基于无防洪任务的混凝土坝泄洪规模研究

王民侠

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

混凝土坝一般采用坝身泄洪的方式,为方便灵活运行和排沙常采用表底孔组合的泄洪布置,坝身泄洪建筑物具有泄洪排沙、调节库容、调节水位、施工导流度汛等功能,是保障水利枢纽安全、减小洪涝灾害的重要设施。表孔具有超泄能力强、泄流落差大的特点。底孔可排沙减淤、灵活运用,并兼顾施工导流及度汛。通过对混凝土坝枢纽表底孔孔数、尺寸及不同组合型式进行研究,有利于合理确定泄洪建筑物规模,拟定经济坝高,是优化设计的主要途径之一。下游无防洪任务时,泄流规模不受防洪影响限制,可根据工程运用要求,研究泄洪规模与工程投资的关系。

1 排沙泄洪建筑物布置条件

为方便说明问题,以普化水库为例进行研究。普化水库总库容1581 万m3,为Ⅲ等中型工程,大坝及坝身泄洪建筑物为3 级建筑物。该水库具有“河谷窄深、岸坡陡峻,洪水峰形尖瘦、陡涨陡落”的特点,坝址位于漆水河上游的低山丘陵沟壑区,河谷为“U”形窄深谷,岸坡大部基岩裸露,漫滩高出河床0.2 m~0.6 m,宽度约10 m~20 m［1］。

2 底孔布置

2.1 底孔运行要求

（1）满足施工度汛要求

施工度汛由底孔和导流洞联合过流,度汛标准选用20 年一遇洪水,洪峰流量为409 m3/s,坝前水位918.68 m,导流洞过流量为151 m3/s,底孔过流量112 m3/s。

（2）满足排沙运用要求

正常蓄水位以下库容1540 万m3,兴利库容（运用30 年后）859 万m3,淤积库容678 万m3。为充分发挥底孔的排沙功能,排沙泄洪底孔选择较低的进口底板高程有利于拉沙减淤,满足水库水沙调控要求。

（3）保证取水口门前清要求

为保证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,普化水库供水干线自大坝左岸接引,底孔紧邻取水口布置在其右侧。

（4）流态好,消能好,下游雾化影响小。

（5）为方便灵活启用,底孔尺寸不宜过大,以避免小开度起闸所引起的震动。

2.2 底孔高程确定

为保障排沙及取水效果,底孔进口底板高程应略高于枯水期水位且低于取水口高程。普化水库河谷最低点高程为897 m,左岸漫滩高程903 m,漫滩以下河谷狭窄,易被岸坡塌落物淤堵。三个分层取水口高程分别为921.0 m、930.0 m、939.0 m。根据以上原则,按略高于河漫滩高度取底孔进口高程905.0 m。

2.3 底孔尺寸拟定

漆水河为山区性河道,流量较小,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。冲砂闸过水流量一般按汛期平均流量、常遇洪水Q25%~Q45%或Q3%~Q10%洪峰流量确定。

清水河流底孔泄洪能力一般按排沙水位时下泄流量不小于造床流量控制,黑龙江卡伦山以上河段造床流量约为汛期平均流量的1.13~1.58 倍［2］,据此计算普化水库造床流量为1.51 m3/s~2.12 m3/s；马卡维耶夫认为俄罗斯平原河流河滩滩缘造床流量约为频率Q1%~Q6%,据此计算普化水库造床流量为1020 m3/s~385 m3/s,浅滩边滩造床流量为Q25%~Q45%洪峰流量［3］据此计算普化水库造床流量为65 m3/s~43 m3/s；虞邦义等对淮河中游造床流量分析后认为,淮河中游造床流量约为多年平均流量的3.89~5.53倍,据此计算普化水库造床流量为4.01 m3/s~5.70 m3/s；约为汛期（6月~9月）平均流量的0.54~0.80倍［4］,据此计算普化水库造床流量为0.72 m3/s~1.07 m3/s。

平原地区防洪要求高,需充分利用水库的调蓄作用,滞洪削峰,以满足下游防洪要求,多用常遇流量确定冲沙闸孔规模。普化水库地处丘陵沟壑区,下游无防洪任务,按照多年平均流量或汛期多年平均流量计算造床流量偏小,工程布置及运行控制均受到限制。

针对本工程底孔水头不高,洪水峰型尖瘦,洪水集中,可按Q3%~Q10%洪峰流量确定底孔泄流规模,以保持进水口门前清,方便冲淤保障兴利库容。底孔处河道宽度为42 m,根据冲砂闸过水宽度一般为河道断面宽度的1/5~1/20,分别布置3 m、4 m、6 m宽方孔冲砂闸（方案一～方案三）,各方案不同水位泄量见表1。

表1 冲沙闸各方案水位泄量表 单位：m3/s

由表1可知：

方案一时,泄洪底孔选用3 m×3 m,死水位926.0 m时泄量155 m3/s,大于Q20%=74 m3/s,小于Q10%=192 m3/s；设计洪水位946.5 m时泄量222 m3/s,大于Q10%=192 m3/s,小于Q5%=409 m3/s,底孔泄流能力与10 年一遇洪峰流量较为接近。

方案二时,泄洪底孔选用4 m×4 m,死水位926.0 m时泄量272 m3/s,设计洪水位946.5 m时泄量392 m3/s,大于Q10%=192 m3/s,小于Q5%=409 m3/s,底孔泄流能力与20年一遇洪峰流量较为接近。

方案三时,泄洪底孔选用6m×6m,死水位926.0 m时泄量595 m3/s,大于Q5%=409 m3/s,小于Q2%=808 m3/s；设计洪水位946.5 m时泄量871m3/s,大于Q2%=808 m3/s,底孔泄流能力与50年一遇洪峰流量较为接近。

将普化水库泄洪规模与陕西省近期建设的混凝土坝工程三河口水库、洞河水库、李家河水库、黄金峡水库、东庄水库进行比较,各水库泄洪规模见表2。

表2 陕西省近期建设混凝土坝泄洪规模对照表

从表2 可以看出：东庄水库为多泥沙河流,为便于泄洪排沙,底孔分流比达52.6%,底孔最大泄流流量接近10 年一遇洪峰流量；三河口水库及洞河水库底孔最大泄流量不到5年一遇洪峰流量；李家河水库底孔最大泄流流量略大于10年一遇洪峰流量；黄金峡水库底孔最大泄流量约为2 年一遇洪峰流量；普化水库采用方案一时,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时泄量为155 m3/s,介于5 年一遇~10 年一遇洪峰流量之间,普化水库底孔采用3 m×3 m符合河道陡峻、汛期洪水较大、洪峰尖瘦的特点。

3 表孔布置

3.1 表孔布置原则

（1）适应河道地形地质条件

河床高程897 m~927 m,天然水面宽4 m~12 m,泄洪表孔布置需根据地质条件采用合适的单宽泄量,泄流宽度要与天然河床宽度相适应,以减少对下游两岸的冲刷、雾化影响。

（2）经济合理的泄洪能力

表孔的泄洪能力与堰顶水头的1.5 次方成正相关,水头越大,泄流能力越大,较低的堰顶高程有利于提高泄洪能力,但单宽流量较大,对两岸及下游冲刷雾化严重。水头越小,需要的泄洪宽度越大,不利于坝肩稳定和两岸边坡安全。

（3）最大下泄流量不超过入库洪峰流量

水库总泄洪规模在各级流量标准下,不超过入库洪峰流量。

3.2 表孔方案拟定

表孔溢流宽度需考虑下游基岩出露高程及河床宽度,以减少对两岸边坡及下游的冲刷,普化水库2%~0.2%洪水条件下天然水面宽度约25 m~38 m,溢流宽度考虑了2 m×10 m、3 m×10 m、3 m×12 m共3 种组合方案,表孔布置宽度为23.5 m、37 m及43 m。方案组合为：

（1）2孔10 m宽表孔,表孔设闸,堰顶高程939.5 m。

（2）3孔10 m宽表孔,表孔设闸,堰顶高程考虑了938.5 m、939.5 m、940.5 m、941.5 m、942.5 m、943.5 m六种方案。

（3）3孔12 m宽表孔,表孔不设闸门,堰顶高程946.5 m。

4 泄洪规模比选

4.1 泄洪方案组合及比选

根据洪水标准和以上布置原则按以下9种方案进行泄洪建筑物规模比选（底孔进口底板高程均采用905.0 m）,不同方案组合型式及比选见表3,泄洪方案直接费见图1。

图1 泄洪方案费用比较

表3 泄洪方案综合比较表

（1）方案Ⅰ~方案Ⅵ：1孔4 m×4 m底孔和3 m×10 m宽表孔,表孔堰顶高程分别采用943.5 m 、942.5 m、941.5 m、940.5 m、939.5 m、938.5 m共6 种方案,表孔设闸运行；

（2）方案Ⅶ：1孔3 m×3 m底孔和3 m×10 m宽表孔,表孔堰顶高程938.0 m,表孔设闸运行；

（3）方案Ⅷ：1孔3 m×3 m底孔和2 m×10 m宽表孔,表孔堰顶高程939.5 m,表孔设闸运行；

（4）方案Ⅸ：1孔6 m×6 m底孔和3 m×12 m宽表孔,表孔堰顶高程946.5 m,表孔不设闸门,自由溢流。

4.2 泄洪方案比较

由表3 及图1 可以得出：方案Ⅸ在设计洪水位和校核洪水位时,底孔泄流量均大于50 年一遇洪峰流量,底孔泄洪规模较大,不利于小流量冲砂及灵活开启运用,校核洪水位时底孔分流比超53%,不符合一般表底孔布设规律。表孔自由溢流虽运用管理方便、安全性较高,但泄洪宽度较大且坝高较高,工程投资最大,此方案经济性最差,应首先淘汰；方案Ⅰ～方案Ⅴ、方案Ⅷ坝顶高程均由校核洪水位确定,从投资对比可以看出,当坝高由校核水位控制时,需根据滞洪库容大小确定坝顶高程,从而增加水库工程投资,削峰比越小,水库投资越少,削峰比越高,水库投资越大,但防洪效益越好,由于本工程无防洪要求,故可压缩滞洪库容以降低工程投资；方案Ⅵ及方案Ⅶ坝顶高程由正常蓄水位确定,总泄洪规模较大,工程直接费较其他方案低,方案Ⅵ4 m×4 m底孔在正常蓄水位时泄量约相当于20 年一遇洪峰流量,方案Ⅶ3 m×3 m底孔在正常蓄水位时泄量约相当于10年一遇洪峰流量,后者泄洪规模符合冲沙底孔布置的一般规律,调度运行灵活,故选用方案Ⅶ为推荐方案。

表3 比测数据误差统计表

工程直接费投资随坝高的降低而减少,基本呈线性相关关系,方案Ⅵ较方案Ⅰ投资减少2862 万元,平均每降低1 m坝高可减少投资715.5 万元。

综合以上分析,洪峰削峰比越小,水库投资越少,削峰比越高,水库投资越大,但防洪效益越好,对不承担下游防洪任务的水库,随坝高增加而增加的投资远大于闸门尺寸变化所增加的投资,按“便于管理、集中布置”的原则,选用方案Ⅶ进行枢纽布置,平面布置及上游立视见图2、图3。

图2 枢纽平面布置图

图3 枢纽上游立视图

5 结论及建议

（1）当底孔设置和表孔宽度一定时,泄洪规模随表孔堰顶高程的降低而增大,工程投资随之减小,堰顶高程降低5 m,校核水位降低4.05 m,坝高降低4 m,投资减少2862 万元,平均每降低1 m坝高可减少投资715.5 万元。

（2）山区水库洪水峰型尖瘦、洪水集中,下游防洪要求一般较低,对于水头适中的底孔,可采用排沙水位下泄Q20%~Q10%洪峰流量确定泄流规模,以便于保持进水口门前清和保障有效库容。

（3）在混凝土坝泄洪建筑物布置中,只有经过多方案多组合充分比较论证,才能确定较优方案,可在满足工程运用要求基础上最大限度地降低工程投资。