【科普揭秘】水电站大坝是如何防洪泄洪的？

        近日，我国多地迎来强降雨天气，防灾工作迫在眉睫。今天，小编就给大家安利一篇好文，看看水电站大坝是如何防洪泄洪的。

       水电站所有的建筑物都有其特有的功能，它们可以用于拦截河流、集中落差、形成水库，其中最为常见的就是水电站大坝、水闸挡水等。大坝在防洪泄洪方面起到重要的作用。

水电站大坝类型

         坝，作为水利枢纽，主要功能是挡水防洪。大坝的类型根据坝址的自然条件、建筑材料、施工场地、导流、工期、造价等综合比较选定。每个水电站大坝都必有的部分是挡水坝段。

        通常来说，大坝分为土坝、重力坝、混凝土面板堆石坝、拱坝等。有些水电站的发电厂房也是大坝的一部分。

        水电站大坝在溪流、河流、河口作为屏障，防洪泄洪，用水力发电，或存储水源、灌溉。我国有丰富的江川河流，水电站发电独占鳌头。2013年水电站发电消费为206.3 Mtoe(百万吨油当量)，占世界总量的24%，按照1吨油当量=1.5吨煤计算，相当于3亿吨煤。

      下面主要分析拱坝、重力坝。

       拱坝是建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游，两端紧贴着峡谷壁，通常坝身还有泄洪孔、导流孔。

       世界十大拱坝工程分布在亚洲、欧洲两大区域。中国在十大拱坝上占据五个席位，分别为：锦屏一级坝(坝高305米)、小湾坝(坝高292 米)、溪洛渡坝(坝高285.5米)、拉西瓦坝(坝高250米)、二滩坝(坝高240米)。

                            锦屏一级拱坝，来源：中国水利水电科学研究院

        拱坝几何形状复杂，施工难度大。拱坝在拱与梁的共同作用下，承受负荷，它的稳定性依靠两岸拱端的反力作用，对基地的要求高。拱坝坝身可以泄水，不设永久性伸缩缝，抗震性能好。

        重力坝，由砼或浆砌石修筑的大体积档水，基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。在水压力和其负荷作用下，主要依靠坝体产生的抗滑力满足稳定要求。筑坝材料为混凝土或浆砌石。重力坝可能有船闸、鱼道、冲砂孔。

                           重力坝，来源：广东省中国水利水电科学研究院

        据统计，在各国修建的大坝中,重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。比如，三峡大坝，是世界上规模最大的混凝土重力坝，坝高181米、坝长2335米、坝顶宽度40米、坝底宽度115米。它位于中国湖北省宜昌市境内，距下游葛洲坝水利枢纽工程38公里，年发电量为985亿千瓦小时，是当今世界最大的水利发电工程——三峡水电站的主体工程、三峡大坝旅游区的核心景观、三峡水库的东端。

        在大江大河上建设大坝多选用重力坝；山区狭窄河道，且坝肩地质承载力好的话，使用拱坝小型的橡胶坝。重力坝一般用混泥土或块石混泥土作为筑坝材料。对水库蓄水电站而言，也有很多是用就近取土作为筑坝材料。一般来说，大坝高度越高，水库则越大，调节性能就越好，能够起到为电力系统调峰、调频、调相的作用。而影响坝高的因素很多，包括地质、地形、电力需求等。

水电站特征水位介绍

                              水电站水位介绍图示一，来源：网络

       水电站的特征水位主要有死水位、正常蓄水位、汛限水位、防洪限制水位、防洪高水位、设计洪水水位、校核洪水位等。

       死水位是在正常运行时，水库消落的最低水位，死水位以下的水库容积是死库容，一般是为了保持水电站有一定的工作水头，不被利用。

      正常蓄水位，又称正常高水位、兴利水位、设计蓄水位，是水库最重要的一项特征水位，是挡水建筑物稳定计算的依据。当采用无闸门控制泄洪建筑物时，它与泄洪堰顶高程相同；当采用闸门控制泄洪建筑物时，闸门关闭，它是允许长期维护的最高蓄水位。

       汛限水位是指汛期为满足防洪要求，限制水库兴利允许的上限水位，低于正常蓄水位。汛限水位可以与死水位重合，如北京官厅电站水库，正常蓄水位479m，死水位及汛限水位为476m。汛限水位也可以介于蓄水位和死水位之间，适用于有一定规律可循的河流。汛期洪水发生时间不大稳定，对于洪水出现不定期或全年多次洪峰的情况，需要在任何时候预留出防洪所需的库容，汛限水位可以与正常蓄水位重合。

       防洪限制水位是水库调节后达到的坝前最高水位，防洪高水位是坝前达到的最高水位，只有在水库对下游防洪时，才需要确定这一水位。这一水位可采用相应的下游防洪标准的各种典型洪水，按照拟定的防洪调度模式设计。为了保障汛期水库防洪，水库会在汛期没到时，腾出库容。汛限水位以上的库容是作为滞蓄洪水的库容，在发生洪水的时候，水库才允许超过防洪限制水位来泄洪，洪水消退，如汛期未过，应尽快地泄洪，使水库水位迅速回降到防洪限制水位。如上图所示，防洪限制水位一般低于设计洪水水位和校核洪水位。

      设计洪水水位是挡水建筑稳定计算的主要依据，是水库遇到大坝的设计洪水时，在坝前达到的最高水位。

      校核洪水位是水库在正常运作下，短期允许达到的最高水位，是确定大坝顶高进行安全校核的依据。校核洪水位与防洪限制水位之间的库容是调洪库容，校核洪水位以下的库容为总库容。

水电站大坝防洪调度

         防洪泄洪关系民生，大坝在防洪泄洪方面起到重要的作用。举个例子，三峡大坝设计最高蓄水位是175米。在每年汛期，保证上游水位在145米的防洪限制水位，多出30米的库容以迎接洪峰。洪峰后，超过145米的水量下泄，为下次洪峰做准备，下泄的水使中下游江面的水位升高，但不影响人们的生命和财产安全。

         泄洪，是水库里的水不急着用于发电，直接从大坝通过。水坝、水库和水电站作用是通过拦蓄洪水，蓄洪补枯，在调节水资源的同时壅高水位发电。

        泄洪需要进行防洪调度，满足蓄洪补枯。

        以三峡为例子，它的可调度库容221亿立方米，长江的年径流量接近一万亿立方米，水量的百分之八十在雨季。为保证三峡防洪库容发挥作用，需要防洪调度，保障库容拥有221亿库容防洪能力。进入汛期，三峡水库的水位不能超过145米高程。

        防洪调度的目的是要保障水库防洪作用。还是以三峡水库为例，一旦三峡水库不能再规定时间内把发电水位降到最低，必须通过泄洪让水库水位保持到汛限水位。

       20世纪90年代，水电站大坝对几场大洪水的防洪泄洪起到了重要作用，减少了洪水带来的巨大风险。防止洪水漫坝、溃坝，实现人与自然和谐相处，也被越来越多的人们所重视。