水工建筑物设计中水位流量关系应用思考

高 诚

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 基本情况

水工建筑物按其作用可分为挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取（进）水建筑物。挡水建筑物是用来拦截江河，形成水库或壅高水位的建筑物，如各种坝、水闸等。泄水建筑物是用于宣泄多余洪水量、排放泥沙和冰凌等，以保证大坝和其他建筑物安全的建筑物，如各种溢流坝、坝身泄水孔、岸边溢洪道和泄水隧洞等。输水建筑物是为了发电、灌溉和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物。某大型水库总库容2.94 亿m3，以供水和防洪为主，兼顾灌溉和发电，并为流域水资源管理和水生态保护创造条件。该枢纽工程主要由拦河坝（碾压混凝土重力坝）、泄水建筑物（表孔和底孔坝段）、放水兼发电引水建筑物（放水兼发电引水坝段）、坝后式电站厂房和过鱼建筑物等组成。碾压混凝土重力坝坝顶高程1 032.0 m，最大坝高75.5 m，坝顶宽度9 m，坝段总长372.0 m；上游面986.0 m 高程以上为铅直面，986.0 m 高程以下为向上游的倾斜面，坡度为1∶0.15，坝体下游坝坡为1∶0.75。泄水建筑物采用溢流表孔与底孔并排布置于河床坝段的方案[1]。

本水库工程地处欧亚大陆腹地，远离海洋，北部山区具有自然降水多、湿度大的气候特征，平原区气候干燥、蒸发量较大，春、秋两季不明显，纬度高，气温低，少酷暑，多严寒，冬夏冷暖悬殊。水库所在河流的径流补给以降水及季节积雪融水为主，有少量的冰川融水和地下水补给，径流量呈年际变化大、年内分配不均匀的特点，该流域经常出现连续枯水年和连续丰水年。

本水库工程所在河流上游区海拔较高，降水相对较多，产流集中。下游区上段为丘陵区，地形起伏，降水量明显减少，产流量很少；下段有多级台地和河漫滩，降水稀少，蒸发渗漏大，为径流散失区。本水库位于下游区上下段交界处干流上，下游20 km处有二台水文站。

2 水位流量关系

2.1 需要计算水位流量关系的断面

水位流量关系确定直接影响拦河建筑物的规模、施工围堰的高度及工程造价等，拦河建筑物设计中均需计算水位流量关系，其中在缺乏水文测验资料的断面进行水位流量关系计算是工程设计的难点。在拦河建筑物的设计及施工过程中需要提供水位流量关系的位置，主要有水工建筑物拦河建筑物坝（闸）址、下游消能建筑物断面、电站尾水断面、施工围堰上下游断面、导流建筑物断面、施工交通桥断面等。

本枢纽工程的2个比选坝址，在25 km河段内计算了坝址、消力池、上下游围堰、导流洞进口、交通桥、施工营地等15个断面的水位流量关系。

2.2 水位流量关系计算

2.2.1 工程河段有水文站实测资料的水位流量关系计算

水工建筑物河段有水文站的情况下，可以利用水文站实测水位、流量资料点绘水位流量关系。根据以往经验，河道中任何断面的水位与流量关系，都不是单一曲线，而是多值对应的曲线族，特别是冲淤变化大的河段，同一场洪水过程，由于河道具有槽蓄作用，在来水流量持续增加的涨水期，会导致水位升高滞后于流量增加；在洪水过程流量逐渐减少的退水期，水位下降滞后于流量减少。一场大洪水的水位流量关系是绳套状曲线[2]。

2.2.2 工程河段无实测水文资料的水位流量关系计算

对于无系统水文观测资料的断面，分析水位流量关系的方法主要有水文相关法和水力学法。项目研究初期因测量资料有限，一般采用曼宁公式计算水位流量关系；在河道大断面资料可以控制的情况下，利用河道下游控制断面，自下而上地通过河道水面曲线计算推求工程断面水位流量关系。

本水库工程坝址处没有水位流量观测资料，所以在工程下游20 km 处的水文站，实测了工程河段地形和河道纵横断面，利用实测纵横断面资料，用水力学公式推算了本工程的坝址、上下游围堰、施工营地等多处断面水位流量关系。

项目建议书阶段仅有工程及附近2 km 范围内河道大断面测量资料，采用曼宁公式计算水位流量关系，根据河道断面的形状，一般有单一断面曼宁公式和复式断面曼宁公式。考虑到上坝址河段河谷呈“V”形，两岸为基岩，采用单一断面曼宁公式计算水位流量关系。其计算公式如下：

式中：Q为断面流量（m3/s）；A为断面过水面积（m2）；R为断面水力半径（m）；J为水力坡度；n为断面综合糙率。

上坝址河床质为细砂和卵石，糙率值选取0.033；实测坝址河段河道比降约为1.77‰。河段顺直、沿程无深坑，河道过水断面无突变，单一断面曼宁公式计算水位流量关系满足精度要求[3]。

施工营地处于河道断面相对开阔位置，一侧滩面相对较宽，滩槽水流流速差异较大，垂直分割滩槽，将河道大断面分为左滩、主槽及右滩3 个部分，分别采用曼宁公式进行不同水位下的流量计算。河床质为细砂和卵石，糙率值选取0.033；滩地有石块和少量杂草，糙率值选取0.048；实测河段河道比降约为1.00‰[4]。

在可行性研究阶段，对于过水断面变化明显河段，为了提高计算精度，可以增加测量断面，采用多断面计算河道综合比降。随着工作阶段的深入，初步设计阶段河道大断面及地形图资料不断丰富，采用推水面线的方法对可行性研究阶段计算成果进行复核，成果基本一致。坝址河段主要断面水位流量关系，如图1所示。

图1 坝址河段主要断面水位流量关系线

2.3 水位流量关系应用

设计水工建筑物规模需要计算设计洪水位和校核洪水位，确定设计洪水位和校核洪水位需要2 个方面的工作，首先是确定水工建筑物的等别和洪水标准，并计算相应标准的设计洪水，其次是计算水位流量关系，根据设计流量在水位流量关系表中查算设计洪水位和校核洪水位。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），本工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型。拦河坝、泄水建筑物、放水兼发电引水建筑物等主要建筑物为2级建筑物，过鱼建筑物虽为主要建筑物，但考虑失事后造成损失不大，确定其为3级建筑物；其他次要建筑物包括管理用房等为3级建筑物；电站厂房根据其装机容量应为4级建筑物，鉴于其在正常运行时兼有向下游放水功能，综合考虑确定水电站厂房为3级建筑物。挡水建筑物设计洪水重现期为100 a 一遇，校核洪水重现期为1 000 a 一遇。泄水建筑物消能防冲设计洪水标准取50 a 一遇。水电站厂房为3级建筑物，设计洪水标准取50 a一遇，校核洪水标准取200 a一遇。坝址河段河谷呈“U”形，两岸为高山，枯水期河水面宽35～40 m，坝型为碾压混凝土重力坝，采用河床内分期导流、左右基坑全年施工的导流方式。导流建筑物设计洪水标准采用10 a一遇。坝址河段设计洪水成果，详见表1。

表1 坝址河段设计洪水成果

对于没有调蓄工程的河道断面，采用设计和校核洪峰流量的方法在水位流量关系线上查出设计水位和校核水位；对于有调蓄能力的水工建筑物，采用设计和校核工况下的下泄洪峰流量的方法，在下游水位流量关系线上查出泄流建筑物的设计水位和校核水位。

3 应用水位流量关系的思考

3.1 采用安全可靠的水位流量关系

建筑物下游有水文站实测资料的情况下，用这些资料综合的水位流量关系曲线，在用于不同断面时，要具体分析才能作为各种设计工况的依据。对消能设计尤其是底流消能来说，此曲线水位偏高，不安全；对计算上游防洪水面线来说，此曲线水位偏低，亦可能不安全。对于水文站所在河段冲淤变化较大的，要分析原因并考虑其变化趋势。如在南水北调东线穿黄工程设计时，根据孙口水文站和黄庄水位站实测资料分析了水位流量，率定了该河段糙率，根据最新的实测地形，通过推求两断面之间水面线的方法，确定穿黄工程水位流量关系，但从小浪底蓄水运行以来下游根据河道实测断面分析的河道演变趋势显示，孙口—艾山河段呈现主槽持续冲刷、滩地持续淤积的变化趋势。因此，根据建筑物的使用年限，考虑小浪底水库上游规划有大型水库工程，在未来会发挥一定的拦沙作用，预计未来10～20 a 内，穿黄工程所处河段仍会保持主槽冲刷、滩地淤积的态势，结合工程方案隧洞输水主要计算冲刷深度和隧洞压力，低水部分考虑主槽冲刷后的影响，高水部分考虑滩地淤积后的影响，为保障工程设计安全，应按河段冲淤变化趋势预测提出各方案水位流量关系[5]。

3.2 计算水位流量关系采用的测量资料分析

某大型水利枢纽从项目建议书至初步设计阶段周期达5 a，永久建筑物和临时建筑物位于30 km 的河段上，不同设计阶段水位流量计算依据的地形测量资料是分期进行的。水文专业在计算水位流量关系时，要与需求方水工、施工、机电专业密切配合，核实不同设计阶段新老测量断面相对位置，确定最新正确的基础资料后再计算水位流量关系。

在平原河道兴建拦河建筑物，特别是在地下水开采引起地面沉降地区，不同设计阶段，使用不同年代的河道大断面资料计算的水位流量关系之间可能不一致，导致提出的建筑物设计、校核洪水位变化，这在设计中应引起重视。

3.3 不同断面水位流量关系要协调合理

本水库工程建设河段需要计算多个断面的水位流量关系，主要有永久建筑物上、下坝址及电站尾水位置，临时建筑物上下游围堰、交通桥等位置。如果是在距离较近、河道大断面形状变化较大时，可以采用曼宁公式分别计算各断面水位流量关系，有可能出现在某一流量下水位上游低于下游的倒置问题，这须保证各专业设计要求的上下游水位流量关系协调合理，且经过上下游水位合理性分析确定后再采用成果。一般可以从3 个方面检查：①根据上下游河床质构成，分析计算断面之间采用的糙率是否协调；②根据测量大断面资料绘制距离-深泓点高程线和距离-水边线高程线，初步判断该河段河床深坑、河道转弯等微地形变化对水位流量关系的影响；③选择3个代表流量绘制距离-对应流量水位线，如果上下游不协调，分析其原因，从安全考虑，进行适当处理。

4 结语

水工建筑物设计中水位流量关系是不可缺少的输入条件，直接关系到工程规模和投资、工程自身安全及效益发挥。因此，与工程设计密切配合，正确计算及合理采用水位流量关系是非常重要的。应用时应考虑上下游不同断面之间的水位流量关系要符合河流的水力学特征，依据水位流量关系位置和用途分析选取安全可靠的水位流量关系。