基于無防洪任務(wù)的混凝土壩泄洪規(guī)模研究

王民俠

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

混凝土壩一般采用壩身泄洪的方式,為方便靈活運(yùn)行和排沙常采用表底孔組合的泄洪布置,壩身泄洪建筑物具有泄洪排沙、調(diào)節(jié)庫容、調(diào)節(jié)水位、施工導(dǎo)流度汛等功能,是保障水利樞紐安全、減小洪澇災(zāi)害的重要設(shè)施。表孔具有超泄能力強(qiáng)、泄流落差大的特點(diǎn)。底孔可排沙減淤、靈活運(yùn)用,并兼顧施工導(dǎo)流及度汛。通過對混凝土壩樞紐表底孔孔數(shù)、尺寸及不同組合型式進(jìn)行研究,有利于合理確定泄洪建筑物規(guī)模,擬定經(jīng)濟(jì)壩高,是優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要途徑之一。下游無防洪任務(wù)時(shí),泄流規(guī)模不受防洪影響限制,可根據(jù)工程運(yùn)用要求,研究泄洪規(guī)模與工程投資的關(guān)系。

1 排沙泄洪建筑物布置條件

為方便說明問題,以普化水庫為例進(jìn)行研究。普化水庫總庫容1581 萬m3,為Ⅲ等中型工程,大壩及壩身泄洪建筑物為3 級(jí)建筑物。該水庫具有“河谷窄深、岸坡陡峻,洪水峰形尖瘦、陡漲陡落”的特點(diǎn),壩址位于漆水河上游的低山丘陵溝壑區(qū),河谷為“U”形窄深谷,岸坡大部基巖裸露,漫灘高出河床0.2 m~0.6 m,寬度約10 m~20 m［1］。

2 底孔布置

2.1 底孔運(yùn)行要求

（1）滿足施工度汛要求

施工度汛由底孔和導(dǎo)流洞聯(lián)合過流,度汛標(biāo)準(zhǔn)選用20 年一遇洪水,洪峰流量為409 m3/s,壩前水位918.68 m,導(dǎo)流洞過流量為151 m3/s,底孔過流量112 m3/s。

（2）滿足排沙運(yùn)用要求

正常蓄水位以下庫容1540 萬m3,興利庫容（運(yùn)用30 年后）859 萬m3,淤積庫容678 萬m3。為充分發(fā)揮底孔的排沙功能,排沙泄洪底孔選擇較低的進(jìn)口底板高程有利于拉沙減淤,滿足水庫水沙調(diào)控要求。

（3）保證取水口門前清要求

為保證取水口附近不被泥沙淤堵,底孔宜靠近取水口布置,并低于取水口高程,普化水庫供水干線自大壩左岸接引,底孔緊鄰取水口布置在其右側(cè)。

（4）流態(tài)好,消能好,下游霧化影響小。

（5）為方便靈活啟用,底孔尺寸不宜過大,以避免小開度起閘所引起的震動(dòng)。

2.2 底孔高程確定

為保障排沙及取水效果,底孔進(jìn)口底板高程應(yīng)略高于枯水期水位且低于取水口高程。普化水庫河谷最低點(diǎn)高程為897 m,左岸漫灘高程903 m,漫灘以下河谷狹窄,易被岸坡塌落物淤堵。三個(gè)分層取水口高程分別為921.0 m、930.0 m、939.0 m。根據(jù)以上原則,按略高于河漫灘高度取底孔進(jìn)口高程905.0 m。

2.3 底孔尺寸擬定

漆水河為山區(qū)性河道,流量較小,多年平均流量1.03 m3/s,汛期多年平均流量1.34 m3/s,含沙量8 kg/m3。沖砂閘過水流量一般按汛期平均流量、常遇洪水Q25%~Q45%或Q3%~Q10%洪峰流量確定。

清水河流底孔泄洪能力一般按排沙水位時(shí)下泄流量不小于造床流量控制,黑龍江卡倫山以上河段造床流量約為汛期平均流量的1.13~1.58 倍［2］,據(jù)此計(jì)算普化水庫造床流量為1.51 m3/s~2.12 m3/s；馬卡維耶夫認(rèn)為俄羅斯平原河流河灘灘緣造床流量約為頻率Q1%~Q6%,據(jù)此計(jì)算普化水庫造床流量為1020 m3/s~385 m3/s,淺灘邊灘造床流量為Q25%~Q45%洪峰流量［3］據(jù)此計(jì)算普化水庫造床流量為65 m3/s~43 m3/s；虞邦義等對淮河中游造床流量分析后認(rèn)為,淮河中游造床流量約為多年平均流量的3.89~5.53倍,據(jù)此計(jì)算普化水庫造床流量為4.01 m3/s~5.70 m3/s；約為汛期（6月~9月）平均流量的0.54~0.80倍［4］,據(jù)此計(jì)算普化水庫造床流量為0.72 m3/s~1.07 m3/s。

平原地區(qū)防洪要求高,需充分利用水庫的調(diào)蓄作用,滯洪削峰,以滿足下游防洪要求,多用常遇流量確定沖沙閘孔規(guī)模。普化水庫地處丘陵溝壑區(qū),下游無防洪任務(wù),按照多年平均流量或汛期多年平均流量計(jì)算造床流量偏小,工程布置及運(yùn)行控制均受到限制。

針對本工程底孔水頭不高,洪水峰型尖瘦,洪水集中,可按Q3%~Q10%洪峰流量確定底孔泄流規(guī)模,以保持進(jìn)水口門前清,方便沖淤保障興利庫容。底孔處河道寬度為42 m,根據(jù)沖砂閘過水寬度一般為河道斷面寬度的1/5~1/20,分別布置3 m、4 m、6 m寬方孔沖砂閘（方案一～方案三）,各方案不同水位泄量見表1。

表1 沖沙閘各方案水位泄量表 單位：m3/s

由表1可知：

方案一時(shí),泄洪底孔選用3 m×3 m,死水位926.0 m時(shí)泄量155 m3/s,大于Q20%=74 m3/s,小于Q10%=192 m3/s；設(shè)計(jì)洪水位946.5 m時(shí)泄量222 m3/s,大于Q10%=192 m3/s,小于Q5%=409 m3/s,底孔泄流能力與10 年一遇洪峰流量較為接近。

方案二時(shí),泄洪底孔選用4 m×4 m,死水位926.0 m時(shí)泄量272 m3/s,設(shè)計(jì)洪水位946.5 m時(shí)泄量392 m3/s,大于Q10%=192 m3/s,小于Q5%=409 m3/s,底孔泄流能力與20年一遇洪峰流量較為接近。

方案三時(shí),泄洪底孔選用6m×6m,死水位926.0 m時(shí)泄量595 m3/s,大于Q5%=409 m3/s,小于Q2%=808 m3/s；設(shè)計(jì)洪水位946.5 m時(shí)泄量871m3/s,大于Q2%=808 m3/s,底孔泄流能力與50年一遇洪峰流量較為接近。

將普化水庫泄洪規(guī)模與陜西省近期建設(shè)的混凝土壩工程三河口水庫、洞河水庫、李家河水庫、黃金峽水庫、東莊水庫進(jìn)行比較,各水庫泄洪規(guī)模見表2。

表2 陜西省近期建設(shè)混凝土壩泄洪規(guī)模對照表

從表2 可以看出：東莊水庫為多泥沙河流,為便于泄洪排沙,底孔分流比達(dá)52.6%,底孔最大泄流流量接近10 年一遇洪峰流量；三河口水庫及洞河水庫底孔最大泄流量不到5年一遇洪峰流量；李家河水庫底孔最大泄流流量略大于10年一遇洪峰流量；黃金峽水庫底孔最大泄流量約為2 年一遇洪峰流量；普化水庫采用方案一時(shí),底孔最大泄流流量略大于10 年一遇洪峰流量,在排沙水位926.0 m時(shí)泄量為155 m3/s,介于5 年一遇~10 年一遇洪峰流量之間,普化水庫底孔采用3 m×3 m符合河道陡峻、汛期洪水較大、洪峰尖瘦的特點(diǎn)。

3 表孔布置

3.1 表孔布置原則

（1）適應(yīng)河道地形地質(zhì)條件

河床高程897 m~927 m,天然水面寬4 m~12 m,泄洪表孔布置需根據(jù)地質(zhì)條件采用合適的單寬泄量,泄流寬度要與天然河床寬度相適應(yīng),以減少對下游兩岸的沖刷、霧化影響。

（2）經(jīng)濟(jì)合理的泄洪能力

表孔的泄洪能力與堰頂水頭的1.5 次方成正相關(guān),水頭越大,泄流能力越大,較低的堰頂高程有利于提高泄洪能力,但單寬流量較大,對兩岸及下游沖刷霧化嚴(yán)重。水頭越小,需要的泄洪寬度越大,不利于壩肩穩(wěn)定和兩岸邊坡安全。

（3）最大下泄流量不超過入庫洪峰流量

水庫總泄洪規(guī)模在各級(jí)流量標(biāo)準(zhǔn)下,不超過入庫洪峰流量。

3.2 表孔方案擬定

表孔溢流寬度需考慮下游基巖出露高程及河床寬度,以減少對兩岸邊坡及下游的沖刷,普化水庫2%~0.2%洪水條件下天然水面寬度約25 m~38 m,溢流寬度考慮了2 m×10 m、3 m×10 m、3 m×12 m共3 種組合方案,表孔布置寬度為23.5 m、37 m及43 m。方案組合為：

（1）2孔10 m寬表孔,表孔設(shè)閘,堰頂高程939.5 m。

（2）3孔10 m寬表孔,表孔設(shè)閘,堰頂高程考慮了938.5 m、939.5 m、940.5 m、941.5 m、942.5 m、943.5 m六種方案。

（3）3孔12 m寬表孔,表孔不設(shè)閘門,堰頂高程946.5 m。

4 泄洪規(guī)模比選

4.1 泄洪方案組合及比選

根據(jù)洪水標(biāo)準(zhǔn)和以上布置原則按以下9種方案進(jìn)行泄洪建筑物規(guī)模比選（底孔進(jìn)口底板高程均采用905.0 m）,不同方案組合型式及比選見表3,泄洪方案直接費(fèi)見圖1。

圖1 泄洪方案費(fèi)用比較

表3 泄洪方案綜合比較表

（1）方案Ⅰ~方案Ⅵ：1孔4 m×4 m底孔和3 m×10 m寬表孔,表孔堰頂高程分別采用943.5 m 、942.5 m、941.5 m、940.5 m、939.5 m、938.5 m共6 種方案,表孔設(shè)閘運(yùn)行；

（2）方案Ⅶ：1孔3 m×3 m底孔和3 m×10 m寬表孔,表孔堰頂高程938.0 m,表孔設(shè)閘運(yùn)行；

（3）方案Ⅷ：1孔3 m×3 m底孔和2 m×10 m寬表孔,表孔堰頂高程939.5 m,表孔設(shè)閘運(yùn)行；

（4）方案Ⅸ：1孔6 m×6 m底孔和3 m×12 m寬表孔,表孔堰頂高程946.5 m,表孔不設(shè)閘門,自由溢流。

4.2 泄洪方案比較

由表3 及圖1 可以得出：方案Ⅸ在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí),底孔泄流量均大于50 年一遇洪峰流量,底孔泄洪規(guī)模較大,不利于小流量沖砂及靈活開啟運(yùn)用,校核洪水位時(shí)底孔分流比超53%,不符合一般表底孔布設(shè)規(guī)律。表孔自由溢流雖運(yùn)用管理方便、安全性較高,但泄洪寬度較大且壩高較高,工程投資最大,此方案經(jīng)濟(jì)性最差,應(yīng)首先淘汰；方案Ⅰ～方案Ⅴ、方案Ⅷ壩頂高程均由校核洪水位確定,從投資對比可以看出,當(dāng)壩高由校核水位控制時(shí),需根據(jù)滯洪庫容大小確定壩頂高程,從而增加水庫工程投資,削峰比越小,水庫投資越少,削峰比越高,水庫投資越大,但防洪效益越好,由于本工程無防洪要求,故可壓縮滯洪庫容以降低工程投資；方案Ⅵ及方案Ⅶ壩頂高程由正常蓄水位確定,總泄洪規(guī)模較大,工程直接費(fèi)較其他方案低,方案Ⅵ4 m×4 m底孔在正常蓄水位時(shí)泄量約相當(dāng)于20 年一遇洪峰流量,方案Ⅶ3 m×3 m底孔在正常蓄水位時(shí)泄量約相當(dāng)于10年一遇洪峰流量,后者泄洪規(guī)模符合沖沙底孔布置的一般規(guī)律,調(diào)度運(yùn)行靈活,故選用方案Ⅶ為推薦方案。

表3 比測數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)表

工程直接費(fèi)投資隨壩高的降低而減少,基本呈線性相關(guān)關(guān)系,方案Ⅵ較方案Ⅰ投資減少2862 萬元,平均每降低1 m壩高可減少投資715.5 萬元。

綜合以上分析,洪峰削峰比越小,水庫投資越少,削峰比越高,水庫投資越大,但防洪效益越好,對不承擔(dān)下游防洪任務(wù)的水庫,隨壩高增加而增加的投資遠(yuǎn)大于閘門尺寸變化所增加的投資,按“便于管理、集中布置”的原則,選用方案Ⅶ進(jìn)行樞紐布置,平面布置及上游立視見圖2、圖3。

圖2 樞紐平面布置圖

圖3 樞紐上游立視圖

5 結(jié)論及建議

（1）當(dāng)?shù)卓自O(shè)置和表孔寬度一定時(shí),泄洪規(guī)模隨表孔堰頂高程的降低而增大,工程投資隨之減小,堰頂高程降低5 m,校核水位降低4.05 m,壩高降低4 m,投資減少2862 萬元,平均每降低1 m壩高可減少投資715.5 萬元。

（2）山區(qū)水庫洪水峰型尖瘦、洪水集中,下游防洪要求一般較低,對于水頭適中的底孔,可采用排沙水位下泄Q20%~Q10%洪峰流量確定泄流規(guī)模,以便于保持進(jìn)水口門前清和保障有效庫容。

（3）在混凝土壩泄洪建筑物布置中,只有經(jīng)過多方案多組合充分比較論證,才能確定較優(yōu)方案,可在滿足工程運(yùn)用要求基礎(chǔ)上最大限度地降低工程投資。