受下游樞紐調(diào)度影響某內(nèi)河碼頭設(shè)計(jì)水位分析

◎彭芬 江西省港航設(shè)計(jì)院有限公司

1.概述

內(nèi)河港口是指不受潮汐影響或者潮汐影響不明顯的感潮河段上建立的供船舶安全進(jìn)出和停泊的水工建筑物。某內(nèi)河碼頭為散貨斜坡道碼頭，位于兩樞紐（兩樞紐間距約100km）之間，工程河段為內(nèi)河非感潮河段，距下游樞紐約48km，上游約13km處設(shè)有水文站。

1.1 下游樞紐調(diào)度情況

樞紐位一座以防洪、發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉等綜合利用功能的水利樞紐工程，控制流域面積62710km2，多年平均流量1640m3/s。水庫正常蓄水位46.0m，未與石虎塘最低通航水位相銜接，死水位44.0m，汛限水位45.0m（由于庫區(qū)淹沒大，目前降低至44.5m），防洪高水位49.0m，設(shè)計(jì)洪水位49.0m，校核洪水位49.0m。樞紐調(diào)度運(yùn)行規(guī)則為：

當(dāng)壩址流量Q＜5000m3/s（防洪與興利運(yùn)行分界流量）時(shí)，水庫在正常蓄水位（46.0m）至死水位（44.0m）之間運(yùn)行，進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)；

當(dāng)壩址來水流量介于5000～20000m3/s之間時(shí)，采取降低壩前水位運(yùn)行并對壩前水位進(jìn)行動態(tài)控制的洪水調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)度，具體調(diào)度方式見表1。

表1 樞紐上游不同來水流量與相應(yīng)動態(tài)控制壩前水位范圍關(guān)系表

由于庫區(qū)淹沒大，樞紐上游正常蓄水位比規(guī)劃正常蓄水位降低了1.9m。

1.2 水文站情況

水文站位控制流域面積56223 km2。該站測驗(yàn)河段大致順直，兩岸均為防洪堤。河床由塊石、中沙及卵石組成。上游3km有支流加入。

2.水文特性分析

分析水文站1957年后歷年流量水位資料，點(diǎn)繪水文站2000～2019年流量水位關(guān)系散點(diǎn)圖（見圖1），統(tǒng)計(jì)該站水位特征值（見表2）。

表2 水文站水位特征值統(tǒng)計(jì)表

圖1 水文站流量水位關(guān)系圖

由圖表可以明顯看出，2003年前（即下游樞紐蓄水前），水文站水位～流量關(guān)系線基本為單一線，且較穩(wěn)定。2003～2008年，受最上游樞紐建成使用的影響，導(dǎo)致河段上游來沙量大量減少，河床有沖有淤，但沖淤變幅較小，一般小于±5cm，河段總體呈沖刷態(tài)勢。2008～2012年底，區(qū)間上游樞紐建設(shè)，對水文站水位基本無影響。2013年后，受下游樞紐建成蓄水的影響，水文站流量水位未遵循一一對應(yīng)的關(guān)系，主要影響在枯水期。

3.設(shè)計(jì)水位分析

3.1 設(shè)計(jì)高水位

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》和《河港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，本工程碼頭受淹損失類別按二類碼頭考慮。設(shè)計(jì)高水位一是采用重現(xiàn)期20年的高水位，并考慮下游樞紐運(yùn)行對工程處水位的影響；二是樞紐上游河段港口碼頭設(shè)計(jì)高水位可根據(jù)樞紐壩前正常蓄水位或設(shè)計(jì)擋水位時(shí)的沿程回水曲線確定，并應(yīng)計(jì)入河床可能淤積引起的水位抬高值。后者低于前者時(shí)，按前者確定。

圖2 水文站、樞紐壩前2019年水位過程線

分析水文站1999～2019年水位資料，采用頻率曲線法推算該站20年一遇的高水位為51.89m。根據(jù)下游樞紐對應(yīng)壩前水位，計(jì)算出河段高水比降，再利用比降推算至碼頭處，得出碼頭處20年一遇的高水位為50.12m。

通過下游樞紐沿程回水曲線，推算工程處20年一遇高水位為51.15m，對應(yīng)流量為19700m3/s。而分析水文站1964～2019年流量資料，采用起迄年法綜合分析確定該流量對應(yīng)的歷史洪水重現(xiàn)期為100年，計(jì)算20年一遇洪水流量為16150m3/s，對應(yīng)樞紐上游庫區(qū)10年一遇（對應(yīng)流量為17400m3/s）流量，故采用樞紐上游庫區(qū)10年一遇（對應(yīng)流量為17400m3/s）計(jì)算沿程回水曲線較合理。經(jīng)推算，該情況下工程處水位為49.89m。

故工程處設(shè)計(jì)高水位取50.12m。

3.2 設(shè)計(jì)低水位

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》和《河港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，本工程碼頭設(shè)計(jì)低水位應(yīng)與所在航道的設(shè)計(jì)最低通航水位一致，采用多年歷時(shí)保證率98%的水位。同時(shí)，樞紐上游河段設(shè)計(jì)通航水位應(yīng)采用98%保證率的入庫流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合，并采用壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級入庫流量組合，得出多組回水曲線，取其下包線作為沿程各點(diǎn)的設(shè)計(jì)最低通航水位，并應(yīng)計(jì)入河床沖淤可能引起的水位變化值。

從上圖及2016年后水文站、樞紐壩前水位資料分析，近年來，樞紐并未按設(shè)計(jì)的特征水位運(yùn)行，但其運(yùn)行方式具有規(guī)律性，主要表現(xiàn)在每年的3～5月份，壩前水位降低至汛限水位運(yùn)行，此時(shí)，壩前河段沿程水位受來流量不同而變化。6月份往往會出現(xiàn)最大洪峰流量，此時(shí)，樞紐敞泄洪水，壩前雖然可能會出現(xiàn)最低運(yùn)行水位，導(dǎo)致近壩河段河道比降較大，但影響范圍僅出現(xiàn)在近壩河段，出現(xiàn)該情況歷時(shí)較短。汛后，樞紐恢復(fù)至44.5m左右運(yùn)行，庫區(qū)河段水面比降較小。

由于建庫時(shí)間較短，水文站可參考水位資料年限較短，且缺乏壩前低水位時(shí)的回水曲線資料，但基本可以確定的是工程處出現(xiàn)最低水位的時(shí)間主要在汛前樞紐騰庫容時(shí)期。因此，工程處設(shè)計(jì)低水位主要結(jié)合水文站近年來水位資料及樞紐汛前運(yùn)行方式確定。分析水文站2016年～2019年水位資料，保證率98%的水位為43.03m，參考樞紐壩前水位資料，汛前壩前水位降低至43m上下運(yùn)行。故工程處設(shè)計(jì)低水位取43m。

4.結(jié)論

本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，充分考慮下游樞紐運(yùn)行調(diào)度對上游碼頭設(shè)計(jì)水位的影響，為工程建設(shè)提供必要的參考。得出的主要結(jié)論如下：

（1）采用河段高水比降推算的設(shè)計(jì)高水與相應(yīng)重現(xiàn)期流量對應(yīng)回水曲線推算的設(shè)計(jì)高水比較，前者（50.12m）大于后者（49.89m），最終確定工程處設(shè)計(jì)高水位為：50.12m。

（2）充分考慮樞紐汛前運(yùn)行方式（每年的3～5月份，壩前水位降低至汛限水位43m運(yùn)行，），經(jīng)與樞紐正常蓄水位（46m）比較，取小值。最終確定工程處設(shè)計(jì)低水位為：43m。