施工期壩下游水位流量關(guān)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(guān)系受多種因素的綜合影響，呈現(xiàn)出不規(guī)律的特點(diǎn)。施工期壩址附近水位流量關(guān)系分析對(duì)水電站施工和調(diào)度運(yùn)行以及電站防洪預(yù)案的編制、水文資料整編、電站可能發(fā)生的設(shè)計(jì)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(guān)系為例，通過(guò)成因分析，分析了可能造成水位流量關(guān)系發(fā)生變化的主要因素，為水位流量關(guān)系定線找到了合理的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水位流量關(guān)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(kāi)始收集水位、流量資料，流量采用流速儀法或走航式ADCP測(cè)驗(yàn)。水文站位于壩址下游約2.4km處右岸山前階地，區(qū)間無(wú)支流匯入，測(cè)流斷面位于兩彎道之間，河流順直長(zhǎng)度約1km，單式斷面，河段控制條件良好。定線時(shí)段內(nèi)工程處于大壩建設(shè)期，河水自壩上庫(kù)區(qū)流經(jīng)導(dǎo)流洞至下游河道。

2011年4至10月水位流量關(guān)系點(diǎn)呈窄幅帶狀分布，不滿足單一曲線定線要求，分析發(fā)現(xiàn)8月6日后水位流量關(guān)系點(diǎn)由穩(wěn)定單一曲線逐漸向右偏移，具體表現(xiàn)為相同水位下流量明顯增大。4至10月實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1。

選擇2次水位接近的實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。

同水位級(jí)測(cè)驗(yàn)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(dǎo)致流量偏大10%以上。

2 水位流量關(guān)系主要影響因素

影響水位流量關(guān)系的因素可以分為單次測(cè)驗(yàn)成果影響因素和河槽控制條件兩個(gè)方面，分析其主要影響因素對(duì)水位流量關(guān)系定線合理性檢查具有非常重要的意義。測(cè)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)引起水位流量發(fā)生不穩(wěn)定變化的主要原因可能為：

（1）修改ADCP盲區(qū)參數(shù)影響實(shí)測(cè)流量成果。8月12日起，變更 ADCP的盲區(qū)參數(shù)，由原來(lái)的WF10改為WF25。

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

（3）斷面沖淤變化。8月初，測(cè)驗(yàn)河段出現(xiàn)較大洪水過(guò)程，8月6日，實(shí)測(cè)流量為624m3/s，斷面沖淤變化影響實(shí)測(cè)流量。

（4）工程施工活動(dòng)影響。上下游圍堰合龍后，壩上庫(kù)區(qū)形成，改變了河道的天然形態(tài)，庫(kù)區(qū)蓄水通過(guò)導(dǎo)流洞泄入下游河道，庫(kù)區(qū)對(duì)洪水起到了一定的調(diào)蓄作用。導(dǎo)流洞下游一公里范圍內(nèi)，兩岸及河槽中有大量工程開(kāi)挖后形成的棄土、棄石，導(dǎo)致河水流態(tài)紊亂。洪水沖刷以及壩下游河床開(kāi)挖、施工等，都會(huì)導(dǎo)致河段控制條件發(fā)生變化，從而影響水位流量關(guān)系。

2.1 修改ADCP盲區(qū)參數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)流量的影響分析

斷面流量采用1200KHz ADCP GGA模式測(cè)驗(yàn)，ADCP上盲區(qū)參數(shù)直接影響斷面實(shí)測(cè)部分流量，間接影響上盲區(qū)流量插補(bǔ)，從而影響斷面總流量。8月12日第28次流量開(kāi)始，盲區(qū)參數(shù)由WF10改為WF25?！叭鸾毕盗?200KHz ADCP命令參數(shù)列表如表2。

9月3日，在相同水位條件下，分別設(shè)置不同的盲區(qū)參數(shù)后進(jìn)行流量比測(cè)，對(duì)比實(shí)測(cè)流量成果，見(jiàn)表3，WF改變后，ADCP測(cè)得的流量值差別很小，WF參數(shù)變更對(duì)實(shí)測(cè)流量無(wú)影響。

2.2 回水頂托影響分析

水文測(cè)驗(yàn)斷面距下游出口17.6km，調(diào)查發(fā)現(xiàn)下游干流在7、8、9三個(gè)月持續(xù)高水位，斷面水位流量關(guān)系可能受下游干流回水頂托影響。

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

2.3 斷面沖淤變化影響分析

測(cè)驗(yàn)斷面位于山前階地，砂質(zhì)河床，河段比降較大，水流湍急。斷面沖淤變化可能會(huì)對(duì)水位流量關(guān)系造成影響。

從6月25日至9月27日共8次ADCP實(shí)測(cè)流量原始資料中提取固定垂線水深數(shù)據(jù)，整理后繪制河底高程變化圖，見(jiàn)圖3。表明測(cè)驗(yàn)斷面河床相對(duì)穩(wěn)定，8月6日洪峰經(jīng)過(guò)時(shí)，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(guān)系良好，見(jiàn)圖4，為單一關(guān)系。表明斷面沖於變化不是同水位流量發(fā)生變化的主要影響因素。

2.4 水電站施工活動(dòng)影響分析

2.4.1 基本情況介紹

水電站大壩施工階段庫(kù)區(qū)水位抬升后通過(guò)導(dǎo)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(fā)生變化。導(dǎo)流洞入口上游為導(dǎo)流明渠，長(zhǎng)約480m，導(dǎo)流洞長(zhǎng)531m，為減緩導(dǎo)流洞流出的湍急水流對(duì)河道岸坡的沖刷，下游河道兩岸均進(jìn)行了拋石護(hù)岸，汛前導(dǎo)流洞出口順?biāo)鞣较蛴幸坏郎车[石棄土堆積而成的丁字壩，自導(dǎo)流洞出口右側(cè)小角度向河心延伸約60m，對(duì)導(dǎo)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(xiàn)三次較大的洪水過(guò)程，見(jiàn)表4。洪水通過(guò)前后丁壩形態(tài)發(fā)生明顯變化，可能導(dǎo)致河段控制條件發(fā)生變化，從而影響水位流量關(guān)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(tài)、河道水力因素、斷面情況等綜合影響的系數(shù)。分析所用流量數(shù)據(jù)采用4月13日至9月27日水文站40次實(shí)測(cè)流量資料，水位采用測(cè)流平均時(shí)間對(duì)應(yīng)的水文站基本水尺水位及導(dǎo)流洞出口斷面水位。

△H采用導(dǎo)流洞出口斷面與水文站基本水尺斷面水位之差，L采用設(shè)計(jì)值3km，測(cè)驗(yàn)斷面屬于窄深式斷面，最高水位時(shí)平均水深也不超過(guò)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(dǎo)流洞出口與水文站基本水尺斷面間的落差有減小的趨勢(shì)。

圖6表明8月6日后導(dǎo)流洞下游河槽糙率發(fā)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(duì)河槽的沖刷作用。由于洪水水流長(zhǎng)時(shí)間沖刷導(dǎo)流洞出口以下河槽，導(dǎo)流洞出口處丁壩大部分沖毀，壩體沖毀后對(duì)導(dǎo)流洞泄水的阻力減小，消能作用減弱，洪水過(guò)程帶走了河槽中對(duì)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(yīng)表現(xiàn)為同水位河槽的糙率減小、流速增大，水位落差減小，在導(dǎo)流洞出口流量相同的情況下，水文站測(cè)驗(yàn)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(jié)束語(yǔ)

通過(guò)成因分析發(fā)現(xiàn)工程施工活動(dòng)是影響水位流量關(guān)系變化的主要因素，結(jié)合測(cè)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)水情特點(diǎn)最終定線方案為：以時(shí)間過(guò)程為依據(jù)確定兩條臨時(shí)曲線，8月6日后隨著水位的下降由原單一關(guān)系線逐漸過(guò)渡到新的單一關(guān)系線，9月中旬新單一曲線趨于穩(wěn)定。

施工期水電站壩下游水文監(jiān)測(cè)斷面水位流量關(guān)系受多種因素的綜合影響，一般情況關(guān)系較為復(fù)雜，對(duì)于斷面沖淤變化較小、不受頂托影響的監(jiān)測(cè)斷面，影響水位流量關(guān)系的主要因素為工程施工活動(dòng)，應(yīng)根據(jù)工程施工進(jìn)度及水情變化靈活布置測(cè)次，控制水位流量關(guān)系的過(guò)渡變化，便于水情預(yù)報(bào)及整編推流。

參考文獻(xiàn)

[1]GB50179-1993.河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].

[2]SL337-2006.聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].

[3]SL247-1999.水文資料整編規(guī)范[S].

[4]袁世瓊.天然河道的糟率計(jì)算[J].水電站設(shè)計(jì)，1997.

[5]王獻(xiàn)朝，邱華強(qiáng)，許巖.關(guān)于水力半徑計(jì)算方法的探討[J].科技信息，2012.