白市樞紐壩下脫水段設(shè)計(jì)水位的探討

張 俊 劉小云 任華強(qiáng)

湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410005

清水江是長(zhǎng)江支流沅水的上游，發(fā)源于貴州省貴定、麻江、都勻三縣（市）間的云霧山，沿途接納重安江、巴拉河、南哨河、瑤光河、六洞河等主要支流，入湘境，在常德注入洞庭湖，于城陵磯匯入長(zhǎng)江。黔境內(nèi)長(zhǎng)452km，平均比降2.8‰，流域面積17086km2，流經(jīng)黔境的都勻、凱里、劍河、錦屏、天注等15個(gè)縣（市）。

貴州省境內(nèi)清水江白市樞紐下游河道，目前航道維護(hù)尺度為1.0m×30m×105m，僅能通航50～100t級(jí)船舶。同時(shí)受上游白市樞紐及下游托口樞紐過閘設(shè)施影響，本航段目前為區(qū)間通航。現(xiàn)階段，托口樞紐已蓄水至250m，深水庫(kù)區(qū)內(nèi)淺灘基本消失，航道尺寸基本能滿足Ⅳ級(jí)航道通航要求，為航道等級(jí)的提升創(chuàng)造了有利條件。但白市樞紐下游存在約8km脫水段與托口庫(kù)區(qū)回水尚未銜接，枯水時(shí)不滿足Ⅳ級(jí)航道通航要求，為本段航道整治重點(diǎn)。

1 研究思路及過程

1.1 總體思路

清水江白市至分水溪航段位于白市樞紐和托口樞紐之間，屬于托口樞紐的變動(dòng)回水區(qū)，航道通航水位的確定同時(shí)受白市樞紐下泄流量及下游梯級(jí)托口樞紐的回水影響。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014）6.4.4條的規(guī)定，樞紐上游河段應(yīng)采用規(guī)定保證率的入庫(kù)流量與相應(yīng)的壩前水位組合，并采用壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)各級(jí)入庫(kù)流量組合，得出多組回水曲線，取其下包線作為沿程各點(diǎn)的設(shè)計(jì)最低通航水位；樞紐下游河段應(yīng)采用規(guī)定保證率，分析選定設(shè)計(jì)流量，并考慮樞紐日調(diào)節(jié)影響推算確定，下游有梯級(jí)時(shí)應(yīng)銜接。同時(shí)，規(guī)范要求樞紐上下游河段設(shè)計(jì)通航水位應(yīng)結(jié)合樞紐運(yùn)行后的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行必要的驗(yàn)證和調(diào)整。

目前白市及托口樞紐運(yùn)行均不足4年，且下游托口樞紐蓄水至正常蓄水位250m僅8個(gè)月時(shí)間，樞紐運(yùn)行后的水位及調(diào)度資料有限，臨近河段也無相關(guān)水文站。因此，工可階段擬通過分析托口樞紐的設(shè)計(jì)資料特征水位以及其達(dá)到正常蓄水后的實(shí)測(cè)水位，分別推算工程河段最低通航水位并進(jìn)行比選。同時(shí)考慮長(zhǎng)距離開挖后的水面降落計(jì)算出沿程實(shí)際設(shè)計(jì)水位。

1.2 推算過程

方案一：

（1）起推水位（托口樞紐的設(shè)計(jì)資料特征水位）?！锻锌陔娬究尚行匝芯繄?bào)告》中所述調(diào)度規(guī)則為按托口水電站與三板溪、白市等梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，報(bào)告采用1951年1月～2002年12月共52年徑流資料進(jìn)行長(zhǎng)系列徑流補(bǔ)償調(diào)節(jié)計(jì)算，確定多年運(yùn)行特性指標(biāo)如下：托口水電站水庫(kù)正常蓄水位250.00m，運(yùn)行歷時(shí)約占總運(yùn)行歷時(shí)的54%，水庫(kù)汛期限制運(yùn)行水位246.00m，運(yùn)行歷時(shí)約占總運(yùn)行歷時(shí)的16%，消落到死水位235.00m的歷時(shí)約占總運(yùn)行歷時(shí)的3.3%。

根據(jù)《托口電站可行性研究報(bào)告》給出的電站水位保證率曲線，查得其壩址處95%保證率水位為238.0m。

（2）設(shè)計(jì)流量。本段航道規(guī)劃為IV級(jí)航道，根據(jù)規(guī)范要求多年歷時(shí)保證率為98%～95%，考慮本河段為山區(qū)性河流，最低通航水位保證率可取95%。根據(jù)白市電站工可報(bào)告水文分析，查得白市電站壩址處多年歷時(shí)95%保證率流量65.2m3/s作為設(shè)計(jì)流量。

（3）脫水段航道天然水面線推算。根據(jù)以上資料、選定的模型、擬定的方案進(jìn)行水面線計(jì)算，該河段糙率選取參考《托口電站可研報(bào)告》糙率分析成果，該河段糙率取值范圍為0.045～0.062，同時(shí)根據(jù)白市壩下水位流量關(guān)系及實(shí)測(cè)中枯水水位流量關(guān)系反推糙率，最終取綜合糙率n=0.06。斷面布置圖及推算成果圖如圖1、2所示。

圖1 天然水面線推算斷面布置圖

圖2 天然水面線推算圖

（4）挖槽引起的水面降落。由以上分析的天然狀態(tài)下水面線成果圖可知，部分?jǐn)嗝嫠钚∮?.9m設(shè)計(jì)水深，不能滿足IV級(jí)航道通航要求，因此需采取工程措施，改善該段航道通航條件。

開挖航槽是解決航道水淺流急的重要措施之一，但是長(zhǎng)河段挖槽通常會(huì)引起枯水同流量的水位降落，導(dǎo)致開挖工程量加大。挖槽引起的水面降落值與挖槽尺度（寬、深）、部位、底坡及上游來流條件等因素有關(guān)。下游長(zhǎng)河段連續(xù)開挖可能會(huì)使上游航道水深條件進(jìn)一步惡化，下游段水位降落向上游段傳遞，但不是兩河段水位變化的簡(jiǎn)單疊加，往往需要考慮本段河槽開挖與下游開挖的綜合影響，并對(duì)挖槽后長(zhǎng)河段的水面線進(jìn)行重新試算和迭代。

依據(jù)前文的天然河段水面線計(jì)算成果，在滿足航槽設(shè)計(jì)水深的開挖情況下，本項(xiàng)目壩下8km脫水段大致分為5個(gè)灘險(xiǎn)，屬長(zhǎng)河段深槽式開挖?？紤]到連續(xù)長(zhǎng)河段開挖水面降落試算和迭代的復(fù)雜性和誤差，為簡(jiǎn)化試算，假設(shè)河段水流為均勻流，并且挖槽前后河床糙率不變，采用最下游單一灘挖槽水面降落后的水面比降向上游類推，試算挖槽后水面線，直至沿程水深滿足設(shè)計(jì)水深要求。

①按照目前航道設(shè)計(jì)挖槽方案和斷面參數(shù)，采用均勻流估算法計(jì)算最下游灘挖槽后引起的水位降落：

表1 最下游灘險(xiǎn)挖槽引起的水位降落計(jì)算過程表

②根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，得到新的水面線，據(jù)此得到新的設(shè)計(jì)河底高程，重新代入前文的水面線計(jì)算模型進(jìn)行試算，不斷迭代后得到開挖后的水面線，最終得到挖槽后最下游灘險(xiǎn)灘尾水位238.0m，灘頭水位238.67m，水面比降約為0.41‰。

③為提高計(jì)算精度，加密壩下脫水段計(jì)算斷面，共布置27個(gè)斷面（見圖3），以最下游灘挖槽后的水面比降向上游類推，在滿足沿程設(shè)計(jì)水深的前提下，迭代試算沿程水面線，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 挖槽后水面線推算斷面位置圖（斷面加密）

表2 挖槽后水面線計(jì)算成果表

（5）挖槽后效果分析。從上表計(jì)算成果可知，考慮挖槽水面降落后，壩下脫水段最下游斷面設(shè)計(jì)水位為238.0m，下游引航道口門區(qū)設(shè)計(jì)水位為240.17m，經(jīng)核算沿程水深基本滿足設(shè)計(jì)水深1.9m。此外對(duì)比天然和挖槽后水面線計(jì)算成果可知，開挖后沿程流速較開挖前明顯降低，沿程流速均衡化，說明河段水流條件得到明顯改善。

方案二：

（1）起推水位。根據(jù)托口電站蓄水蓄至250m后，歷時(shí)8個(gè)月逐時(shí)水位進(jìn)行計(jì)算，其95%保證率約為239.8m。

（2）設(shè)計(jì)流量。與方案一相同，白市電站壩址處多年歷時(shí)95%保證率流量65.2m3/s。

（3）挖槽引起的水面降落。同方案一計(jì)算得出挖槽后最下游灘灘尾水位239.8m，灘頭水位240.15m，水面比降約為0.33‰。再以最下游灘挖槽后的水面比降向上游類推，在滿足沿程設(shè)計(jì)水深的前提下，迭代試算沿程水面線，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 挖槽后水面線計(jì)算成果表

續(xù)表3

1.3 方案分析及推薦方案

方案一取托口樞紐原設(shè)計(jì)資料95%保證率水位238m作為起推水位，同時(shí)考慮白市電站瞬時(shí)最小下泄流量65.2m3/s，來確定工程河段的設(shè)計(jì)水位。方案二根據(jù)托口電站蓄水蓄至250m后，歷時(shí)8個(gè)月逐時(shí)水位進(jìn)行計(jì)算，其95%保證率約為239.8m，高于方案一起推水位238m近2m。方案二工程量較小，投資較省，但因托口電站蓄水完成后時(shí)間太短，2016年12月9日完成第二階段蓄水至正常蓄水位250.0m?；A(chǔ)水文資料歷時(shí)較短，僅8個(gè)月，資料代表性不足，計(jì)算成果不夠可靠。方案一采用的基礎(chǔ)資料更詳實(shí)，為達(dá)到《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的通航保證率要求，確保高等級(jí)航道的常年暢通，本階段將方案一作為推薦方案確定設(shè)計(jì)最低通航水位。

隨著本工程的推進(jìn)，實(shí)測(cè)資料歷時(shí)將逐漸延長(zhǎng)，后續(xù)階段擬根據(jù)實(shí)測(cè)資料的逐漸完善對(duì)設(shè)計(jì)水位再進(jìn)行逐步調(diào)整優(yōu)化。

2 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)水位是航道工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工所依據(jù)的重要技術(shù)參數(shù)，其準(zhǔn)確性對(duì)航道工程的造價(jià)、效果乃至成敗影響甚大。

對(duì)于壩下脫水段設(shè)計(jì)水位的計(jì)算，在實(shí)測(cè)資料年限不足的情況下，前期工作可通過收集相關(guān)工程設(shè)計(jì)資料，在滿足規(guī)范的前提下對(duì)其進(jìn)行初步推算，同時(shí)應(yīng)考慮長(zhǎng)距離河段開挖引起的水面降落，對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行不斷的核算，保證其開挖后的沿程水深滿足通航要求。并根據(jù)動(dòng)態(tài)管理的整治原則隨著工程的推進(jìn)，實(shí)測(cè)資料歷時(shí)的逐漸延長(zhǎng)，后續(xù)階段對(duì)設(shè)計(jì)水位進(jìn)行逐步調(diào)整優(yōu)化。

本文以白市壩下脫水段為實(shí)例針對(duì)其設(shè)計(jì)水位的確定進(jìn)行探討，希望對(duì)相關(guān)的航道建設(shè)工程起到一定參考作用。