白市枢纽坝下脱水段设计水位的探讨

张 俊 刘小云 任华强

湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410005

清水江是长江支流沅水的上游，发源于贵州省贵定、麻江、都匀三县（市）间的云雾山，沿途接纳重安江、巴拉河、南哨河、瑶光河、六洞河等主要支流，入湘境，在常德注入洞庭湖，于城陵矶汇入长江。黔境内长452km，平均比降2.8‰，流域面积17086km2，流经黔境的都匀、凯里、剑河、锦屏、天注等15个县（市）。

贵州省境内清水江白市枢纽下游河道，目前航道维护尺度为1.0m×30m×105m，仅能通航50～100t级船舶。同时受上游白市枢纽及下游托口枢纽过闸设施影响，本航段目前为区间通航。现阶段，托口枢纽已蓄水至250m，深水库区内浅滩基本消失，航道尺寸基本能满足Ⅳ级航道通航要求，为航道等级的提升创造了有利条件。但白市枢纽下游存在约8km脱水段与托口库区回水尚未衔接，枯水时不满足Ⅳ级航道通航要求，为本段航道整治重点。

1 研究思路及过程

1.1 总体思路

清水江白市至分水溪航段位于白市枢纽和托口枢纽之间，属于托口枢纽的变动回水区，航道通航水位的确定同时受白市枢纽下泄流量及下游梯级托口枢纽的回水影响。

根据《内河通航标准》（GB 50139—2014）6.4.4条的规定，枢纽上游河段应采用规定保证率的入库流量与相应的坝前水位组合，并采用坝前死水位或最低运行水位与相应各级入库流量组合，得出多组回水曲线，取其下包线作为沿程各点的设计最低通航水位；枢纽下游河段应采用规定保证率，分析选定设计流量，并考虑枢纽日调节影响推算确定，下游有梯级时应衔接。同时，规范要求枢纽上下游河段设计通航水位应结合枢纽运行后的实测资料进行必要的验证和调整。

目前白市及托口枢纽运行均不足4年，且下游托口枢纽蓄水至正常蓄水位250m仅8个月时间，枢纽运行后的水位及调度资料有限，临近河段也无相关水文站。因此，工可阶段拟通过分析托口枢纽的设计资料特征水位以及其达到正常蓄水后的实测水位，分别推算工程河段最低通航水位并进行比选。同时考虑长距离开挖后的水面降落计算出沿程实际设计水位。

1.2 推算过程

方案一：

（1）起推水位（托口枢纽的设计资料特征水位）。《托口电站可行性研究报告》中所述调度规则为按托口水电站与三板溪、白市等梯级联合调度运行，报告采用1951年1月～2002年12月共52年径流资料进行长系列径流补偿调节计算，确定多年运行特性指标如下：托口水电站水库正常蓄水位250.00m，运行历时约占总运行历时的54%，水库汛期限制运行水位246.00m，运行历时约占总运行历时的16%，消落到死水位235.00m的历时约占总运行历时的3.3%。

根据《托口电站可行性研究报告》给出的电站水位保证率曲线，查得其坝址处95%保证率水位为238.0m。

（2）设计流量。本段航道规划为IV级航道，根据规范要求多年历时保证率为98%～95%，考虑本河段为山区性河流，最低通航水位保证率可取95%。根据白市电站工可报告水文分析，查得白市电站坝址处多年历时95%保证率流量65.2m3/s作为设计流量。

（3）脱水段航道天然水面线推算。根据以上资料、选定的模型、拟定的方案进行水面线计算，该河段糙率选取参考《托口电站可研报告》糙率分析成果，该河段糙率取值范围为0.045～0.062，同时根据白市坝下水位流量关系及实测中枯水水位流量关系反推糙率，最终取综合糙率n=0.06。断面布置图及推算成果图如图1、2所示。

图1 天然水面线推算断面布置图

图2 天然水面线推算图

（4）挖槽引起的水面降落。由以上分析的天然状态下水面线成果图可知，部分断面水深小于1.9m设计水深，不能满足IV级航道通航要求，因此需采取工程措施，改善该段航道通航条件。

开挖航槽是解决航道水浅流急的重要措施之一，但是长河段挖槽通常会引起枯水同流量的水位降落，导致开挖工程量加大。挖槽引起的水面降落值与挖槽尺度（宽、深）、部位、底坡及上游来流条件等因素有关。下游长河段连续开挖可能会使上游航道水深条件进一步恶化，下游段水位降落向上游段传递，但不是两河段水位变化的简单叠加，往往需要考虑本段河槽开挖与下游开挖的综合影响，并对挖槽后长河段的水面线进行重新试算和迭代。

依据前文的天然河段水面线计算成果，在满足航槽设计水深的开挖情况下，本项目坝下8km脱水段大致分为5个滩险，属长河段深槽式开挖。考虑到连续长河段开挖水面降落试算和迭代的复杂性和误差，为简化试算，假设河段水流为均匀流，并且挖槽前后河床糙率不变，采用最下游单一滩挖槽水面降落后的水面比降向上游类推，试算挖槽后水面线，直至沿程水深满足设计水深要求。

①按照目前航道设计挖槽方案和断面参数，采用均匀流估算法计算最下游滩挖槽后引起的水位降落：

表1 最下游滩险挖槽引起的水位降落计算过程表

②根据表1计算结果，得到新的水面线，据此得到新的设计河底高程，重新代入前文的水面线计算模型进行试算，不断迭代后得到开挖后的水面线，最终得到挖槽后最下游滩险滩尾水位238.0m，滩头水位238.67m，水面比降约为0.41‰。

③为提高计算精度，加密坝下脱水段计算断面，共布置27个断面（见图3），以最下游滩挖槽后的水面比降向上游类推，在满足沿程设计水深的前提下，迭代试算沿程水面线，计算结果如表2所示。

图3 挖槽后水面线推算断面位置图（断面加密）

表2 挖槽后水面线计算成果表

（5）挖槽后效果分析。从上表计算成果可知，考虑挖槽水面降落后，坝下脱水段最下游断面设计水位为238.0m，下游引航道口门区设计水位为240.17m，经核算沿程水深基本满足设计水深1.9m。此外对比天然和挖槽后水面线计算成果可知，开挖后沿程流速较开挖前明显降低，沿程流速均衡化，说明河段水流条件得到明显改善。

方案二：

（1）起推水位。根据托口电站蓄水蓄至250m后，历时8个月逐时水位进行计算，其95%保证率约为239.8m。

（2）设计流量。与方案一相同，白市电站坝址处多年历时95%保证率流量65.2m3/s。

（3）挖槽引起的水面降落。同方案一计算得出挖槽后最下游滩滩尾水位239.8m，滩头水位240.15m，水面比降约为0.33‰。再以最下游滩挖槽后的水面比降向上游类推，在满足沿程设计水深的前提下，迭代试算沿程水面线，计算结果如表3所示。

表3 挖槽后水面线计算成果表

续表3

1.3 方案分析及推荐方案

方案一取托口枢纽原设计资料95%保证率水位238m作为起推水位，同时考虑白市电站瞬时最小下泄流量65.2m3/s，来确定工程河段的设计水位。方案二根据托口电站蓄水蓄至250m后，历时8个月逐时水位进行计算，其95%保证率约为239.8m，高于方案一起推水位238m近2m。方案二工程量较小，投资较省，但因托口电站蓄水完成后时间太短，2016年12月9日完成第二阶段蓄水至正常蓄水位250.0m。基础水文资料历时较短，仅8个月，资料代表性不足，计算成果不够可靠。方案一采用的基础资料更详实，为达到《内河通航标准》规定的通航保证率要求，确保高等级航道的常年畅通，本阶段将方案一作为推荐方案确定设计最低通航水位。

随着本工程的推进，实测资料历时将逐渐延长，后续阶段拟根据实测资料的逐渐完善对设计水位再进行逐步调整优化。

2 结语

设计水位是航道工程规划、设计、施工所依据的重要技术参数，其准确性对航道工程的造价、效果乃至成败影响甚大。

对于坝下脱水段设计水位的计算，在实测资料年限不足的情况下，前期工作可通过收集相关工程设计资料，在满足规范的前提下对其进行初步推算，同时应考虑长距离河段开挖引起的水面降落，对计算成果进行不断的核算，保证其开挖后的沿程水深满足通航要求。并根据动态管理的整治原则随着工程的推进，实测资料历时的逐渐延长，后续阶段对设计水位进行逐步调整优化。

本文以白市坝下脱水段为实例针对其设计水位的确定进行探讨，希望对相关的航道建设工程起到一定参考作用。