基于無防洪任務的混凝土壩泄洪規模研究

王民俠

（陜西省水利電力勘測設計研究院,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、調節庫容、調節水位、施工導流度汛等功能,是保障水利樞紐安全、減小洪澇災害的重要設施。表孔具有超泄能力強、泄流落差大的特點。底孔可排沙減淤、靈活運用,并兼顧施工導流及度汛。通過對混凝土壩樞紐表底孔孔數、尺寸及不同組合型式進行研究,有利于合理確定泄洪建筑物規模,擬定經濟壩高,是優化設計的主要途徑之一。下游無防洪任務時,泄流規模不受防洪影響限制,可根據工程運用要求,研究泄洪規模與工程投資的關系。

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,壩址位于漆水河上游的低山丘陵溝壑區,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 底孔運行要求

（1）滿足施工度汛要求

施工度汛由底孔和導流洞聯合過流,度汛標準選用20 年一遇洪水,洪峰流量為409 m3/s,壩前水位918.68 m,導流洞過流量為151 m3/s,底孔過流量112 m3/s。

（2）滿足排沙運用要求

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

（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。

（4）流態好,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。

2.2 底孔高程確定

為保障排沙及取水效果,底孔進口底板高程應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。三個分層取水口高程分別為921.0 m、930.0 m、939.0 m。根據以上原則,按略高于河漫灘高度取底孔進口高程905.0 m。

2.3 底孔尺寸擬定

漆水河為山區性河道,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］,據此計算普化水庫造床流量為1.51 m3/s~2.12 m3/s；馬卡維耶夫認為俄羅斯平原河流河灘灘緣造床流量約為頻率Q1%~Q6%,據此計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］據此計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為,淮河中游造床流量約為多年平均流量的3.89~5.53倍,據此計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］,據此計算普化水庫造床流量為0.72 m3/s~1.07 m3/s。

平原地區防洪要求高,需充分利用水庫的調蓄作用,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模。普化水庫地處丘陵溝壑區,下游無防洪任務,按照多年平均流量或汛期多年平均流量計算造床流量偏小,工程布置及運行控制均受到限制。

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模,以保持進水口門前清,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,泄洪底孔選用3 m×3 m,死水位926.0 m時泄量155 m3/s,大于Q20%=74 m3/s,小于Q10%=192 m3/s；設計洪水位946.5 m時泄量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,泄洪底孔選用4 m×4 m,死水位926.0 m時泄量272 m3/s,設計洪水位946.5 m時泄量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,泄洪底孔選用6m×6m,死水位926.0 m時泄量595 m3/s,大于Q5%=409 m3/s,小于Q2%=808 m3/s；設計洪水位946.5 m時泄量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。

將普化水庫泄洪規模與陜西省近期建設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、東莊水庫進行比較,各水庫泄洪規模見表2。

表2 陜西省近期建設混凝土壩泄洪規模對照表

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,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。

3 表孔布置

3.1 表孔布置原則

（1）適應河道地形地質條件

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地質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,以減少對下游兩岸的沖刷、霧化影響。

（2）經濟合理的泄洪能力

表孔的泄洪能力與堰頂水頭的1.5 次方成正相關,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重。水頭越小,需要的泄洪寬度越大,不利于壩肩穩定和兩岸邊坡安全。

（3）最大下泄流量不超過入庫洪峰流量

水庫總泄洪規模在各級流量標準下,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,表孔設閘,堰頂高程939.5 m。

（2）3孔10 m寬表孔,表孔設閘,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,表孔不設閘門,堰頂高程946.5 m。

4 泄洪規模比選

4.1 泄洪方案組合及比選

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

圖1 泄洪方案費用比較

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,表孔設閘運行；

（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,表孔設閘運行；

（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,表孔設閘運行；

（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在設計洪水位和校核洪水位時,底孔泄流量均大于50 年一遇洪峰流量,底孔泄洪規模較大,不利于小流量沖砂及靈活開啟運用,校核洪水位時底孔分流比超53%,不符合一般表底孔布設規律。表孔自由溢流雖運用管理方便、安全性較高,但泄洪寬度較大且壩高較高,工程投資最大,此方案經濟性最差,應首先淘汰；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,當壩高由校核水位控制時,需根據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,總泄洪規模較大,工程直接費較其他方案低,方案Ⅵ4 m×4 m底孔在正常蓄水位時泄量約相當于20 年一遇洪峰流量,方案Ⅶ3 m×3 m底孔在正常蓄水位時泄量約相當于10年一遇洪峰流量,后者泄洪規模符合沖沙底孔布置的一般規律,調度運行靈活,故選用方案Ⅶ為推薦方案。

表3 比測數據誤差統計表

工程直接費投資隨壩高的降低而減少,基本呈線性相關關系,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,對不承擔下游防洪任務的水庫,隨壩高增加而增加的投資遠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 結論及建議

（1）當底孔設置和表孔寬度一定時,泄洪規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模,以便于保持進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,只有經過多方案多組合充分比較論證,才能確定較優方案,可在滿足工程運用要求基礎上最大限度地降低工程投資。