施工期壩下游水位流量關系影響因素分析

孫明元　黃晶晶　葉坤

摘 要：水電站施工期水位流量關系受多種因素的綜合影響，呈現出不規律的特點。施工期壩址附近水位流量關系分析對水電站施工和調度運行以及電站防洪預案的編制、水文資料整編、電站可能發生的設計變更都具有非常重要的意義。文章以西南某水電站工程施工期水位流量關系為例，通過成因分析，分析了可能造成水位流量關系發生變化的主要因素，為水位流量關系定線找到了合理的依據。

關鍵詞：水位流量關系；施工期；影響因素

1 基本情況

工程專用水文站自2011年3月9日起開始收集水位、流量資料，流量采用流速儀法或走航式ADCP測驗。水文站位于壩址下游約2.4km處右岸山前階地，區間無支流匯入，測流斷面位于兩彎道之間，河流順直長度約1km，單式斷面，河段控制條件良好。定線時段內工程處于大壩建設期，河水自壩上庫區流經導流洞至下游河道。

2011年4至10月水位流量關系點呈窄幅帶狀分布，不滿足單一曲線定線要求，分析發現8月6日后水位流量關系點由穩定單一曲線逐漸向右偏移，具體表現為相同水位下流量明顯增大。4至10月實測水位流量關系點分布圖見圖1。

選擇2次水位接近的實測流量資料進行分析，見表1。

同水位級測驗斷面面積變化較小，略有沖刷。9月3日斷面平均流速與斷面最大流速成果明顯偏大，導致流量偏大10%以上。

2 水位流量關系主要影響因素

影響水位流量關系的因素可以分為單次測驗成果影響因素和河槽控制條件兩個方面，分析其主要影響因素對水位流量關系定線合理性檢查具有非常重要的意義。測驗時段內引起水位流量發生不穩定變化的主要原因可能為：

（1）修改ADCP盲區參數影響實測流量成果。8月12日起，變更 ADCP的盲區參數，由原來的WF10改為WF25。

（2）下游回水頂托。水文站流量測驗斷面距河口17.6km，干流水位上漲造成回水頂托現象，影響斷面流量。

（3）斷面沖淤變化。8月初，測驗河段出現較大洪水過程，8月6日，實測流量為624m3/s，斷面沖淤變化影響實測流量。

（4）工程施工活動影響。上下游圍堰合龍后，壩上庫區形成，改變了河道的天然形態，庫區蓄水通過導流洞泄入下游河道，庫區對洪水起到了一定的調蓄作用。導流洞下游一公里范圍內，兩岸及河槽中有大量工程開挖后形成的棄土、棄石，導致河水流態紊亂。洪水沖刷以及壩下游河床開挖、施工等，都會導致河段控制條件發生變化，從而影響水位流量關系。

2.1 修改ADCP盲區參數對實測流量的影響分析

斷面流量采用1200KHz ADCP GGA模式測驗，ADCP上盲區參數直接影響斷面實測部分流量，間接影響上盲區流量插補，從而影響斷面總流量。8月12日第28次流量開始，盲區參數由WF10改為WF25?！叭鸾毕盗?200KHz ADCP命令參數列表如表2。

9月3日，在相同水位條件下，分別設置不同的盲區參數后進行流量比測，對比實測流量成果，見表3，WF改變后，ADCP測得的流量值差別很小，WF參數變更對實測流量無影響。

2.2 回水頂托影響分析

水文測驗斷面距下游出口17.6km，調查發現下游干流在7、8、9三個月持續高水位，斷面水位流量關系可能受下游干流回水頂托影響。

點繪水文站～出口站（出口上游4km）2011年6、7、8三個月份的水位～落差關系圖（兩站基面不同），如圖2。表明同水位級8月份落差均比6月、7月小，若水位流量關系受下游回水頂托影響，同一水位流量應減小，這與實際情況不符，考慮到測流斷面距出口較遠，且河道縱比降較大，可以斷定測驗斷面不受回水頂托影響。

2.3 斷面沖淤變化影響分析

測驗斷面位于山前階地，砂質河床，河段比降較大，水流湍急。斷面沖淤變化可能會對水位流量關系造成影響。

從6月25日至9月27日共8次ADCP實測流量原始資料中提取固定垂線水深數據，整理后繪制河底高程變化圖，見圖3。表明測驗斷面河床相對穩定，8月6日洪峰經過時，右岸部分河床沖涮，但沖刷面積較小，河底高程變化最大處的變化量不足0.5m，沖淤部分寬度大約20m，沖刷面積為10m2左右，僅為斷面總面積的4%，且4～9月水位～面積關系良好，見圖4，為單一關系。表明斷面沖於變化不是同水位流量發生變化的主要影響因素。

2.4 水電站施工活動影響分析

2.4.1 基本情況介紹

水電站大壩施工階段庫區水位抬升后通過導流洞流入下圍堰下游河，原有的天然河道水力特性因工程施工而發生變化。導流洞入口上游為導流明渠，長約480m，導流洞長531m，為減緩導流洞流出的湍急水流對河道岸坡的沖刷，下游河道兩岸均進行了拋石護岸，汛前導流洞出口順水流方向有一道沙礫石棄土堆積而成的丁字壩，自導流洞出口右側小角度向河心延伸約60m，對導流洞流出的湍急水流起到一定的阻水消能作用，7至9月共出現三次較大的洪水過程，見表4。洪水通過前后丁壩形態發生明顯變化，可能導致河段控制條件發生變化，從而影響水位流量關系。

2.4.2 河槽特性變化情況分析

天然河道非均勻流條件下，糙率是反映水流平面形態、河道水力因素、斷面情況等綜合影響的系數。分析所用流量數據采用4月13日至9月27日水文站40次實測流量資料，水位采用測流平均時間對應的水文站基本水尺水位及導流洞出口斷面水位。

△H采用導流洞出口斷面與水文站基本水尺斷面水位之差，L采用設計值3km，測驗斷面屬于窄深式斷面，最高水位時平均水深也不超過5m，故水力半徑R采用平均水深。

圖5表明4至9月相同水位條件下導流洞出口與水文站基本水尺斷面間的落差有減小的趨勢。

圖6表明8月6日后導流洞下游河槽糙率發生了明顯變化，造成河槽糙率變小的原因可以確定為洪水對河槽的沖刷作用。由于洪水水流長時間沖刷導流洞出口以下河槽，導流洞出口處丁壩大部分沖毀，壩體沖毀后對導流洞泄水的阻力減小，消能作用減弱，洪水過程帶走了河槽中對水流造成阻力的土石堆、建筑垃圾、棄土等，沖深了河床，水流更加順暢，相應表現為同水位河槽的糙率減小、流速增大，水位落差減小，在導流洞出口流量相同的情況下，水文站測驗斷面流速增大、水位降低，水文站斷面同水位條件下流量增大。

3 結束語

通過成因分析發現工程施工活動是影響水位流量關系變化的主要因素，結合測驗時段內水情特點最終定線方案為：以時間過程為依據確定兩條臨時曲線，8月6日后隨著水位的下降由原單一關系線逐漸過渡到新的單一關系線，9月中旬新單一曲線趨于穩定。

施工期水電站壩下游水文監測斷面水位流量關系受多種因素的綜合影響，一般情況關系較為復雜，對于斷面沖淤變化較小、不受頂托影響的監測斷面，影響水位流量關系的主要因素為工程施工活動，應根據工程施工進度及水情變化靈活布置測次，控制水位流量關系的過渡變化，便于水情預報及整編推流。

參考文獻

[1]GB50179-1993.河流流量測驗規范[S].

[2]SL337-2006.聲學多普勒流量測驗規范[S].

[3]SL247-1999.水文資料整編規范[S].

[4]袁世瓊.天然河道的糟率計算[J].水電站設計，1997.

[5]王獻朝，邱華強，許巖.關于水力半徑計算方法的探討[J].科技信息，2012.