防洪水库在山区城市防洪的应用研究
防洪水库在山区城市防洪的应用研究
摘要：结合龙岩市永定区光坑水库工程实例，对比防洪水库滞洪削峰模式与传统泄洪模式的防
洪效果。结果表明，滞洪削峰水库调洪后流量为 98m3/s,共削减洪峰流量 67m3/s,是传统水库洪
峰削减效果的近 10 倍。此外，滞洪削峰水库发挥出较大的错峰效应。由于滞洪削峰水库泄洪
底孔完全打开，水库在常规时间不进行蓄水，不会影响下游河道，不会对生态环境造成影响，
是一种生态水库。同时，库容要求小于常规防洪水库，对选址范围要求不高，建设更为便利。
有限元模拟结果表明，洪峰到达时，倒灌流量也达到峰值，水库滞洪量处在上升阶段。随着洪
峰远离，倒灌流量从流入转变为流出，然后逐渐恢复平稳。
洪水是一种常见的自然灾害，通过修建防洪水库是城市防洪的重要手段，许多学者对此进行了
研究[1,2,3,4]。郭世兴等[5]以陕西王瑶水库为研究对象，对多泥沙河流水库的防洪排沙过程进
行了阐述和优化。王方方等通过对江西省防洪水库的调查研究，建立了防洪调度优化模型，有
效提升了防洪水库的滞洪削峰能力。顿晓晗等提出了一种防洪库容曲线推算方法，评估了水库
防洪风险。然而，传统防洪水库常常受到坝址、造价和生态等多方面的限制，如建设成本过
高、通过修建防洪水库进行小流域山洪防洪不切实际等等。考虑到传统防洪水库的运作模式，
本文提出一种滞洪削峰水库，对选址范围要求不高，便于建设，不会对生态环境造成破坏，可
以满足小流域山洪防洪的需要。
本文针对滞洪削峰水库的防洪机理进行阐述，与传统防洪水库进行区分，结合工程实例，对比
滞洪削峰水库与传统防洪水库的洪峰削减效果。同时，对滞洪削峰水库的设计方法和流程进行
描述，包括最大安全泄洪流量的确定、泄洪底孔和溢洪道尺寸的选择和堰顶高程的设计。
1 滞洪削峰水库
1.1 水库削减洪峰机理
修建水库来削减洪峰达到防洪效果，是城市防洪的一种有效手段。洪峰消减机理则基于水量平
衡方程：
ΔV=0.5(Q1+Q2)Δt-0.5(q1+q2)Δt (1)
其中：ΔV 为时段内的蓄水变化量，m3;Q1 为初始进库流量，m3/s; Q2 为末段进库流量，m3/s;
Δt 为该时段持续时间，s; q1 为初始出库流量，m3/s; q2 为末段出库流量，m3/s。
控制入库流量和出库流量可以改变水库蓄水量，通过建设泄洪设施，可以在洪水来临时限制出
库流量，以达到消减洪峰的目的。防洪水库的泄洪设施一般为两种，分别是无压溢洪道和有压
泄洪底孔。
无压溢洪道的泄洪能力计算公式如下：
Q1=mB(2g)0.5h^1.5 (2)
其中：Q1 为堰泄水流量，m^3/s; m 为无量纲的堰流系数；B为泄洪道的宽度；h为溢洪道高
度。
有压泄洪底孔的泄洪能力计算公式如下：
Q2=μA(2gH)0.5 (3)
其中：Q2 为底孔泄水流量，m^3/s; μ 为无量纲的孔流系数；A为泄洪底孔面积，m^2;H 为上下
游水位差，m。
通过式(2)可知，无压泄洪道的泄洪能力取决于堰顶水头大小。当库水位提高时，能显着增加下
泄能力，不过在洪峰削减方面的作用较为有限。通过式(3)可知，有压泄洪底孔的泄洪能力取决
于H即上下游水位差。当水位提升时，其泄洪能力增加不明显，但在洪峰削减方面作用较为显
着。因此，结合有压泄洪底孔的特点，在防洪时可先将无法通过有压泄洪底孔下泄的洪水引导
进水库，以保证下游水位的泄洪安全。同时，若库水位超过设计洪水位，通过无压溢洪道与有
压泄洪底孔联合泄洪，以保证大坝的安全性。
1.2 滞洪削峰水库的定义
通过预留防洪库容来阻蓄洪水是防洪水库的传统手段，其单位库容对洪峰削减的流量通常为
0.03～0.38m3/s, 因此对防洪水库库容的要求较高。
而在实际防洪案例中，山洪通常是由于连续降雨或者暴雨作用导致河道安全泄洪能力无法满足
洪水流量，出现堤防决口或洪水漫顶现象。就防洪工程而言，对于满足河道安全泄洪的洪水关
键在于洪峰的削减而不是尽可能减少洪水流量。当存在完全开放的泄洪底孔时，较小的洪水可
通过泄洪底孔进行下泄；洪水较大时，泄洪底孔下泄能力会限制泄洪过程，泄洪底孔将从初始
的无压状态逐渐转变成有压状态，部分未通过泄洪底孔下泄的洪水在水库中滞蓄。若下游的最
大安全泄洪能力等于泄洪底孔下泄的流量，则此时的水位即为水库设计水位，也是溢洪道的堰
顶高程。若库水位大于设计水位，则坝顶的溢洪道将与泄洪底孔联合参与泄洪过程，此时下泄
流量不再满足下游安全泄洪要求，在下游河道应进行人员物资转移，实施避洪预案。当上游流
量减少，其水流量小于泄洪底孔的下泄流量，此时水库中的水将通过泄洪底孔下泄到下流河道
中去，水库水位降低，泄洪底孔的泄洪过程将由有压状态转变为无压状态。通过泄洪底孔泄洪
从无压向有压再到无压的转化，即为完成一次削减洪峰过程。为了与传统水库进行区别，对上
述这种平时不蓄水、开放泄洪底孔的水库定义为滞洪削峰水库。在非洪水时期，滞洪削峰水库
可关闭泄洪底孔进行蓄水，对水资源进行利用开发；在主汛期或者有预报暴雨天气时，需要对
水库进行预先腾空，以满足防洪需要。
2 滞洪削峰水库的大坝设计
滞洪削峰水库由于其水库平时不进行蓄水，因此水库库容相对传统防洪水库并不大，但需要在
坝底安设泄洪底孔。遇到超过其泄洪标准的洪水，坝顶还需要参与到泄洪过程。因此，在滞洪
削峰水库的设计中，不宜采用土石坝作为坝型，多采用混凝土重力坝或浆砌石重力坝作为滞洪
削峰水库的主要坝型。可结合当地的地质条件就地取材，在保证质量的前提下，从经济角度选
取相应的坝体类型。
2.1 确定最大安全泄洪流量
确定最大安全泄洪流量是建设滞洪削峰水库的首要目标。若下游河道的泄洪能力不能满足防洪
要求，且受到场地、地形限制，无法对河道进行加固以提高其泄洪能力，而建设传统防洪水库
又不现实，此时滞洪削峰水库就成为比较优质的选择。滞洪削峰水库的最大安全泄洪流量需通
过下游河道的泄洪能力所确定。计算方法主要有河道流量演进法、洪水流量过程线作图法和等
效面积计算法等。
若在滞洪削峰水库下游出现两个或多个防洪对象时，需分别计算大坝的安全下泄流量，最小值
即为水库的最大安全泄洪流量。
2.2 泄洪底孔尺寸和溢洪道堰顶高程
泄洪底孔的尺寸选择以及溢洪道堰顶高程的确定也是滞洪削峰水库设计的关键。为此，首先需
要计算水库的库容曲线，其次对泄洪底孔的尺寸进行假定，再通过洪水过程线进行推演，以此
来计算相应的泄洪底孔尺寸所对应的滞洪库容。再结合最大下泄流量，对泄洪底孔的尺寸进行
确定，再对该泄洪底孔进行复核验算，确定堰顶高程。此外，在泄洪底孔设计时，应尽可能保
证在常发的小洪水防控中，使其不淹没库区农田。
2.3 坝顶溢洪道尺寸
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防洪水库在山区城市防洪的应用研究摘要：结合龙岩市永定区光坑水库工程实例，对比防洪水库滞洪削峰模式与传统泄洪模式的防洪效果。结果表明，滞洪削峰水库调洪后流量为98m3/s,共削减洪峰流量67m3/s,是传统水库洪峰削减效果的近10倍。此外，滞洪削峰水库发挥出较大的错峰效应。由于滞洪削峰水库泄洪底孔完全打开，水库在常规时间不进行蓄水，不会影响下游河道，不会对生态环境造成影响，是一种生态水库。同时，库容要求小于常规防洪水库，对选址范围要求不高，建设更为便利。有限元模拟结果表明，洪峰到达时，倒灌流量也达到峰值，水库滞洪量处在上升阶段。随着洪峰远离，倒灌流量从流入转变为流出，然后逐渐恢复平稳。洪水是一种...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-05-01
