关于水库优化设计理论的探究.doc

1、关于水库优化设计理论的探究摘要：本文通过对水库工程优化设计进行分析研究，从技术、经济、社会、环境等方面论证其可行性，并重点对水库优化设计数据采集、测量技术运用重点注意事项进行提出了要求。 关键词：水库工程优化设计 库容 优化数据 中图分类号：TV 文献标识码：A 水库有山谷水库、平原水库、地下水库等，以山谷水库，特别是其中的堤坝式水库，为数最多。通常所称的水库工程多指这一类型。它一般都由挡水、泄洪、放水等水工建筑物组成。这些建筑物各自具有同作用,在运行中,又相互配合形成水利枢纽。水库工程规划通常应在流域规划、地区水利规划或有关专业水利规划的基础上进行。水库工程是一项重要的水利工程设施，科学合理

2、的优化设计可以根据人们的需要改变河流中的流量变化过程，有效地拦蓄洪水，提高枯水径流，达到防洪、兴利、综合利用水资源的目的。 1 水库优化设计的意义 1.1 水库水库是我国防洪广泛采用的工程措施之一。在防洪区上游河道适当位置兴建能调蓄洪水的综合利用水库，利用水库库容拦蓄洪水，削减进入下游河道的洪峰流量，达到减免洪水灾害的目的。 1.2 水库的兴利作用就是进行径流调节，蓄洪补枯，使天然来水能在时间上和空间上较好地满足用水部门的要求。 2 水库优化设计水库特征水位的选择 2.1 水库特性曲线。水库的特征曲线是描述水库库区地形特征的，包括：水库水位面积曲线 Hf（A） 。水库水位与容积曲线 Hf（V）

3、 （V，而（A1+A2） 2.2 选择正常蓄水位。要根据库区淹没浸没情况、坝址及库区地形地质条件、河流开发的梯级衔接以及水文特性等，先拟定允许的极限变动范围，而后再在这一范围内拟定若干比较方案，通过各方案的水利动能指标、 效益指标和投资、 工期等确定。 2.3 选择死水位。要根据水库库容特性、综合利用要求以及设计、施工、机电等方面的特殊限制条件，在可能的上下限间拟定几个方案进行比较。 2.4 选择防洪限制水位。关键在于协调防洪与兴利的矛盾，在多泥沙河流还涉及对泥沙淤积速率与部位的控制，多在拟定的正常蓄水位基础上进行一些方案比较。防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位都属与拦洪有关的水库水位，水位高

4、低取决于水库下游保护对象的防洪标准、水库工程等级及设置的泄洪设施，一般可在选定的其他特征水位的基础上进行局部方案比较。 2.5 水库总库容。对各种水位和库容进行分析和计算，V 总V 死+V兴+V 防+V 超，最后根据水库水位与容积曲线图上查出相应 V 总时的水位，加安全超高和风浪爬高，即得水库坝顶高程。 3 水库优化设计中需要注意的重点部位设计 3.1 工程安全。水库蓄水后，一旦失事将会造成可估量的损失，为此要把这一问题放在首要位置加以考虑。除必须对采用的水文资料、地质资料、水力计算、水工结构分析等方面的可靠性进行评价外，还要对某些自然因素、人为因素可能带来的风险作出估计。 3.2 泥沙问题。

5、多泥沙河流上的水库蓄水后，将引起水库淤积和坝下游河道的冲刷，从而对航运、防洪、供水等方面造成一些新问题。对此，要慎重对待，根据水库运用条件进行冲淤分析计算。必要时要研究设置适当的排沙设施，并考虑对水库运行方式加以某些限制。按泥沙因素确定死库容，年淤积体积 V 淤年 = Fs F / r 。其中，Fs：年淤积量模数，以吨表示，根据环保部门、水土保持部门的资料得到。F：承面面积（Km2）r：泥沙的淤积容量，一般为 1.11.6 吨/立方米。V 死=V 淤年N。 3.3 库区淹没。编制工程规划时，要根据水库运行方式，考虑淹没对象的具体条件划定淹没范围并拟定同的处理标准，提出相应的处理规划。中国人多地

6、少，许多水库建设都将涉及大量移民安置问题。妥善安排移民生产生活，是处理规划中的重要内容。 3.4 生态环境。水库建成后，对生态环境造成的影响，也常是衡量工程可行性的重要因素。通常需要考虑的，除上述因库区移民、水库泥沙带来的问题外，通常还需考虑：水库蓄水后对水温、水质、渔业生产条件、文化资源损失、库区生物群体环境、疾病传播与人群健康等方面的影响。所有这些都要作好预测并认真加以分析。根据规划的发电量所需最低水头的坝前高程，该水位以下的库容为死库容。养殖水深大于 2 米，按规划航运终点航船要求的枯水季的吃水深度，该水位以下的为死库容。3.5 水库兴利库容及水位。水库一般是年调节，年调节前提：年来水年

7、用水，多年调节：设计年来水设计年用水，但多年设计年来水多年设计年用水。调节计算的原理是把调节周期分为若干个计算时段，并按时序进行逐时段的水库水量平衡计算。根据不计入损失时的 V 兴，加以考虑计入损失库容，得出相应计入损失的 V 兴，再加上死库容得出总库容，然后在 Hf(v )曲线查出相应水位即为兴利水位。 3.6 设计洪水计算。首先作一定的资料收集，审查可靠性和代表性的洪水流量，再作修正工作（插补延长洪水径流系数） ，作历史洪水调查。然后根据在水文系列资料中，每年选一最大洪峰流量进行水文统计，绘制理论频率曲线，然后根据设计频率求得 Qmax，并按一定时段（一日、三日、五日）每年选定这样时段最大

8、的洪量进行水文统计计算，绘制理论频率曲线，然后根据设计频率求得 W 设。 3.7 确定防洪库容和溢洪道尺寸。为了保证大坝安全和下游防洪的需要，达到削减上游洪峰，拖延洪水时间的作用。溢洪道底部高程即为 H兴，适用于洪水不稳定，洪水预报不易准确的地区。当洪水来临前，提前开闸，使水位降到溢洪道底部高，正常情况下，闸门挡水高度到 H 兴。4 水库优化设计数据采集主要技术的应用 4.1 高精度水下地形测量技术。目前，水下地形测量技术已定型于采用 GPS 获取平面坐标，测深仪获取深度数据的基本模式。同时，为了获得水下地物的海拔高程，以及消除潮汐、水位落差等诸因素的影响，进行水位监测也是一个重要环节。 4.

9、2 载波相位差分测量。载波相位差分测量的定位精度很大程度上依赖于整周模糊度能否在航精确确定。整周模糊度在航解算(OTF)是一种动态环境下的模糊度确定方法，它可省去在精密动态定位中的的静态初始化过程。常规精密定位中复杂的整周跳变问题也因 OTF 的引入变得十分简单。 4.3 高精度库容和淤积量测量方法。库容和淤积量的精密测量采用现代水下地形测量方法，即利用 GPS 载波相位差分测量技术进行平面定位，测深仪进行深度测量，GPS 和测深仪保证同步作业，获取水底测点平面和深度信息的作业模式。为了保证库容和淤积量的计算精度，需要对库区进行测线设计，GPS 和测深采样也要按照水下地形测量规范等间隔或等时间

10、采样。 4.4 测线布设。为了提高测量精度，在测线布设时，还应该考虑水下地形的变化趋势，若变化相对比较平坦，则测线间距可以适当放宽，否则，需加密测线。这有利于使测点均匀分布于整个测区，同时在测区水下地形变化复杂的地区使测点深度或高程能更好地反映水下地形的真实面貌。 4.5 泄洪排沙底孔设计。为了提高底孔的抗冲磨能力，避免或减少环形裂缝，对底孔坝段要采用温度荷载及混凝土自生体积变形作用的全过程仿真粘弹性应力计算新技术，温度荷载在总荷载中起控制作用，而冬季保温则可大大改善底孔的应力条件。在加强坝面和底孔越冬保温措施的条件下，参照仿真计算成果适当进行配筋设计，在底孔出口的坝体与边墙之间设置一道纵缝，

11、以减少基础的强烈约束。 4.7 大坝加固处理设计。坝体与坝基防渗技术设计坝身与坝基防渗技术，需要经过经济的、技术的多种方案的比较后才能确定，通过长期的实践证明，采用以劈裂灌浆加高压喷射灌浆的综合处理方案比较经济实用。灌浆范围通过管理灌浆布置和高压喷射灌浆，完成不同面值的河床基岩面的发行，也可完成对土坝防渗的防渗体系。通过手持式数据采集机可以定期读取高喷灌浆内储存的数据记录以及对高喷灌浆进行数据下载。 5 结束语 目前，虽然我国在水库优化设计方面取得了很大进展，但水库优化方法仍侧重于线性规划、动态规划、大系统分解协调及模拟技术，这与水库高科技运转的要求仍有着不小的差距，需要水利工程设计工作者进一步强化专业知识培训，积极学习国外先进经验，结合我国水库优化设计工作实际，摸索出一条适合我国国情的水库优化设计理论。 参考文献： 1肖义,郭生练,等.基于风险分析的大坝设计洪水标准研究J. 水力发电,2003(11):6-9. 2 于永海.曲洋.综述水电工程对生态环境负面影响的减轻措施J.小水电，2006.04. 3 梁开龙.水下地形测量 M.北京：测绘出版社，1995. 4赵建虎，周丰年，张红梅.水上 GPS 水位测量方法研究 J.测绘通报，2001：1-3. 5中华人民共和国国家统计局编，2007 中国统计年鉴M.北京：中国统计出版社，2007：469.