子威水庫(kù)泄洪方式與洪水調(diào)節(jié)分析

劉文康，李英豪

（中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢渤海有限公司，天津，300222）

1 工程概況

子威水庫(kù)工程位于四川省涼山彝族自治州美姑縣新橋鎮(zhèn)，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)村供水為主的小（1）型綜合利用水利工程，是保障當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)安全、農(nóng)村供水安全、鞏固脫貧攻堅(jiān)成果和促進(jìn)鄉(xiāng)村振興的重要舉措。

子威水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積2 133.33hm2（3.2 萬(wàn)畝），供水人口2.27 萬(wàn)人，死水位2 386m，正常蓄水位2 406m（國(guó)家1985高程標(biāo)準(zhǔn)，下同），興利庫(kù)容276.62 萬(wàn)m3，總庫(kù)容348.65 萬(wàn)m3。水庫(kù)工程主要由水庫(kù)樞紐和補(bǔ)水樞紐兩部分組成，水庫(kù)樞紐由主壩（混凝土面板堆石壩）、導(dǎo)流放空隧洞、引水隧洞等組成，壩頂高程2 409m，最大壩高45m；補(bǔ)水樞紐由副壩（混凝土重力壩）、放空隧洞、連通隧洞等組成，副壩從左至右依次布置左岸擋水壩段、溢流壩段、沖沙壩段和右岸擋水壩段，擋水壩段壩頂高程2 408.40m，最大壩高17.80m，總庫(kù)容7.04 萬(wàn)m3。主壩壩址位于依澤洛溝右支溝中游，集雨面積2.35km2，副壩壩址位于依澤洛溝主溝中游，集雨面積為4.67km2?？紤]到主壩集雨面積較小，所在依澤洛右支溝來(lái)水量不足時(shí)，需將依澤洛主溝中的來(lái)水引入主壩庫(kù)區(qū)，在補(bǔ)水樞紐右壩肩和水庫(kù)樞紐庫(kù)區(qū)左岸布置連通隧洞，使兩庫(kù)能聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行[1]。子威水庫(kù)工程布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 子威水庫(kù)工程總布置圖

2 泄洪建筑物布置分析

2.1 泄洪方式選擇

泄水建筑物是水利水電樞紐工程的重要組成部分，其主要作用為泄洪、排沙、施工期導(dǎo)流及初期蓄水時(shí)向下游輸水等。根據(jù)泄水建筑物在樞紐總體布置中的位置，可將其分為壩身泄洪和岸邊泄洪兩種方式。對(duì)于土壩和堆石壩等當(dāng)?shù)夭牧蠅?，壩身泄洪易造成潰壩，?yīng)利用壩肩有利地形采用岸邊式泄水建筑物。對(duì)于泄洪量大，河谷狹窄、地質(zhì)條件差的工程，需要采用壩身泄洪和岸邊泄洪的組合方式[2]。

根據(jù)工程樞紐布置情況，擬定三個(gè)泄洪方案進(jìn)行比較：

方案一：主壩左岸設(shè)置溢洪道方案，副壩設(shè)溢流壩段；

方案二：主壩右岸設(shè)置溢洪道方案，副壩設(shè)溢流壩段；

方案三：主壩不設(shè)泄洪設(shè)施，采用副壩泄洪方案（通過(guò)連通隧洞把水引至副壩溢流壩泄流）。

三個(gè)泄洪方案比選主要在地形地質(zhì)條件、工程布置、施工條件、建設(shè)征地及移民安置和工程投資等方面均存在一定差異，各方案工程量及投資對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 各泄洪方案主要工程量及投資比較

通過(guò)分析，方案一、方案二和方案三均不存在影響方案成立的重大工程地質(zhì)問(wèn)題；從工程投資上看，方案三工程投資比方案二工程投資少841.95 萬(wàn)元，比方案一工程投資少934.57 萬(wàn)元，從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，方案三較優(yōu)；從工程布置和施工角度看，方案一相對(duì)復(fù)雜。綜合工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面因素，推薦方案三副壩泄洪方案（通過(guò)連通隧洞把水引至副壩溢流壩泄流）。

2.2 泄洪建筑物設(shè)計(jì)

本工程洪水通過(guò)連通隧洞和副壩溢流壩下泄。

2.2.1 溢流壩設(shè)計(jì)

副壩溢流壩段位于依澤洛溝主溝河道中部、左岸擋水壩段和沖沙壩段之間，總長(zhǎng)19.2m，設(shè)置2 個(gè)自由溢流孔，單孔凈寬8.7m，中墩及邊墩均厚0.6m。溢流堰為開(kāi)敞式WES 實(shí)用堰，堰頂高程2 406.0m，最大壩高15.4m。溢流壩上游壩坡在高程2 399.80m 以上為直立面，以下坡比1：0.15；下游堰面與坡比1：0.75 的坡面相切，后接底流消能，反弧半徑4.0m。

溢流壩泄流曲線按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL319-2018 中開(kāi)敞式溢流堰進(jìn)行計(jì)算，泄流曲線見(jiàn)圖2。

圖2 溢流壩泄流曲線

2.2.2 連通隧洞設(shè)計(jì)

連通隧洞進(jìn)口位于副壩址上游右岸岸坡處，距副壩壩軸線5.5m，出口位于主壩址上游左岸約600m 的支溝小山脊處。隧洞為城門洞型，斷面尺寸3m×3m，不設(shè)控制閘門，洞身段長(zhǎng)420m，設(shè)計(jì)縱坡坡比0.005，隧洞軸線基本沿東西向布置。連通隧洞的主要功能有兩個(gè)：一是補(bǔ)水功能，將副壩所在依澤洛主溝中的來(lái)水引入主壩庫(kù)區(qū)；二是泄洪功能，汛期將主壩洪水引洪至副壩進(jìn)行泄洪。根據(jù)其運(yùn)用方式和特點(diǎn)，連通洞以補(bǔ)水運(yùn)用時(shí)段較多，補(bǔ)水運(yùn)行時(shí)，主壩側(cè)水位低于2 400.70m，為無(wú)壓運(yùn)行；汛期兩側(cè)水位高于2 404.30m 時(shí)，為有壓洞運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)最大內(nèi)水壓力78kPa，內(nèi)壓不大。綜合考慮隧洞施工、運(yùn)行因素，連通隧洞采用城門洞型的斷面型式。

補(bǔ)水工況隧洞過(guò)流能力成果，隧洞無(wú)壓流狀態(tài)下最大過(guò)流能力為30.88m3/s，大于補(bǔ)水樞紐壩設(shè)計(jì)洪峰流量28.70m3/s，補(bǔ)水工況不制約隧洞洞徑；泄洪工況下，主壩側(cè)水位高于副壩側(cè)水位時(shí)，水流由主壩流向副壩，根據(jù)調(diào)洪分析，隧洞洞徑影響兩庫(kù)特征水位，對(duì)壩頂高程的選擇起決定作用。根據(jù)泄洪工況下的調(diào)洪演算成果對(duì)主壩、隧洞和副壩總投資進(jìn)行綜合比選，最終選擇連通隧洞洞徑為3.00m×3.00m。

連通隧洞泄流按照《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版）中有壓隧洞進(jìn)行計(jì)算[3]，泄流曲線見(jiàn)圖3。

圖3 連通隧洞泄流曲線

3 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

3.1 計(jì)算依據(jù)

（1）主壩洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇設(shè)計(jì)、1 000 年一遇校核。副壩洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇設(shè)計(jì)、1 000 年一遇校核。

（2）起調(diào)水位采用溢流壩頂高程2 406m，與正常蓄水位一致。

（3）洪水過(guò)程采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。

（4）庫(kù)容曲線采用實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)地形圖量算得到的庫(kù)容曲線。

3.2 計(jì)算方法及調(diào)洪原則

3.2.1 計(jì)算方法

對(duì)于單一水庫(kù)和多水庫(kù)的調(diào)洪驗(yàn)算都是根據(jù)水量平衡原理[4]，在某一時(shí)段內(nèi)進(jìn)入水庫(kù)的水量與水庫(kù)下泄水量之差，應(yīng)該等于該時(shí)段內(nèi)水庫(kù)蓄水量的變化值。

對(duì)于主壩、副壩通過(guò)連通隧洞聯(lián)合調(diào)洪，需考慮時(shí)段內(nèi)兩庫(kù)中水量的自由流通，分兩種情況：

第一種情況，當(dāng)主壩水位低于副壩水位時(shí)，

第二種情況，當(dāng)主壩水位高于副壩水位時(shí)，

式中，Q初為時(shí)段初天然入庫(kù)水量，萬(wàn)m3；Q末為時(shí)段末天然入庫(kù)水量，萬(wàn)m3；q 初補(bǔ)為時(shí)段初副壩向主壩補(bǔ)水水量，萬(wàn)m3；q末補(bǔ)為時(shí)段末副壩向主壩補(bǔ)水水量，萬(wàn)m3；△t 為時(shí)段，h；V末為時(shí)段末水庫(kù)蓄水量，萬(wàn)m3；V初為時(shí)段初水庫(kù)蓄水量，萬(wàn)m3；q初溢流壩為時(shí)段初副壩溢流壩下泄水量，萬(wàn)m3；q末溢流壩為時(shí)段末副壩溢流壩下泄水量，萬(wàn)m3；q初泄為時(shí)段初主壩自連通隧洞向副壩下泄水量，萬(wàn)m3；q末泄為時(shí)段末主壩自連通隧洞向副壩下泄水量，萬(wàn)m3。

3.2.2 調(diào)洪原則

在進(jìn)行調(diào)洪驗(yàn)算時(shí)，主壩和副壩通過(guò)連通隧洞自動(dòng)調(diào)節(jié)庫(kù)水位，兩庫(kù)起調(diào)水位均采用正常蓄水位2 406m。當(dāng)副壩庫(kù)水位超過(guò)溢流壩頂高程（2 406m） 且高于主壩，依澤洛溝主溝上游來(lái)水部分由溢流壩下泄，部分通過(guò)連通隧洞進(jìn)入主壩，與支溝上游來(lái)水一起存于庫(kù)中，主壩庫(kù)水位升高；當(dāng)副壩庫(kù)水位超過(guò)溢流壩頂高程且低于主壩，依澤洛溝右支溝上游來(lái)水通過(guò)連通隧洞進(jìn)入副壩，與主溝上游來(lái)水匯合后由溢流壩下泄，主壩庫(kù)水位降低。兩庫(kù)水位升高、降低通過(guò)連通隧洞自動(dòng)調(diào)節(jié)，洪水通過(guò)溢流壩自由下泄，最后兩庫(kù)均回落到起調(diào)水位。

3.3 調(diào)洪結(jié)果

按照上述泄洪方式和調(diào)洪方法，主壩50 年一遇設(shè)計(jì)洪水位2 406.77m，相應(yīng)庫(kù)容315.81 萬(wàn)m3，連通隧洞最大下泄流量7.00m3/s；1 000 年一遇校核洪水位2 407.12m，相應(yīng)庫(kù)容325.14 萬(wàn)m3，連通隧洞最大下泄流量9.61m3/s；副壩50 年一遇設(shè)計(jì)洪水位2 406.68m，相應(yīng)最大庫(kù)容4.48 萬(wàn)m3，溢流壩最大下泄流量16.25m3/s，連通隧洞最大下泄流量9.64m3/s；1 000 年一遇校核洪水位2 407.15m，相應(yīng)最大庫(kù)容5.29 萬(wàn)m3，溢流壩最大下泄流量36.30m3/s，連通隧洞最大下泄流量13.25m3/s。

當(dāng)遭遇50 年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，若不考慮連通隧洞泄洪，主壩來(lái)水全部存于庫(kù)中，水庫(kù)水位可達(dá)到2 407.12m，較上述調(diào)洪水位高0.35m。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)分析，將連通隧洞作為主壩泄洪通道，可有效降低主壩防洪水位，保證大壩安全。

（2）利用已布置連通隧洞，兼顧泄洪功能，可有效減少投資，提高大壩防洪能力。本文提出的通過(guò)連通隧洞泄洪的布置方式和調(diào)洪方法，可供工程設(shè)計(jì)中參考。