堆龙河梯级气盾坝防洪联合调度方案研究

马 林，丁晶晶，蔡明光

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

0 前 言

江河中梯级水库的修建改变了河道径流和洪水特征，上下游水库首尾相连，水位流量关系紊乱，给水库安全运行及河道行洪安全带来很大的挑战[1]。国内外学者在梯级水库调度原则[2]、运行方式[3]及模型算法[4-5]等方面做了大量研究，为梯级水库联合调度的研究提供了有益借鉴。而堆龙河梯级水闸有其自身特点，一方面，工程中设置的6座梯级水闸形成的库区可调库容很小，且各梯级水闸间距很短，下泄洪水存在洪峰叠加的风险，如果运行不当可能对河道行洪安全造成不利影响。另一方面，梯级水库各拦水闸采用气盾坝型式，气盾坝闸上运行水头有高度限制，当运行水位超过气盾坝安全水位时，气盾坝将自动塌坝，塌坝过程不再可控。这两方面的影响使得堆龙河梯级水闸防洪调度更具复杂性。为此，拟利用水文大断面建立一维非恒定流数学模型，模拟各闸不同泄流工况下的河道流量过程，确定各级闸坝塌坝泄洪的最小时间限制，以及各级闸坝开启的时间顺序，进而拟定防洪联合调度方式，为梯级闸坝的科学运行提供依据。

1 河道一维水流数学模型

本次河道一维水流数学模型计算，采用美国陆军工程兵团设计的HEC-RAS软件系统进行，该软件可以计算恒定流水面线及非恒定流洪水过程。

1.1 一维非恒定水流数学模型

用以描述明渠流水流运动的圣维南方程组体现了水体的质量和动量守恒。由质量守恒可导出连续性方程，连续性方程建立了水位上涨率与楔蓄、棱蓄之间的平衡关系。由动量守恒可导出运动方程，建立了惯性力、重力、压力、摩擦力等之间的平衡关系，基本方程有:

连续方程

(1)

式中：Q为流量、A为过流面积；q为旁侧入流，m3/s。

动量方程

(2)

式中:H为水深；Sf为摩阻坡降，

(3)

式中：K为流量模数，可由曼宁公式算得，即：

(4)

式中:R为水力半径；A为过流面积；P为湿周；n为曼宁糙率系数。

边界条件采用上游流量过程线与下游水位流量关系曲线。

1.2 气盾坝的数值模拟

气盾坝是由1组盾板、1组气囊、1排基础锚固螺栓、1套气动充排系统组成的新型挡水坝(见图1)。其中，钢盾板提供正面挡水；具有充涨功能的气囊提供对挡水盾板的支撑，实现升坝和降坝。气盾坝的充排时间短，一般在20～30 min内可完成充坝或降坝，能够及时避开洪峰的威胁。当坝上水头超过限定高度时气盾坝将自动塌坝运行，塌坝过程不受控制，这一个特点须在防洪调度过程中加以考虑。

图1 气盾坝构造示意

气盾坝泄流能力可按堰流基本公式计算:

(5)

式中:Q为流量；B为堰顶宽度；H0为计入行近流速水头的堰顶水头；m为流量系数；σ为淹没系数；ε为侧收缩系数；g为重力加速度。

气盾坝完全充气挡水时，弧形钢盾板弦线的倾斜角度(盾板与闸底板之间的夹角，也称开度)为55°。模型试验表明，气盾坝开度小于10°流量系数与宽定堰流量系数接近，可按宽顶堰流计算流量；开度大于10°为薄壁堰流，但流量系数大于一般薄壁堰流量系数。

考虑到气盾坝的流量系数介于宽顶堰与薄壁堰之间，m取值范围0.36～0.54。模型试验不同开启角度对应的流量系数见表1。

表1 模型试验气盾坝不同角度流量系数

根据气盾坝厂家提供的设计资料，气盾坝的最快塌坝时间为20 min。气盾坝的塌坝过程较为复杂，为了简化计算，本次模拟塌坝过程按照气盾坝弦线从55°按均匀的角速度进行塌坝，从而计算出塌坝过程中的堰顶高程变化情况，再按堰流公式进行计算。

1.3 模型糙率的取值

本工程糙率率定的时候通过现场洪痕调查，再结合拉萨河糙率及河段上游已建工程综合确定。结合洪水调查的流量，推算2018年发生的洪水水面线，以此反推区间河段的糙率。经洪迹线推算，调查河段区间糙率在0.038～0.042范围，基本符合堆龙河山区性游荡性河道的河道阻力特性。

1.4 计算范围

数模计算范围上起东嘎大桥(新桥)桥面中心线起上游方向约4.23 km处，下至堆龙河河口附近的控制断面。计算河段总长约6.6 km，共布置水文大断面44个，平均断面间距153 m，能控制住河道地形的变化过程。

2 结果与讨论

2.1 水闸运行方式和明确闸门开启临界流量

梯级水闸蓄满正常运行过程中，闸上水头有高度限制。本项目闸坝上游最高水头限制为0.5 m，根据闸上水头，采用模型试验最大挡水高度相应的流量系数0.478，计算得到最高水头相应的下泄流量，计算成果见表2。

表2 各级闸坝最高水头下泄流量计算成果

由表2可见，0.5 m水头对应的泄流能力相对较大，相当分期洪水中5月份10年一遇洪水至50年一遇洪水。当来流大于临界流量时，开启闸孔，使得坝上水头不超过最大允许值。

2.2 塌坝最小时间限制拟定

为避免各梯级水闸下泄洪水叠加而导致的人造洪峰，须为梯级闸坝拟定塌坝放空的最小时间限制。

根据厂家提供的资料，气盾坝的最小放空时间为20 min。通过一维数学模型计算了塌坝时间20 min、30 min，40 min三种计算工况。计算时上游来流综合考虑5月、10月来流情况，按为恒定入流考虑，取值Q=20 m3/s。计算的最大人造洪峰计算成果见表3。

由表3可见，按厂家提供的最短塌坝时间，仅堆龙3号坝单独塌坝即可人造100年一遇的洪峰。考虑到按工程河段两岸生态护岸顶高程及各级闸坝消能防冲设施的防洪标准均为20年一遇，故各级闸坝单独运行时塌坝人造洪峰不宜高于20年一遇的设计洪峰流量Q=425 m3/s。堆龙河2号闸坝均位于铁路桥的上游，为降低人造洪峰对桥梁基础的冲刷影响，人造洪峰流量宜低于河段10年一遇设计洪水Q=344 m3/s。

表3 各级闸坝单独运行人造洪峰流量计算成果

综上所述，各级闸坝单独运行时塌坝的最小时间限制分别为:经开1号闸坝20 min、经开2号闸20 min、堆龙1号闸20 min、堆龙2号闸30 min、堆龙3号闸40 min、堆龙4号闸30 min。

2.3 汛前或非汛期突发事故放空方案

2.3.1 汛前塌坝放空方案

对于梯级闸坝群的运行调度，一般要遵循“先下后上”的顺序进行充坝蓄水和塌坝放水。汛前梯级塌坝放空方案的拟定:汛前放空方案由于上游来水较小，为尽量减少人造洪峰影响，并适当简化方案难度，堆龙河6级闸坝可以全部按40 min塌坝，从下游往上游每级闸坝滞后20 min的方式顺序塌坝，放空最上一级堆龙4号闸坝蓄水的时间为140 min。计算表明，各级闸坝滞后20 min可有效避免最上游三座闸坝人造洪峰的叠加，塌坝全过程中最大洪峰流量为堆龙3号坝塌坝人造洪峰363 m3/s。

2.3.2 非主汛期遭遇洪水时梯级水闸下泄方案

在没有完善水情监测预报体系的情况下，可根据最上一级闸坝的闸上水位，通过闸坝泄流曲线确定来流量，拟定一定的分界流量，当流量超过该流量时，按设计洪水开始起涨考虑，进行梯级闸坝的联合调度。

在非汛期运行时，可设置一定的分界流量，当最上一级来流量超过分界流量时，启动塌坝方案。

非主汛期设计洪水过程线作为入库洪水过程控制条件。

分别选取分界流量40 m3/s、60 m3/s、80 m3/s，按训前塌坝方案进行计算。计算表明，不同分界流量下河段最大洪峰值分别为388 m3/s、414 m3/s、439 m3/s。当分界流量为80 m3/s时，调度过程中的最大洪峰流量超过了河道20年一遇设计洪峰流量，对河道影响相对较大。当分界流量40 m3/s时，由于流量出现频率相对较高，塌坝方案启动过于频繁，不利于河道景观。综合考虑，选定分界流量为60 m3/s，约等于非汛期5月(洪水频率p=20%)分期洪水洪峰流量。

根据5月(洪水频率p=1%)分期洪水涨水过程线分析，洪水涨水过程为2.5 d。当洪水涨至60 m3/s，洪水涨率约为每小时2 m3/s。如果能在150 min放空水库，来流仅增至65 m3/s。由于河道洪水涨水过程相对较缓，塌坝方案可采用汛前塌坝相同的方案，即:6级闸坝可以全部按40 min塌坝，从下游往上游每级闸坝滞后20 min的方式顺序塌坝。

遭遇其他频率洪水时，同样以60 m3/s为分界流量，采用汛前塌坝方案。

因此，拟定正常调度方案:各级闸坝塌坝时间40 min，梯级闸坝从下往上依次滞后20 min开始塌坝，可在140 min完成最上游堆龙4号闸坝库区的腾空。本梯级调度方式适用于汛前及遭遇上游洪水时的塌坝放空水库情况，遭遇洪水时可按来流超过分界流量60 m3/s时启动的梯级塌坝方案。

2.3.3 非汛期突发事故放空方案

非汛期突发事故放空方案的拟定，由于突发事故要求尽量加快梯级闸坝的放空速度，所以方案的约束条件为：确保河道行洪安全的前提下，使梯级闸坝总的放空时间最短。

为了研究梯级水库的塌坝间隔时间，拟定了3种计算工况:工况1，梯级水库同时塌坝，研究洪水叠加情况；工况2，等滞后时间塌坝，从下往上游梯级水库塌坝依次时间滞后10 min方案；工况3，根据工况2计算的洪水叠加情况，提出变滞后时间塌坝方案:从0 min经开1号闸坝塌坝，到第10 min经开2号闸、堆龙1号闸、堆龙2号闸同时塌坝，到第30 min(滞后20 min)堆龙3号闸开始塌坝，到第50 min(滞后20 min)堆龙4号闸开始塌坝，总塌坝时间80 min。

计算表明，工况1条件下，经开2号闸以上河段人造洪峰全部叠加，形成巨大的单峰洪水过程，洪峰流量高达698 m3/s，远高于河道设计防洪标准100年一遇洪峰流量618 m3/s，工况1塌坝方案无法满足河道行洪安全的要求。

工况2条件下，经开2号闸坝、堆龙1号闸坝、堆龙2号闸坝之间有较大的低流量段，可以取消滞后时间，堆龙2号闸坝、堆龙3号闸坝、堆龙4号闸坝之间滞后10 min仍然不够，洪峰叠加后达到571 m3/s，宜进一步优化增加滞后时间。堆龙河6级闸坝按工况3提出的变滞后时间进行联合调度后，上游几级闸坝的较大的人造洪峰均未叠加，经开1号闸最大流量402 m3/s，其他闸坝控制断面最大流量397 m3/s，小于河道生态护岸及闸坝消能防冲的防洪标准，更远小于河段堤防与桥梁的设计标准，且方案总的放空时间相对较短(80 min)，可以满足应急放空水库的需求。

因此，拟定应急调度方案。各级闸坝单独运行时塌坝的最小时间限制分别为:经开1号闸坝、经开2号闸、堆龙1号闸等3座闸坝20 min、堆龙2号闸、堆龙4号闸两座闸为30 min、堆龙3号闸40 min。各级闸坝从0 min经开1号闸坝塌坝，10 min后经开2号闸、堆龙1号闸、堆龙2号闸同时塌坝，到第30 min(滞后20 min)堆龙3号闸坝开始塌坝，到第50 min(滞后20 min)堆龙4号闸坝开始塌坝。堆龙河梯级闸坝非汛期应急塌坝腾空最上一级水库需要的总时间约80 min。本调度方案适用于当遭遇污染水体突然大量入库，部分闸段突然损坏等突然事故需要放空水闸时，且此时上游来流量较小且无明显涨势的情况。

3 结 语

利用一维非恒定流数学模型，对堆龙河梯级水闸的联合调度方式进行了研究，确定各级闸坝塌坝泄洪的最小时间限制，以及各级闸坝开启的时间顺序，拟定了堆龙河梯级闸坝的正常调度和应急调度两种调度方式。根据拟定的梯级水闸防洪调度方案，建议在工程河段上游，选择适合建立水文站的位置，建立水情测站，观测降雨、水位、流量等数据，用作堆龙河梯级闸坝运行管理的报汛站。