子威水库泄洪方式与洪水调节分析

刘文康，李英豪

（中国水利水电建设工程咨询渤海有限公司，天津，300222）

子威水库工程位于四川省凉山彝族自治州美姑县新桥镇，是一座以农业灌溉、乡村供水为主的小（1）型综合利用水利工程，是保障当地粮食生产安全、农村供水安全、巩固脱贫攻坚成果和促进乡村振兴的重要举措。

子威水库设计灌溉面积2 133.33hm2（3.2 万亩），供水人口2.27 万人，死水位2 386m，正常蓄水位2 406m（国家1985高程标准，下同），兴利库容276.62 万m3，总库容348.65 万m3。水库工程主要由水库枢纽和补水枢纽两部分组成，水库枢纽由主坝（混凝土面板堆石坝）、导流放空隧洞、引水隧洞等组成，坝顶高程2 409m，最大坝高45m；
补水枢纽由副坝（混凝土重力坝）、放空隧洞、连通隧洞等组成，副坝从左至右依次布置左岸挡水坝段、溢流坝段、冲沙坝段和右岸挡水坝段，挡水坝段坝顶高程2 408.40m，最大坝高17.80m，总库容7.04 万m3。主坝坝址位于依泽洛沟右支沟中游，集雨面积2.35km2，副坝坝址位于依泽洛沟主沟中游，集雨面积为4.67km2。考虑到主坝集雨面积较小，所在依泽洛右支沟来水量不足时，需将依泽洛主沟中的来水引入主坝库区，在补水枢纽右坝肩和水库枢纽库区左岸布置连通隧洞，使两库能联合调度运行[1]。子威水库工程布置图见图1。

图1 子威水库工程总布置图

2.1 泄洪方式选择

泄水建筑物是水利水电枢纽工程的重要组成部分，其主要作用为泄洪、排沙、施工期导流及初期蓄水时向下游输水等。根据泄水建筑物在枢纽总体布置中的位置，可将其分为坝身泄洪和岸边泄洪两种方式。对于土坝和堆石坝等当地材料坝，坝身泄洪易造成溃坝，应利用坝肩有利地形采用岸边式泄水建筑物。对于泄洪量大，河谷狭窄、地质条件差的工程，需要采用坝身泄洪和岸边泄洪的组合方式[2]。

根据工程枢纽布置情况，拟定三个泄洪方案进行比较：

方案一：主坝左岸设置溢洪道方案，副坝设溢流坝段；

方案二：主坝右岸设置溢洪道方案，副坝设溢流坝段；

方案三：主坝不设泄洪设施，采用副坝泄洪方案（通过连通隧洞把水引至副坝溢流坝泄流）。

三个泄洪方案比选主要在地形地质条件、工程布置、施工条件、建设征地及移民安置和工程投资等方面均存在一定差异，各方案工程量及投资对比见表1。

表1 各泄洪方案主要工程量及投资比较

通过分析，方案一、方案二和方案三均不存在影响方案成立的重大工程地质问题；
从工程投资上看，方案三工程投资比方案二工程投资少841.95 万元，比方案一工程投资少934.57 万元，从经济指标看，方案三较优；
从工程布置和施工角度看，方案一相对复杂。综合工程技术、经济等方面因素，推荐方案三副坝泄洪方案（通过连通隧洞把水引至副坝溢流坝泄流）。

2.2 泄洪建筑物设计

本工程洪水通过连通隧洞和副坝溢流坝下泄。

2.2.1 溢流坝设计

副坝溢流坝段位于依泽洛沟主沟河道中部、左岸挡水坝段和冲沙坝段之间，总长19.2m，设置2 个自由溢流孔，单孔净宽8.7m，中墩及边墩均厚0.6m。溢流堰为开敞式WES 实用堰，堰顶高程2 406.0m，最大坝高15.4m。溢流坝上游坝坡在高程2 399.80m 以上为直立面，以下坡比1：0.15；
下游堰面与坡比1：0.75 的坡面相切，后接底流消能，反弧半径4.0m。

溢流坝泄流曲线按照《混凝土重力坝设计规范》SL319-2018 中开敞式溢流堰进行计算，泄流曲线见图2。

图2 溢流坝泄流曲线

2.2.2 连通隧洞设计

连通隧洞进口位于副坝址上游右岸岸坡处，距副坝坝轴线5.5m，出口位于主坝址上游左岸约600m 的支沟小山脊处。隧洞为城门洞型，断面尺寸3m×3m，不设控制闸门，洞身段长420m，设计纵坡坡比0.005，隧洞轴线基本沿东西向布置。连通隧洞的主要功能有两个：一是补水功能，将副坝所在依泽洛主沟中的来水引入主坝库区；
二是泄洪功能，汛期将主坝洪水引洪至副坝进行泄洪。根据其运用方式和特点，连通洞以补水运用时段较多，补水运行时，主坝侧水位低于2 400.70m，为无压运行；
汛期两侧水位高于2 404.30m 时，为有压洞运行，运行时最大内水压力78kPa，内压不大。综合考虑隧洞施工、运行因素，连通隧洞采用城门洞型的断面型式。

补水工况隧洞过流能力成果，隧洞无压流状态下最大过流能力为30.88m3/s，大于补水枢纽坝设计洪峰流量28.70m3/s，补水工况不制约隧洞洞径；
泄洪工况下，主坝侧水位高于副坝侧水位时，水流由主坝流向副坝，根据调洪分析，隧洞洞径影响两库特征水位，对坝顶高程的选择起决定作用。根据泄洪工况下的调洪演算成果对主坝、隧洞和副坝总投资进行综合比选，最终选择连通隧洞洞径为3.00m×3.00m。

连通隧洞泄流按照《水力计算手册》（第二版）中有压隧洞进行计算[3]，泄流曲线见图3。

图3 连通隧洞泄流曲线

3.1 计算依据

（1）主坝洪水标准为50 年一遇设计、1 000 年一遇校核。副坝洪水标准为50 年一遇设计、1 000 年一遇校核。

（2）起调水位采用溢流坝顶高程2 406m，与正常蓄水位一致。

（3）洪水过程采用相应标准下设计洪水过程线。

（4）库容曲线采用实测库区地形图量算得到的库容曲线。

3.2 计算方法及调洪原则

3.2.1 计算方法

对于单一水库和多水库的调洪验算都是根据水量平衡原理[4]，在某一时段内进入水库的水量与水库下泄水量之差，应该等于该时段内水库蓄水量的变化值。

对于主坝、副坝通过连通隧洞联合调洪，需考虑时段内两库中水量的自由流通，分两种情况：

第一种情况，当主坝水位低于副坝水位时，

第二种情况，当主坝水位高于副坝水位时，

式中，Q初为时段初天然入库水量，万m3；
Q末为时段末天然入库水量，万m3；
q 初补为时段初副坝向主坝补水水量，万m3；
q末补为时段末副坝向主坝补水水量，万m3；
△t 为时段，h；
V末为时段末水库蓄水量，万m3；
V初为时段初水库蓄水量，万m3；
q初溢流坝为时段初副坝溢流坝下泄水量，万m3；
q末溢流坝为时段末副坝溢流坝下泄水量，万m3；
q初泄为时段初主坝自连通隧洞向副坝下泄水量，万m3；
q末泄为时段末主坝自连通隧洞向副坝下泄水量，万m3。

3.2.2 调洪原则

在进行调洪验算时，主坝和副坝通过连通隧洞自动调节库水位，两库起调水位均采用正常蓄水位2 406m。当副坝库水位超过溢流坝顶高程（2 406m） 且高于主坝，依泽洛沟主沟上游来水部分由溢流坝下泄，部分通过连通隧洞进入主坝，与支沟上游来水一起存于库中，主坝库水位升高；
当副坝库水位超过溢流坝顶高程且低于主坝，依泽洛沟右支沟上游来水通过连通隧洞进入副坝，与主沟上游来水汇合后由溢流坝下泄，主坝库水位降低。两库水位升高、降低通过连通隧洞自动调节，洪水通过溢流坝自由下泄，最后两库均回落到起调水位。

3.3 调洪结果

按照上述泄洪方式和调洪方法，主坝50 年一遇设计洪水位2 406.77m，相应库容315.81 万m3，连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，相应库容325.14 万m3，连通隧洞最大下泄流量9.61m3/s；
副坝50 年一遇设计洪水位2 406.68m，相应最大库容4.48 万m3，溢流坝最大下泄流量16.25m3/s，连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，相应最大库容5.29 万m3，溢流坝最大下泄流量36.30m3/s，连通隧洞最大下泄流量13.25m3/s。

当遭遇50 年一遇设计洪水时，若不考虑连通隧洞泄洪，主坝来水全部存于库中，水库水位可达到2 407.12m，较上述调洪水位高0.35m。

（1）通过分析，将连通隧洞作为主坝泄洪通道，可有效降低主坝防洪水位，保证大坝安全。

（2）利用已布置连通隧洞，兼顾泄洪功能，可有效减少投资，提高大坝防洪能力。本文提出的通过连通隧洞泄洪的布置方式和调洪方法，可供工程设计中参考。

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