大藤峡水利枢纽大江截流水文多因素变化分析

伍勇 田苏茂

摘要：为全面了解大藤峡水利枢纽工程截流期间的水文情势，摸清水文因子变化规律，通过连续动态监测河段水文水力学资料，及时发布可靠水文信息，满足工程施工需要。分析了测区各时段水位、比降、断面流量、戗堤口门宽、流场、龙口形态等水文因子变化，不仅了解到在水文监测中站网和流量断面随施工进度调整的重要性，且探讨了分流比、龙口流速与水位落差及口门宽在不同阶段的变化规律和区域特殊性，提出了利用特殊情况下采用高新技术施测龙口水面流速手段及修正最大流速方式。研究成果可为同类工程开展类似工作提供参考。

关键词：水文因子;大江截流;戗堤;龙口;大藤峡水利枢纽;珠江流域

中图法分类号：TV551.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2020. 10.001

1 工程及监测概况

大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系黔江下游大藤峡出口，控制西江流域面积56.4%，控制洪水总量占梧州站65.0%。该工程集防洪、航运、发电、水资源配置、灌溉等综合效益于一体，是珠江流域防洪关键控制性工程和水资源配置骨干工程，被誉为珠江上的“三峡工程”。

工程主要建筑物有挡水坝、泄水闸、发电厂房、船闸、灌溉取水设施及鱼道等。船闸布置在黔江左岸;河床式厂房布置在黔江主坝，两岸分设;泄水闸布置在黔江主坝河床中部。工程建成后水库正常蓄水位61m，水库总库容34.79亿m3，其中防洪库容15亿m3;工程于2014年11月开工建设，2019年10月26日大江截流，工程总工期9a。

根据大江截流施工布局，大藤峡出口一下引航道出口为大江截流水文监测范围，全长约4.0 km。其中，截流龙口距大藤峡出口约2.0 km，位于大江左岸滩地，龙口初始宽度为150 m。

大江截流期间开展了截流河段水位观测、断面流量（含分流比）及流速分布测验、水面流态观测、戗堤口门宽观测等，监测频次在截流期根据戗堤进占程度而逐渐加密，以满足工程施工需要。

2 水位落差及比降变化

大江截流期间上游来水正常偏枯，前期各站水位变化基本一致，上围堰戗堤施工逐渐加快时，各站水位变化呈现不一致性，即戗堤上游水位因口门收窄和壅水影响逐渐抬高，戗堤下游各站水位变幅小于上游，上下游水位落差逐渐增大，工程进占各阶段河段水位变率也有明显差别;龙口合龙时，上下游水位变幅迅速增大至最大值1.89 m，比该河段多年同期水位扩大0.2 m.变幅达115%;导流段水位落差趋势与大江一致，因分流量增大而增大，落差变率稳定（见表1和图1）。

根据工程水文学[1]，水面比降可定义为

I= △Z/L （1）

式中，I为水面比降，‰;△Z为水位落差，m;L为河段距离，m。

对典型河段不同时期水面纵比降和横比降进行计算（见表2），数据显示：各河段水面纵横向比降变化规律明显，导流段因分流比增大导致纵向围堰头部阻挡来水能力增强，人口附近环流范围逐渐增大，水流被迫冲向导流段左岸，而右岸为纵向围堰一侧，成为水流运动回流区，造成左岸水位比右岸大;戗堤下游因龙口口门逐渐收窄，上游来水被压向左岸一侧，造成水位上挑，右岸因戧堤阻挡，水位有回流，使得左右横比降增大，随着龙口继续收窄（24日为转折点），环流作用加强，右岸水位开始明显增加，横比降逐渐回归到正常状态。

导截流河段在截流初期水面纵比降与河床比降基本一致，到戗堤强进占期，截流河段局部纵向比降变化要大于其他河段，大量土石抛投后，龙口至下游形成了约30-50 m舌状体凸起河床，加大了龙口附近水流沿程摩阻损失，造成河床比降与水面比降逐渐增大且不同步，龙口合龙时，水面比降约为河床比降8-10倍。

3 流量变化

截流期同步开展坝址流量、龙口流量和导流量监测。2019年10-11月坝址来水量与历年同期相比明显偏枯，实测坝址10月平均流量为1 540 m3/s，小于多年平均值43.6%，有利于截流施工。

3.1 分流量及相关性

大江截流采用单戗堤进占，立堵截流方式。根据工程水文学定义[1]，导流河段分流比定义为式中，δ为分流比，%;Q为流量，m3/s;下标“坝”“导”“龙”分别表示坝址、导流段和龙口段。实测资料表明，龙口和导流过流过程基本按截流设计方案变化（见图2）。

理论上讲，当上游来水量稳定不变时，导流量与底孔开启数量有紧密关系。实测资料显示：导流量在开始阶段随底孔开启数呈线性关系，当开孔数满足导流量后，两者关系紧密度减弱（见表3）。

各河段流量与水位落差关系较好，相关性均在0.90以上，龙口段初期流量随水位落差增大而增大，合龙期水位落差增大则流量减小;导流河段流量变化始终随水位落差增大而增大（见图3），影响上述关系的主要因素为龙口段戗堤口门宽，口门越小，两河段流量相关性越密切。

已知B底=171 m，为常数，H龙、H导变幅不大（两处平均水深变化2.3-2.7 m），决定底孔分流比主要因素是龙口水面宽B龙[2]。截流初期龙口尚未形成，加上导流人口子堤尚未拆除，使得导流分流比与戗堤口门宽关系不明显，分流比受戗堤控制较弱，当龙口形成后，导流量逐渐增大，分流比与龙口宽相关性明显加强（见图4）。

3.3 龙口流量系数验证

龙口合龙时，分流量可按宽顶堰流公式计算[3]，公式为

胡志根等[4]通过试验分析，拟合出不同龙口宽、水深和龙口流量下综合流量系数为0.375，以此验证大藤峡截流中龙口在不同水力条件下的流量，并利用实测数据计算不同条件下的流量系数，具体特点如下：

（1）试验流量系数计算龙口流量（因水头不是很大，考虑低堰，侧收缩系数范围为0.60-0.70，与实测流量相差较大，口门越大误差越大，当水面宽缩窄至60m以内，误差减小;

（2）实测流量并不是理论上的龙口流量，一般选择在龙口上游，其水力条件与龙口有明显区别，这也是造成两种流量误差较大的原因之一;

（3）采用上述公式和实测数据计算流量系数为0.45-1.03，与实验数据相差较大，说明龙口流量计算公式取用应重点考虑堰的类型、公式适用条件.以提高流量系数等代表性。

4 测区流速分布

数据显示，在上戗堤和纵向围堰压迫下，大江水流动力轴线受戗堤变化影响逐渐左移，特别是围堰上游左岸浅滩抗冲影响，水流流向在龙口上游约60 m开始明显变化，逐渐靠近河段中轴线，进入龙口收缩段后，因大量抛投料截流，戗堤边坡上爬，河床水深逐渐减小，龙口水流态不断切断沿横断面方向流动，致使水流流线剧烈变化，交叉运动，迅速形成“剪刀水”形态[5]，当运动到下游70 m区域内，水流逐渐散开，并向河段右侧运动，加上导流量在下围堰上游回归主流，顶托龙口下泄水流，使近右岸流态出现局部环流区（如进占期测区单测次各垂线流场三维分布，见图5）。

图5显示：龙口上游垂线平均流速横向分布呈马蹄形，靠近戗堤垂线流速变化较大，并随戗堤进占分布差异增大;龙口附近垂线流速明显大于其他部位，进占附近流速变化大于左岸相对稳定区域流速，上下围堰间近右岸部分流速明显小于左岸，说明龙口附近流速横向分布不均匀。截流各阶段垂线平均流速变化见表4。

根据口门宽变化，靠近戗堤头垂向流速分布近似呈对数分布，垂线最小测点流速位置随口门收窄上下移动，龙口合龙时，垂线最小流速靠近水深相对位置0.8附近;而其他位置垂向流速分布基本为幂函数形式，口门越窄，中轴线垂向流速变化越大，最小流速基本靠近河底，符合理论垂向流速分布形式，图6为龙口初期至合龙前中轴线垂向流速分布。

5 最大流速及相关性

龙口流速受上游来水、龙口水位落差和口门宽等影响，还受河床边界和水流阻力影响，同时受戗堤渗流量、含沙量大小及分布影响[5]，当上游来水量、分流量、含沙量相对稳定时，龙口流速与形态变化呈正相关关系。

戗堤上下游、龙口处垂线分层流速变化（除靠近河底外，即水深相对位置0.8至河底）基本一致，当流速越来越大时，垂向流速分布逐渐均匀;当戗堤上游平均流速小于1.0 m/s时，垂线最大流速出现位置从水深相对位置0.3区域逐渐下移至水深相对位置0.45;当平均流速大于2.0 m/s时，垂线最大流速在水深相对位置0.4区域摆动。

垂线最大流速与水面流速比值具有不同规律：靠近岸边垂线比值相对较大;右岸垂线大于左岸垂线;中泓垂线比值相对稳定，水流不断集中，比值变化逐渐减小;龙口合龙时比值基本稳定在1.04，龙口最大流速为龙口断面平均流速1.10～1.60倍;该规律可为其他方法测量水面流速时，推算最大流速提供参考（见图7）。图中，V4，V6，V7为龙口上到龙口中游垂线流速。

戗堤进占前期，龙口断面形态主要呈不规则梯形，龙口流速随口门减小而逐渐增大，最大流速出现在龙口中轴线或略偏右区域，当口门宽缩窄至30 m左右时，龙口流态急剧变化，安全风险增大。采用无人机搭载电波流速仪实测龙口水面最大流速，并与同步施测的电子浮标流速及数模数据对比分析，确认龙口最大流速于2019年10月25日17：00左右形成。

无人机测流主要由无人机平台、雷达测流仪、便携计算机等组成，其原理是：电波流速仪发出一个微波能量束，当这个波能量撞击到水面时，部分能量的一部分返回到雷达设备天线，返回信号的频率变化与目标的速度成比例，根据发射和返回信号频率不同，测定水面流速。声速计算公式为

无人机悬空定点施测龙口流速，将空中位置坐标投影到水面，得到龙口附近某一点的流速，并计算至龙口轴线距离，还原龙口水舌流速变化移动范围（见表5）。

现场发现，龙口扩散段形成带状水舌后，其长度随龙口缩窄逐渐增加，后因扩散段河床抬高阻力增大，局部能量损失，形成水跌，流速逐渐減小。无人机数据显示：龙口附近最大流速出现在龙口下游下沿端28 m处，该位置最大流速是龙口最大流速的1.10～1.22倍，最大值出现在龙口合龙前流速明显减小期间（见图8）。

龙口最大流速与龙口宽和龙口落差均有较好的相关性，最大流速出现前，龙口最大流速与口门宽负相关，与落差正相关，相关性达到0.95以上，最大流速形成后，龙口最大流速与口门宽正相关，与落差负相关，从而验证了水位落差随龙口宽减小而逐渐增大。图8中，一1和一2分别为龙口最大流速出现前和出现后口门宽与龙口的流速关系。

6 结论

通过大藤峡水利枢纽工程大江截流河段各水力因素变化分析，有以下几点认识。

（1）截流期间，水位变化小，龙口段落差随戗堤进占逐渐增大，其分担测区河段落差42.4%，截流初、中期水面比降近似于河床比降，龙口合龙时，水面比降明显大于河床比降;因局部环流影响导流段上游和龙口下游横向比降变化明显。

（2）导流河段落差、龙口落差与流量均呈指数关系，相关性均在0.90以上;采用试验流量系数计算龙口流量，与实测流量相差较大，水面宽至60 m以内，误差明显减小;通过实测数据和经验公式计算流量系数，远远大于试验流量系数。

（3）龙口合龙前，戗堤河床水深逐渐减小，边界条件不稳定，龙口水流态交叉运动，迅速形成“剪刀水”形态，短范围扩散段形成水舌，其长度随水面宽呈二次多项式;戗堤上下游横向流速变化趋势存在不一致性，垂线最大流速位置主要出现在水深相对位置0.45附近。

（4）实测数据表明：①龙口附近最大流速出现在龙口下游约28 m处，该流速是龙口断面最大流速的1.10-1.22倍;②最大流速与龙口宽和落差具有较好相关性，龙口最大流速形成前，口门宽与龙口最大流速呈反比，最大流速形成后，两者呈正相关;③龙口形成初期各垂线垂向流速分布大多呈对数分布，垂线中最小流速位置随着口门变化上下摆动，并逐渐靠近水深相对位置0.8附近;④龙口合龙时，垂线流速变幅增大，分布形态较差且不稳定。

（5）龙口截流具有较多不安全因素，采用无人机搭载电波流速仪等施测龙口水面流速是较为适用的方式之一，具有安全、快速、便捷等特点，数据较为完整反映了龙口流速和位置变化规律，可为施工提供科学依据。

参考文献：

[1]王文川，工程水文学[M].北京：中国水利水电出版社，2018.

[2]成金海，樊云，胡焰鹏，三峡工程明渠截流水力要素变化分析[J].人民长江，2003，34（S1）：42-44，58.

[3] 肖焕熊.施工水力学[M].北京：水利电力出版社，1992.

[4]胡志根，孟德乾，黄天润，等.单戗堤立堵截流龙口的水力特性试验研究[J].水利学报，2011，42（4）：414-419.

[5]李云中，叶德旭，张年洲.三峡工程明渠截流龙口流速分布研究[J].人民长江，2003，34（S1）：56-58.

（编辑：唐湘茜）

作者简介：伍 勇，男，高级工程师，主要从事水文测验及资料整编技术管理和分析工作。E-mail： 252743766@qq.com