高 誠

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 基本情況

水工建筑物按其作用可分為擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物、取（進(jìn)）水建筑物。擋水建筑物是用來攔截江河，形成水庫或壅高水位的建筑物，如各種壩、水閘等。泄水建筑物是用于宣泄多余洪水量、排放泥沙和冰凌等，以保證大壩和其他建筑物安全的建筑物，如各種溢流壩、壩身泄水孔、岸邊溢洪道和泄水隧洞等。輸水建筑物是為了發(fā)電、灌溉和供水的需要，從上游向下游輸水用的建筑物。某大型水庫總庫容2.94 億m3，以供水和防洪為主，兼顧灌溉和發(fā)電，并為流域水資源管理和水生態(tài)保護(hù)創(chuàng)造條件。該樞紐工程主要由攔河壩（碾壓混凝土重力壩）、泄水建筑物（表孔和底孔壩段）、放水兼發(fā)電引水建筑物（放水兼發(fā)電引水壩段）、壩后式電站廠房和過魚建筑物等組成。碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 032.0 m，最大壩高75.5 m，壩頂寬度9 m，壩段總長372.0 m；上游面986.0 m 高程以上為鉛直面，986.0 m 高程以下為向上游的傾斜面，坡度為1∶0.15，壩體下游壩坡為1∶0.75。泄水建筑物采用溢流表孔與底孔并排布置于河床壩段的方案[1]。

本水庫工程地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，北部山區(qū)具有自然降水多、濕度大的氣候特征，平原區(qū)氣候干燥、蒸發(fā)量較大，春、秋兩季不明顯，緯度高，氣溫低，少酷暑，多嚴(yán)寒，冬夏冷暖懸殊。水庫所在河流的徑流補(bǔ)給以降水及季節(jié)積雪融水為主，有少量的冰川融水和地下水補(bǔ)給，徑流量呈年際變化大、年內(nèi)分配不均勻的特點(diǎn)，該流域經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)枯水年和連續(xù)豐水年。

本水庫工程所在河流上游區(qū)海拔較高，降水相對(duì)較多，產(chǎn)流集中。下游區(qū)上段為丘陵區(qū)，地形起伏，降水量明顯減少，產(chǎn)流量很少；下段有多級(jí)臺(tái)地和河漫灘，降水稀少，蒸發(fā)滲漏大，為徑流散失區(qū)。本水庫位于下游區(qū)上下段交界處干流上，下游20 km處有二臺(tái)水文站。

2 水位流量關(guān)系

2.1 需要計(jì)算水位流量關(guān)系的斷面

水位流量關(guān)系確定直接影響攔河建筑物的規(guī)模、施工圍堰的高度及工程造價(jià)等，攔河建筑物設(shè)計(jì)中均需計(jì)算水位流量關(guān)系，其中在缺乏水文測(cè)驗(yàn)資料的斷面進(jìn)行水位流量關(guān)系計(jì)算是工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在攔河建筑物的設(shè)計(jì)及施工過程中需要提供水位流量關(guān)系的位置，主要有水工建筑物攔河建筑物壩（閘）址、下游消能建筑物斷面、電站尾水?dāng)嗝?、施工圍堰上下游斷面、?dǎo)流建筑物斷面、施工交通橋斷面等。

本樞紐工程的2個(gè)比選壩址，在25 km河段內(nèi)計(jì)算了壩址、消力池、上下游圍堰、導(dǎo)流洞進(jìn)口、交通橋、施工營地等15個(gè)斷面的水位流量關(guān)系。

2.2 水位流量關(guān)系計(jì)算

2.2.1 工程河段有水文站實(shí)測(cè)資料的水位流量關(guān)系計(jì)算

水工建筑物河段有水文站的情況下，可以利用水文站實(shí)測(cè)水位、流量資料點(diǎn)繪水位流量關(guān)系。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，河道中任何斷面的水位與流量關(guān)系，都不是單一曲線，而是多值對(duì)應(yīng)的曲線族，特別是沖淤變化大的河段，同一場(chǎng)洪水過程，由于河道具有槽蓄作用，在來水流量持續(xù)增加的漲水期，會(huì)導(dǎo)致水位升高滯后于流量增加；在洪水過程流量逐漸減少的退水期，水位下降滯后于流量減少。一場(chǎng)大洪水的水位流量關(guān)系是繩套狀曲線[2]。

2.2.2 工程河段無實(shí)測(cè)水文資料的水位流量關(guān)系計(jì)算

對(duì)于無系統(tǒng)水文觀測(cè)資料的斷面，分析水位流量關(guān)系的方法主要有水文相關(guān)法和水力學(xué)法。項(xiàng)目研究初期因測(cè)量資料有限，一般采用曼寧公式計(jì)算水位流量關(guān)系；在河道大斷面資料可以控制的情況下，利用河道下游控制斷面，自下而上地通過河道水面曲線計(jì)算推求工程斷面水位流量關(guān)系。

本水庫工程壩址處沒有水位流量觀測(cè)資料，所以在工程下游20 km 處的水文站，實(shí)測(cè)了工程河段地形和河道縱橫斷面，利用實(shí)測(cè)縱橫斷面資料，用水力學(xué)公式推算了本工程的壩址、上下游圍堰、施工營地等多處斷面水位流量關(guān)系。

項(xiàng)目建議書階段僅有工程及附近2 km 范圍內(nèi)河道大斷面測(cè)量資料，采用曼寧公式計(jì)算水位流量關(guān)系，根據(jù)河道斷面的形狀，一般有單一斷面曼寧公式和復(fù)式斷面曼寧公式?？紤]到上壩址河段河谷呈“V”形，兩岸為基巖，采用單一斷面曼寧公式計(jì)算水位流量關(guān)系。其計(jì)算公式如下：

式中：Q為斷面流量（m3/s）；A為斷面過水面積（m2）；R為斷面水力半徑（m）；J為水力坡度；n為斷面綜合糙率。

上壩址河床質(zhì)為細(xì)砂和卵石，糙率值選取0.033；實(shí)測(cè)壩址河段河道比降約為1.77‰。河段順直、沿程無深坑，河道過水?dāng)嗝鏌o突變，單一斷面曼寧公式計(jì)算水位流量關(guān)系滿足精度要求[3]。

施工營地處于河道斷面相對(duì)開闊位置，一側(cè)灘面相對(duì)較寬，灘槽水流流速差異較大，垂直分割灘槽，將河道大斷面分為左灘、主槽及右灘3 個(gè)部分，分別采用曼寧公式進(jìn)行不同水位下的流量計(jì)算。河床質(zhì)為細(xì)砂和卵石，糙率值選取0.033；灘地有石塊和少量雜草，糙率值選取0.048；實(shí)測(cè)河段河道比降約為1.00‰[4]。

在可行性研究階段，對(duì)于過水?dāng)嗝孀兓黠@河段，為了提高計(jì)算精度，可以增加測(cè)量斷面，采用多斷面計(jì)算河道綜合比降。隨著工作階段的深入，初步設(shè)計(jì)階段河道大斷面及地形圖資料不斷豐富，采用推水面線的方法對(duì)可行性研究階段計(jì)算成果進(jìn)行復(fù)核，成果基本一致。壩址河段主要斷面水位流量關(guān)系，如圖1所示。

圖1 壩址河段主要斷面水位流量關(guān)系線

2.3 水位流量關(guān)系應(yīng)用

設(shè)計(jì)水工建筑物規(guī)模需要計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位，確定設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位需要2 個(gè)方面的工作，首先是確定水工建筑物的等別和洪水標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)算相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水，其次是計(jì)算水位流量關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)流量在水位流量關(guān)系表中查算設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），本工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。攔河壩、泄水建筑物、放水兼發(fā)電引水建筑物等主要建筑物為2級(jí)建筑物，過魚建筑物雖為主要建筑物，但考慮失事后造成損失不大，確定其為3級(jí)建筑物；其他次要建筑物包括管理用房等為3級(jí)建筑物；電站廠房根據(jù)其裝機(jī)容量應(yīng)為4級(jí)建筑物，鑒于其在正常運(yùn)行時(shí)兼有向下游放水功能，綜合考慮確定水電站廠房為3級(jí)建筑物。擋水建筑物設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為100 a 一遇，校核洪水重現(xiàn)期為1 000 a 一遇。泄水建筑物消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)取50 a 一遇。水電站廠房為3級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)取50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)取200 a一遇。壩址河段河谷呈“U”形，兩岸為高山，枯水期河水面寬35～40 m，壩型為碾壓混凝土重力壩，采用河床內(nèi)分期導(dǎo)流、左右基坑全年施工的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10 a一遇。壩址河段設(shè)計(jì)洪水成果，詳見表1。

表1 壩址河段設(shè)計(jì)洪水成果

對(duì)于沒有調(diào)蓄工程的河道斷面，采用設(shè)計(jì)和校核洪峰流量的方法在水位流量關(guān)系線上查出設(shè)計(jì)水位和校核水位；對(duì)于有調(diào)蓄能力的水工建筑物，采用設(shè)計(jì)和校核工況下的下泄洪峰流量的方法，在下游水位流量關(guān)系線上查出泄流建筑物的設(shè)計(jì)水位和校核水位。

3 應(yīng)用水位流量關(guān)系的思考

3.1 采用安全可靠的水位流量關(guān)系

建筑物下游有水文站實(shí)測(cè)資料的情況下，用這些資料綜合的水位流量關(guān)系曲線，在用于不同斷面時(shí)，要具體分析才能作為各種設(shè)計(jì)工況的依據(jù)。對(duì)消能設(shè)計(jì)尤其是底流消能來說，此曲線水位偏高，不安全；對(duì)計(jì)算上游防洪水面線來說，此曲線水位偏低，亦可能不安全。對(duì)于水文站所在河段沖淤變化較大的，要分析原因并考慮其變化趨勢(shì)。如在南水北調(diào)東線穿黃工程設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)孫口水文站和黃莊水位站實(shí)測(cè)資料分析了水位流量，率定了該河段糙率，根據(jù)最新的實(shí)測(cè)地形，通過推求兩斷面之間水面線的方法，確定穿黃工程水位流量關(guān)系，但從小浪底蓄水運(yùn)行以來下游根據(jù)河道實(shí)測(cè)斷面分析的河道演變趨勢(shì)顯示，孫口—艾山河段呈現(xiàn)主槽持續(xù)沖刷、灘地持續(xù)淤積的變化趨勢(shì)。因此，根據(jù)建筑物的使用年限，考慮小浪底水庫上游規(guī)劃有大型水庫工程，在未來會(huì)發(fā)揮一定的攔沙作用，預(yù)計(jì)未來10～20 a 內(nèi)，穿黃工程所處河段仍會(huì)保持主槽沖刷、灘地淤積的態(tài)勢(shì)，結(jié)合工程方案隧洞輸水主要計(jì)算沖刷深度和隧洞壓力，低水部分考慮主槽沖刷后的影響，高水部分考慮灘地淤積后的影響，為保障工程設(shè)計(jì)安全，應(yīng)按河段沖淤變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)提出各方案水位流量關(guān)系[5]。

3.2 計(jì)算水位流量關(guān)系采用的測(cè)量資料分析

某大型水利樞紐從項(xiàng)目建議書至初步設(shè)計(jì)階段周期達(dá)5 a，永久建筑物和臨時(shí)建筑物位于30 km 的河段上，不同設(shè)計(jì)階段水位流量計(jì)算依據(jù)的地形測(cè)量資料是分期進(jìn)行的。水文專業(yè)在計(jì)算水位流量關(guān)系時(shí)，要與需求方水工、施工、機(jī)電專業(yè)密切配合，核實(shí)不同設(shè)計(jì)階段新老測(cè)量斷面相對(duì)位置，確定最新正確的基礎(chǔ)資料后再計(jì)算水位流量關(guān)系。

在平原河道興建攔河建筑物，特別是在地下水開采引起地面沉降地區(qū)，不同設(shè)計(jì)階段，使用不同年代的河道大斷面資料計(jì)算的水位流量關(guān)系之間可能不一致，導(dǎo)致提出的建筑物設(shè)計(jì)、校核洪水位變化，這在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。

3.3 不同斷面水位流量關(guān)系要協(xié)調(diào)合理

本水庫工程建設(shè)河段需要計(jì)算多個(gè)斷面的水位流量關(guān)系，主要有永久建筑物上、下壩址及電站尾水位置，臨時(shí)建筑物上下游圍堰、交通橋等位置。如果是在距離較近、河道大斷面形狀變化較大時(shí)，可以采用曼寧公式分別計(jì)算各斷面水位流量關(guān)系，有可能出現(xiàn)在某一流量下水位上游低于下游的倒置問題，這須保證各專業(yè)設(shè)計(jì)要求的上下游水位流量關(guān)系協(xié)調(diào)合理，且經(jīng)過上下游水位合理性分析確定后再采用成果。一般可以從3 個(gè)方面檢查：①根據(jù)上下游河床質(zhì)構(gòu)成，分析計(jì)算斷面之間采用的糙率是否協(xié)調(diào)；②根據(jù)測(cè)量大斷面資料繪制距離-深泓點(diǎn)高程線和距離-水邊線高程線，初步判斷該河段河床深坑、河道轉(zhuǎn)彎等微地形變化對(duì)水位流量關(guān)系的影響；③選擇3個(gè)代表流量繪制距離-對(duì)應(yīng)流量水位線，如果上下游不協(xié)調(diào)，分析其原因，從安全考慮，進(jìn)行適當(dāng)處理。

4 結(jié)語

水工建筑物設(shè)計(jì)中水位流量關(guān)系是不可缺少的輸入條件，直接關(guān)系到工程規(guī)模和投資、工程自身安全及效益發(fā)揮。因此，與工程設(shè)計(jì)密切配合，正確計(jì)算及合理采用水位流量關(guān)系是非常重要的。應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮上下游不同斷面之間的水位流量關(guān)系要符合河流的水力學(xué)特征，依據(jù)水位流量關(guān)系位置和用途分析選取安全可靠的水位流量關(guān)系。