白市樞紐壩下脫水段設(shè)計水位的探討

張 俊 劉小云 任華強

湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410005

清水江是長江支流沅水的上游，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，于城陵磯匯入長江。黔境內(nèi)長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，目前航道維護尺度為1.0m×30m×105m，僅能通航50～100t級船舶。同時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，深水庫區(qū)內(nèi)淺灘基本消失，航道尺寸基本能滿足Ⅳ級航道通航要求，為航道等級的提升創(chuàng)造了有利條件。但白市樞紐下游存在約8km脫水段與托口庫區(qū)回水尚未銜接，枯水時不滿足Ⅳ級航道通航要求，為本段航道整治重點。

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回水區(qū)，航道通航水位的確定同時受白市樞紐下泄流量及下游梯級托口樞紐的回水影響。

根據(jù)《內(nèi)河通航標準》（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行水位與相應(yīng)各級入庫流量組合，得出多組回水曲線，取其下包線作為沿程各點的設(shè)計最低通航水位；樞紐下游河段應(yīng)采用規(guī)定保證率，分析選定設(shè)計流量，并考慮樞紐日調(diào)節(jié)影響推算確定，下游有梯級時應(yīng)銜接。同時，規(guī)范要求樞紐上下游河段設(shè)計通航水位應(yīng)結(jié)合樞紐運行后的實測資料進行必要的驗證和調(diào)整。

目前白市及托口樞紐運行均不足4年，且下游托口樞紐蓄水至正常蓄水位250m僅8個月時間，樞紐運行后的水位及調(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)計資料特征水位以及其達到正常蓄水后的實測水位，分別推算工程河段最低通航水位并進行比選。同時考慮長距離開挖后的水面降落計算出沿程實際設(shè)計水位。

1.2 推算過程

方案一：

（1）起推水位（托口樞紐的設(shè)計資料特征水位）。《托口電站可行性研究報告》中所述調(diào)度規(guī)則為按托口水電站與三板溪、白市等梯級聯(lián)合調(diào)度運行，報告采用1951年1月～2002年12月共52年徑流資料進行長系列徑流補償調(diào)節(jié)計算，確定多年運行特性指標如下：托口水電站水庫正常蓄水位250.00m，運行歷時約占總運行歷時的54%，水庫汛期限制運行水位246.00m，運行歷時約占總運行歷時的16%，消落到死水位235.00m的歷時約占總運行歷時的3.3%。

根據(jù)《托口電站可行性研究報告》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)計流量。本段航道規(guī)劃為IV級航道，根據(jù)規(guī)范要求多年歷時保證率為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)白市電站工可報告水文分析，查得白市電站壩址處多年歷時95%保證率流量65.2m3/s作為設(shè)計流量。

（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、擬定的方案進行水面線計算，該河段糙率選取參考《托口電站可研報告》糙率分析成果，該河段糙率取值范圍為0.045～0.062，同時根據(jù)白市壩下水位流量關(guān)系及實測中枯水水位流量關(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，部分斷面水深小于1.9m設(shè)計水深，不能滿足IV級航道通航要求，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，但是長河段挖槽通常會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)。下游長河段連續(xù)開挖可能會使上游航道水深條件進一步惡化，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，并對挖槽后長河段的水面線進行重新試算和迭代。

依據(jù)前文的天然河段水面線計算成果，在滿足航槽設(shè)計水深的開挖情況下，本項目壩下8km脫水段大致分為5個灘險，屬長河段深槽式開挖。考慮到連續(xù)長河段開挖水面降落試算和迭代的復(fù)雜性和誤差，為簡化試算，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)計水深要求。

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

表1 最下游灘險挖槽引起的水位降落計算過程表

②根據(jù)表1計算結(jié)果，得到新的水面線，據(jù)此得到新的設(shè)計河底高程，重新代入前文的水面線計算模型進行試算，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為提高計算精度，加密壩下脫水段計算斷面，共布置27個斷面（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)計水深的前提下，迭代試算沿程水面線，計算結(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 挖槽后水面線計算成果表

（5）挖槽后效果分析。從上表計算成果可知，考慮挖槽水面降落后，壩下脫水段最下游斷面設(shè)計水位為238.0m，下游引航道口門區(qū)設(shè)計水位為240.17m，經(jīng)核算沿程水深基本滿足設(shè)計水深1.9m。此外對比天然和挖槽后水面線計算成果可知，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8個月逐時水位進行計算，其95%保證率約為239.8m。

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

（3）挖槽引起的水面降落。同方案一計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)計水深的前提下，迭代試算沿程水面線，計算結(jié)果如表3所示。

表3 挖槽后水面線計算成果表

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)計資料95%保證率水位238m作為起推水位，同時考慮白市電站瞬時最小下泄流量65.2m3/s，來確定工程河段的設(shè)計水位。方案二根據(jù)托口電站蓄水蓄至250m后，歷時8個月逐時水位進行計算，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。基礎(chǔ)水文資料歷時較短，僅8個月，資料代表性不足，計算成果不夠可靠。方案一采用的基礎(chǔ)資料更詳實，為達到《內(nèi)河通航標準》規(guī)定的通航保證率要求，確保高等級航道的常年暢通，本階段將方案一作為推薦方案確定設(shè)計最低通航水位。

隨著本工程的推進，實測資料歷時將逐漸延長，后續(xù)階段擬根據(jù)實測資料的逐漸完善對設(shè)計水位再進行逐步調(diào)整優(yōu)化。

2 結(jié)語

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

對于壩下脫水段設(shè)計水位的計算，在實測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)計資料，在滿足規(guī)范的前提下對其進行初步推算，同時應(yīng)考慮長距離河段開挖引起的水面降落，對計算成果進行不斷的核算，保證其開挖后的沿程水深滿足通航要求。并根據(jù)動態(tài)管理的整治原則隨著工程的推進，實測資料歷時的逐漸延長，后續(xù)階段對設(shè)計水位進行逐步調(diào)整優(yōu)化。

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