关于暗河入口断面水位~流量关系曲线推求方法分析

摘 要：贵州省是世界上最典型的岩溶地貌地区之一，国土面积为17.6万平方公里，岩溶出露面积占全省面积的62%。近年来，在“西部大开发”及“西电东送”的形势下，全省大小河流上设计并兴建了诸多梯级水电站。其中不乏在伏流溶洞出、入口附近修建水利水电工程的类型，本文结合水电开发需要，和在工作中遇到的困难（主要是洞内情况不明），以乌江干流上游三岔河上的六盘水市岔河电站厂房尾水水位～流量关系曲线的推求为例，采用曼宁公式和“伯努力方程式”原理推求水面线相结合的方法，对岩溶发育河段断面水位～流量关系曲线的推求方法进行分析。

关键词：岩溶水位～流量关系曲线曼宁公式伯努力方程式

中图分类号： P642.25 文献标识码： A 文章编号：

一 项目基本情况介绍

三岔河属长江流域乌江水系的主源，发源于贵州省威宁县香炉山乡银洞村的石缸洞。河流由西北向东南流经威宁二塘、水城、纳雍，至六枝的龙场转为东北向，流经普定、织金、平坝县境，在平坝县的丘哨折向北流，于清镇市、黔西县、织金县交界的化屋基与乌江主要支流六冲河汇合，流过鸭池河段后始称乌江。三岔河位于东经104°18′～106°18′，北纬26°10′～27°00′之间。干流全长325.6km，总落差1397.91m，平均比降4.29‰，流域面积7264km2。流域内水系发育，支流众多，呈羽状分布。主要的一级支流共有17条，其中左岸7条，右岸10条。

流域出露以灰岩为主，间有砂页岩及玄武岩，岩溶发育，溶蚀沟槽洼地、落水洞、漏斗、暗河随处可见，体现了岩溶地貌的早、中期发育特征，对径流在一定程度上有调节作用，尤对洪水有较大调节作用。

根据《三岔河干流（阿珠以上河段）水利水电开发规划报告》成果（已审查批复），阿珠电站以上梯级开发方案为十一级开发：赖子河+水帘洞+下扒瓦+岔河+出水洞+金狮子一级+金狮子二级+樱孜渡+平寨+湾河+阿珠。其中，岔河水电站为水利水电规划的第四级电站，地处六盘水市钟山区月照乡，岔河水电站坝址以上控制流域面积1559km2，多年平均流量24.5m3/s，正常蓄水位1595m。

岔河坝址距上游下扒瓦电站坝址（规划电站）约3.21km，距下游出水洞电站坝址(1996年建成投产)约2.55km。

岔河电站水库总库容181万m3，大坝校核洪水标准P=0.5%，设计洪水标准P=3.33%，正常蓄水位1595.0m，死水位1593.0m；正常蓄水位以下库容71.4万m3，死库容48.4万m3；厂房的设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为100年一遇。水库具有年调节性能。水电站装机容量20MW。属小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等。工程以发电为单一开发任务，开发方式为引水式。

出水洞电站装机容量为2×4000kW，总库容362万m3,正常蓄水位1552m，大坝的设计洪水标准为50年一遇（P=2%），对应的设计洪水位为1558.08m，校核洪水标准为300年一遇（P=0.33%），对应的校核洪水位为1558.98m。

岔河电站坝址下游约1200m是伏流入口（称“落水洞”），坝址至伏流入口断面区间河道中有巨石在河道中分布，拦河坝的尾水受垮塌体的阻水影响，目前垮塌体处全为巨石，以后继续被洪水冲深的可能性已不大，因此，其尾水断面布置在垮塌体卡口处。

岔河电站厂房位于三岔河右岸伏流入口处（出水洞电站库区）。

二 影响厂房尾水断面水位流量关系推求的主要因素分析

岔河电站厂房设置在伏流入口处，经过长约1000m左右的伏流后出露，伏流出洞后约150m河段接纳支流阿勒河后，约200m断面处建有出水洞电站大坝，岔河电站推求厂址处水位～流量关系曲线时需同时考虑伏流溶洞的阻水作用和出水洞电站回水顶托作用。

伏流段长1000m左右，伏流入洞口最大洞高可达200多m，最大洞宽约80m，过水面积大，阻水作用小。根据历史洪水调查，在调查期内没有发生过洪水封洞现象。1991年发生特大洪水（200年一遇）时入洞口洪痕高程为1565.79m，在出洞口附近调查到1991年发生大洪水时的洪痕1处，高程为1556.9m。

根据对岔河电站厂址处水位～流量关系的分析，低水位时与下游出水洞电站水位是衔接的，高水部分考虑到如发生设计、校核洪水情况时下游暗河内是否存在卡口断面？下游出水洞电站回水对本项目是否有影响？受卡口断面及出水洞电站的影响，是否会造成阻水回雍等情况，为此，设计单位多次组织有关专业人员实地深入现场，对洞内情况进行详尽探察。经探察发现在距暗河进口约660m处的断面远小于进洞口断面。根据测量资料，该断面水面平缓，水深不明，水面高程为1552m，说明低水时水位受下游电站回水影响很小，高水时洪水位需进一步分析研究。因此，岔河电站厂房水水位流量关系曲线推求应考虑两种情况：一是天然情况下的水位流量关系曲线计算；二是下游建库后的水位流量关系曲线计算。

三 厂址尾水水位流量关系曲线推算

1.天然情况下的水位流量关系曲线推算

天然情况下，采用曼宁公式计算厂址水位流量关系曲线，糙率根据《天然河道、滩地糙率表》，结合现场踏勘情况综合确定为0.05～0.055；比降根据历史洪水比降和测时水面比降低水比降采用实测值计算成果控制，流量采用实测值；高水比降采用伏流溶洞进出口洪水调查成果控制，流量根据水文站实测流量推算。曼宁公式：Q=（AR2/3·J1/2）/n（曼宁公式适用于均匀流或非均匀渐变流的断面）

式中：A—某水位以下过水面积（m2），根据大断面，采用梯形及岸边三角形计算水下各小块面积，累计而得；

R—水力半径，R=A/X，X为湿周（m），按勾股弦定理计算；

J—水面比降（m/m）；

n—糙率。

经分析计算，天然情况下岔河电站厂房尾水水位流量关系曲线成果见表2。

2．下游出水洞电站建成后的水位流量关系曲线推算

下游出水洞电站建成后，仍然采用曼宁公式推求水位流量关系曲线，但是，由于选用的糙率、比降存在不确定因素，水位～流量关系曲线在高水位时不能准确反应下游出水洞电站对洞内最小断面的影响。因此，高水控制采用“伯努力方程式”原理，以出水洞电站大坝断面为起始断面向上游推求水面线，求出岔河电站厂房处校核洪水位和设计洪水位，并以这两个水位以及调查的历史洪水位作为厂尾水位流量关系曲线的高水控制条件。

“伯努力方程式” Z2=Z1+{[Q/(C*A*R1/2)]2}*Δl +(1-ξ)*[v12 - v22]/(2g)

式中∶Z1、Z2—下、上断面水位(m)

Q-—断面流量(m3/s)

C-—两断面谢才系数均值[R1/6/n]

A-—两断面过水面积均值(m2)

R-—两断面水力半径均值(A/X)

Δl—两断面间距(m)

ξ—当v1v2时为收缩，取0.0

v1、v2—下、上断面流速(m/s)

考虑出水洞电站建成后对上游的影响，以出水洞电站大坝断面为起始断面推200年一遇回水水面线，根据推算结果，入洞口200年一遇洪水高程为1570.63m，出洞口200年一遇洪水高程为1560.59m，入洞口与出洞口洪水位高差10.04m。入洞口和出洞口不同情况下的水位比较见表1。