄流能力的应急处置方法并无设计依据可参考。现有的设计规范上并未考虑上游溃坝洪水引起的土石坝群控制梯级的泄水建筑物如何分析计算、采取何种措施预警错峰、采取何种增大泄流能力的应急处置方法，一般的做法是，考虑到该流域可能出现的pmf或者地震等极端致灾因子影响，在进行洪水调洪演算确定水库库容、校核水位后，再预留一定的富裕度，比如采取的办法包括：进一步增大坝顶高程、提高防浪墙的高度等。由于梯级水库群规划设计时只能大致参考，并无具体量值确定办法，导致设计有一定的随意性，考虑到上游溃坝毕竟是小概率事件，再增加坝高将直接导致工程投资的大幅增加。技术实现要素：为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种考虑上游溃坝洪水的土石坝群控制梯级泄水安全计算方法。所述的方法考虑上游溃坝洪水的土石坝群控制梯级泄水建筑物安全分析计算和处置方法，并对水库群风险防控提供关键支撑。本发明的目的是这样实现的：一种考虑上游溃坝洪水的土石坝群控制梯级泄水安全计算方法，所述的方法所针对的水库群为上游是工程质量安全标准为特2级坝的水坝一座，称为库1，中游为多个工程质量安全标准为2等的土石坝构成的土石坝群，称为库2，下游为工程质量安全标准为特1级坝的水坝一座，称为库3，所述的方法的步骤如下：计算上游溃坝的洪水演进的步骤：计算上游特2级坝或者风险触发梯级大坝的溃坝洪水全过程，尤其是q库1溃（t）曲线：；q库1溃为库1的溃坝流量，此处q库1溃（t）=qb，qb指通用的大坝溃坝流量计算值；c为溃坝溃口的流量系数；b为库1溃口宽度；z为库1水位；zd为库1大坝堰顶溃口高程；w为库1库容；t为时间；qin为上游来流量；q为t时刻库1的出流量；计算上游溃坝洪水在中游演进的步骤：计算溃坝洪水q库1溃（t）在下游河道的洪水演进全过程，获得中游土石坝群等效水库坝前水位、流量过程q库2上（t）及溃坝洪水演进的时间，q库2上为库2的上游流量：；其中：br为河道水面宽；y为水深；q为流量，q=q库2上(t)；x为距离；g为重力加速度；a为河道断面面积；n为河道曼宁糙率；s为能量坡度，下标o为初始时刻；计算中游的调洪过程的步骤：计算上游溃坝条件下的中游等效水库的水位涨落调洪过程，得到中游等效水库坝前z库2（t）曲线，z库2为库2的坝前水位：；其中：此处z库2（t）=ys，ys指通用的水库水位；qin(t)为t时刻中游库2的入流量，即qin(t)=q库2上(t)；q2,out(z，m)为t时刻库2的出流量；m为泄水建筑物流量系数；计算中游水库连续溃决的演进的步骤：当中游水库的坝前水位z库2（t）在t溃坝时刻的超过本坝坝顶高程后，计算中游等效水库进入连续溃决的演进模式，计算过程中的一个关键是，必须将此时刻之后的上游来水q库2上（t）|(t>t溃坝)叠加至本库来水流量中进行“计算上游溃坝的洪水演进的步骤”的溃坝过程计算；计算溃坝洪水在下游水库中的演进的步骤：计算溃坝洪水q库2溃（t）在下游河道的洪水演进全过程，获得下游特1级坝坝前水位、流量过程q库3上（t）及溃坝洪水演进的时间，q库3上为库3的上游流量：；此时，q=q库3上(t)；计算下游水坝的调洪过程的步骤：计算上述连续溃坝条件下，下游特1级坝水位涨落调洪过程z库3（t），z库3为库3的坝前水位；工况确定的步骤：泄水安全分析计算中的工况确定包括如下子步骤：无预警、无应急措施的全闸泄水分析计算的子步骤：下游特1级坝无预警，但没有应急措施的情况下，全闸泄水分析计算，计算得到特1级坝整个入流、出流及水位涨落曲线z库3（t），若max[z库3（t）]>z坝顶高程，则转下一子步骤计算，此式中z坝顶高程为库3的坝顶高程；有预警、无应急措施的全闸泄水分析计算的子步骤：下游特1级坝在有预警，但没有应急措施情况下的全闸泄水分析计算，计算得到特1级坝整个入流、出流及水位涨落曲线z库3（t），比较max[z库3（t）]与z坝顶高程，确定水库安全裕度值；无预警、有应急措施的全闸泄水分析计算的子步骤：下游特1级坝在无预警，并且有增大应急超泄能力的应急措施情况下的处置分析计算，计算得到特1级坝整个入流、出流及水位涨落曲线z库3（t），比较max[z库3（t）]与z坝顶高程，若max[z库3（t）]>z坝顶高程，确定出预警时间重要性和最低值；有预警、有应急措施的全闸泄水分析计算的子步骤：下游特1级坝在有预警，并且有增大应急超泄能力的应急处置分析计算，得到预警时间和增大泄流能力后再计算得到特1级坝整个入流、出流及水位涨落曲线z库3（t），进一步确定出有预警有应急处置后的水库安全裕度值。本发明产生的有益效果是：本发明通过分析计算出在流域上游水坝的溃坝风险，以及上游水坝溃坝风险所触发的梯级水库发生溃坝洪水的风险。在上游水坝发生溃决时，通过向下游控制水坝预警，使下游控制水坝预先腾空库容，避免漫顶，防止溃坝。还能够通过溃坝风险分析进一步分析泄洪裕度，增设非常泄洪设施或增大泄洪裕度，进一步降低上游溃坝洪水到达前的库水位。本发明的溃坝风险分析计算，寻找土石坝群下游梯级控制水坝的泄水安全保障途径，得到应采取的预警错峰方法、增大泄流能力的应急处置手段、量值和具体办法，能够进一步复核原设计在考虑极端溃坝洪水工况下的泄洪和大坝安全，明显提高下游水坝的安全度。附图说明下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明的实施例所述方法所分析的水坝系统示意图；图2是本发明的实施例所述方法的流程图；图3是本发明的实施例所述案例的aa溃坝及洪水演进过程示意图；图4是本发明的实施例所述案例的aa溃决下bb坝址流量及库水位过程示意图；图5是本发明的实施例所述案例的bb连溃流量及洪水演进示意图；图6是本发明的实施例所述案例的上游连溃cc无预警入流、泄水及调洪过程示意图；图7是本发明的实施例所述案例的上游连溃cc有预警入流、泄水及调洪过程示意图；图8是本发明的实施例所述案例的cc水库泄水建筑物泄流曲线示意图；图9是本发明的实施例所述案例的增大泄流能力+无预警入流、泄水及调洪过程示意图；图10是本发明的实施例所述案例的增大泄流能力+有预警入流、泄水及调洪过程示意图。具体实施方式实施例：本实施例是一种考虑上游溃坝洪水的土石坝群控制梯级泄水安全计算方法。所述的方法所针对的水库群为上游是工程质量安全标准为特2级坝的水坝一座（本实施例简称为上游水坝，或特2级坝）称为库1，中游为多个工程质量安全标准为2等的土石坝构成的土石坝群，称为库2，下游为工程质量安全标准为特1级坝的水坝一座（本实施例简称为下游水坝，或特1级坝）称为库3。本实施例对比上游水坝的溃坝计算和处置思路大致是：如果上游特2级坝发生溃决，通过预警，下游控制梯级特1级坝可以预先腾空库容，避免漫顶，防止溃坝，而通过设置非常泄洪设施或增大泄洪裕度可以进一步降低上游溃坝洪水到达前的库水位，明显提高特1级坝的安全度。本实施例所述的方法的具体步骤如下：步骤1：计算上游溃坝的洪水演进的步骤（如图1所示）：计算上游特2级坝或者风险触发梯级大坝的溃坝洪水全过程，尤其是q库1溃（t）曲线：。q库1溃为特2级坝（库1）的溃坝流量，其中：库1即上游特2级坝，此处q库1溃（t）=qb，qb指通用的大坝溃坝流量计算值；c为溃坝溃口的流量系数，考虑溃口性质和收缩后，c值的范围为1.43-1.69m1/2/s；b为库1的溃口宽度；z为库1水库水位；zd为库1大坝堰顶溃口高程；w为库1水库库容；t为时间；qin为上游来流量；q为t时刻水库1的出流量。本步骤的计算方法参见理论原理一。步骤2：计算上游溃坝洪水在中游演进的步骤：计算溃坝洪水q库1溃（t）在下游河道的洪水演进全过程，获得中游土石坝群等效水库坝前水位、流量过程q库2上（t）及溃坝洪水演进的时间，q库2上为库2的上游流量：。本步骤计算方法参见理论原理二。步骤3：计算中游的调洪过程的步骤：计算上游溃坝条件下的中游等效水库的水位涨落调洪过程，得到中游等效水库坝前z库2（t）曲线，z库2为库2的坝前水位：。本步骤的计算方法见理论原理三。步骤4：计算中游水库连续溃决的演进的步骤：当中游水库的坝前水位z库2（t）在t溃坝时刻的超过本坝坝顶高程后，计算中游等效水库进入连续溃决的演进模式，计算过程中的一个关键是，必须将此时刻之后的上游来水q库2上（t）|(t>t溃坝)叠加至本库来水流量中进行步骤1的溃坝过程计算。步骤5：计算溃坝洪水在下游水库中的演进的步骤：计算溃坝洪水q库2溃（t）在下游河道的洪水演进全过程，获得下游特1级坝坝前水位、流量过程q库3上（t）及溃坝洪水演进的时间，q库3上为库3上游的流量：；此时，q=q库3上(t)。本步骤的计算方法再次参见理论原理二。计算下游水坝的调洪过程的步骤：计算上述连续溃坝条件下，下游特1级坝水位涨落调洪过程z库3（t），z库3为库3的坝前水位。本步骤的计算方法见理论原理三。工况确定的步骤：泄水安全分析计算中的工况确定包括如下子步骤：无预警、无应急措施的全闸泄水分析计算的子步骤：下游特1级坝无预警，但没有应急措施的情况下，全闸泄水分析计算，计算得到特1级坝整个入流、出流及水位涨落曲线z库3（t），若max[z库3（t）]>z坝顶高程，则转下一子步骤计算，z坝顶高程为库3的坝顶高程；有预警、无应急措施的全闸泄水分析计算的子步骤：下游特1级坝在有预警，但没有应急措施情况下的全闸泄水分析计算，计算得到特1级坝整个入流、出流及水位涨落曲线z库3（t），比较max[z库3（t）]与z坝顶高程，确定水库安全裕度值；无预警、有应急措施的全闸泄水分析计算的子步骤：下游特1级坝在无预警，并且有增大应急超泄能力的应急措施情况下的处置分析计算，计算得到特1级坝整个入流、出流及水位涨落曲线z库3（t），比较max[z库3（t）]与z坝顶高程，若max[z库3（t）]>z坝顶高程，确定出预警时间重要性和最低值；有预警、有应急措施的全闸泄水分析计算的子步骤：下游特1级坝在有预警，并且有增大应急超泄能力的应急处置分析计算，得到预警时间和增大泄流能力后再计算得到特1级坝整个入流、出流及水位涨落曲线z库3（t），进一步确定出有预警有应急处置后的水库安全裕度值。理论原理一：达到上述效果步骤1的理论原理和数学基础如下。随着库水位进一步壅高，当水位涨至坝顶或者进入非常泄洪槽（或人工引流槽）时，启动坝顶漫流过程，当通过溃口流速进一步增大达到一个槽底冲刷临界流速值vc后，槽底开始冲刷，启动溃坝过程。溃口流量通过单位时间内水库库容的损失来确定，有(1)根据质量守恒，可得水量平衡方程(2)当溃口流速小于vc时，由上述平衡方程差分后可得到直接求解水库增量值的计算式(3)当溃口流速大于vc时，考虑溃口侵蚀和横向扩展，其中溃口侵蚀采用陈祖煜提出的双曲线模型=(4)(5)式中：为侵蚀率；v为扣除临界剪应力后的剪应力；a、b均为侵蚀参数；k为单位变换因子；为剪应力；为临界剪应力。溃口横向扩展计算采用总应力法加圆弧形式的滑裂面分析方法。通过给定初始时间t0和时间步长dt，计算相应的水位增量dh，冲刷深度dz和流速变化量dv。理论原理二：洪水进入水库以及水库出流进入下游河道形成的洪水演进可用非恒定流的连续性方程和运动方程来描述：(6)(7)这里采用newton-raphson方法将上述非线性方程线性化后用pressiman隐式法迭代求解。理论原理三：对于图1所示中游库2来说，河道来流末端水位yn和水库交汇处水位ys相等，边界条件满足以下关系(8)(9)式中：q2,out(z,m)是流量系数m和坝前水库水位z的函数，未溃坝前的出流量即为泄水建筑物的泄量，泄水建筑物流量系数如考虑溃坝，则出流量为泄水建筑物泄量与溃坝流量的和，于是有(10)式中：qy为引水或抽水流量项，与水头无关，cs、cg分别为无压溢洪道、闸控泄洪洞的流量系数，ls为溢洪道宽度，ag为闸门过流面积，zs、zg分别为无控制、闸控泄洪洞高程。上游洪水进入下级水库后，水库水位将出现壅高、漫顶、溃决三个阶段。壅高过程可应用调洪演算原理利用成熟的定步长龙格－库塔方法求得上述常微分方程（9）的解。应用案例本案例参照某流域上游河段规划方案确定。该河段上布置有“aa-bb-cc”几个梯级，均为土石坝，其中bb为调节库容小于0.2亿m3的径流式水库，aa、cc库容较大，具有一定调节性能，为控制梯级。以下考虑本发明的应用条件，即当aa特2级坝溃决，计算分析下游cc特1级水库的泄水安全和处置方法等问题。表1案例土石坝群典型参数水库最大坝高/m坝顶高程/m调节库容/亿m3校核洪水重现期/年工程等别aa175.03070.010.24pmf特2级bb113.52690.00.1650002等cc314.02510.019.00pmf特1级（1）根据
发明内容的步骤1、2计算aa水库的溃决及演进：设aa水库遭遇极端工况从0时刻开始溃决，溃口冲刷起动流速3m/s，根据理论原理一计算的洪水在第10.7小时达到洪峰流量15000m3/s，紧接着水位降低流量减小，整个溃决过程持续约40小时。之后的计算时间轴均以0时刻开始。bb距aa水库85.6km，高差318.5m，山区河谷按倒梯形处理，底宽30m，平均坡度0.002，糙率取值0.025，利用理论原理二计算方法，洪水一维演进模型θ取值0.6，时间步长60s。该库的溃决过程及洪水演进过程如图2所示。由图可知，溃坝洪水经过3.25小时演进至bb水库，第12.3小时洪峰流量14797m3/s，基本无衰减。（2）根据
发明内容的步骤3、4、5计算bb梯级连溃及演进：根据理论原理二、三，第5.32小时bb库水位上升到坝顶位置，如图3所示。bb水库漫顶，但由于来流洪峰流量较大，漫顶溢流流量小于来流，库水位仍然升高。当漫顶后流量达到溃口冲刷启动流速后，水位的壅高将结合bb连溃进行计算。计算显示，bb水库于第14.6小时达到连溃洪峰流量23513m3/s，溃坝历时21.5小时。bb水库溃决之后，溃坝洪水继续朝下游cc演进，（两水库距离89.3km，高差380.5m，河道宽度暂按30m考虑，糙率取值0.025）。溃决洪水在第8.7小时演进至cc坝址处，该溃坝洪水的洪峰于第15.95小时到达，其连溃过程及洪水演进如图4所示。（3）根据
发明内容的步骤6计算梯级连溃下cc无预警全闸泄水：cc泄水建筑物包括洞式溢洪道、竖井泄洪洞和深孔泄洪洞，在正常蓄水位2500m对应的总泄量6819.6m3/s。第8.7小时bb连溃洪水进入cc水库，由于无提前预警，即在bb溃坝洪水进入水库之时，cc全闸开始泄水，由于溃坝洪水流量增长较快，该库水位于第19.5小时涨至坝顶高程2510m，第20.9小时涨至2511.2m(防浪墙顶高程)，大坝漫顶，第25.7小时后水位涨至最高水位2513.29m，整个入流、泄水出流及水位变化过程如图6所示。（4）根据
发明内容的步骤6计算梯级连溃下cc有预警全闸泄水：在上游aa溃决的同时（即0时刻），cc便从水位2500m开始全闸泄水，水位过程如图7所示。bb连溃洪水演进至cc水库耗时8.7小时，此时cc水位已降至2494.75m，降幅5.25m，即提前腾空了部分库容，之后溃坝洪水流量仍小于泄水建筑物泄量，库水位进一步下降，至第9.7小时水位将至最低点2494.50m，此时入流、出流相等，随后溃坝洪水流量大于全闸泄水流量，水库水位开始上升，至第25.6小时入流、出流第二次相等时，水位升至最高点2509.79m，低于坝顶高程0.21m，低于大坝防浪墙顶高程1.41m。计算表明，该极端工况下上游特2级水库溃决，中游梯级连溃情况下，cc由于提前预警全闸泄水增大了调洪库容，本特1级坝不至于溃坝。（5）根据
发明内容的步骤6计算梯级连溃下cc增大泄流能力+无预警：该工况cc在原有基础上增大泄流能力，应急处置途径是：增设一条非常泄洪洞，泄洪规模同原竖井泄洪洞相当，同时可采取降低现有深孔泄洪洞进口高程（暂考虑降低10m）。降低深孔底板高程后，单一深孔泄洪洞在2500m以上水位下的泄量增量在8.42%-9.45%之间，增大后总泄量跟原泄量相比增加16.8%-19.1%，其泄洪曲线如图8所示。经8.7小时，bb连溃洪水进入cc水库，因无预警，该水库随即全闸泄水，由于溃坝洪水流量增长较快，该库水位于第21.2小时涨至坝顶高程2510m，第24小时涨至2511.2m，大坝开始漫顶，第25小时后水位涨至最高2511.31m，整个入流、泄水出流及水位变化过程如图9所示。同无预警cc原始泄流能力相比，由于增大了泄流能力，在相同上游连溃洪水情况下，cc水位上升慢一些，但最终仍然漫顶，由此可见溃决预警时间对梯级水库群控制梯级泄水安全的重要性。（6）根据
发明内容的步骤6计算梯级连溃下cc增大泄流能力+有预警：在上游aa溃决的同时，cc便从水位2500m开始全闸泄水，水位过程如图10所示。bb连溃洪水演进至cc水库需8.7小时，此时cc水位已降至2493.76m，降幅6.24m，之后溃坝洪水流量仍小于泄水建筑物泄量，至第9.7小时水位将至最低点2494.43m，此时入流、出流相等，随后溃坝洪水流量大于全闸泄水流量，水库水位开始上升，至入流、出流第二次相等时，水位升至最高点2507.39m，低于坝顶高程2.61m(原工况为0.21m)。这表明，该极端工况上游特2级水库溃决，中游梯级连溃情况下，根据本发明的计算方法和处置方法即cc在原有基础上增设非常泄洪设施并提前预警全闸过水增大了调洪库容，通过调洪容错，使得最终水位富裕量从0.21m上升到2.61m，进一步增加了安全裕度，保证了本坝不溃，有效阻隔了梯级连溃的风险。最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如分析所针对的水坝系统、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。当前第1页12