寧波市鄞江鎮(zhèn)區(qū)現(xiàn)狀防洪能力試驗研究

周盛侄，郭 承，劉宜峰，徐 崗，韓曉維

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.寧波市鄞州區(qū)水利局，浙江 寧波 315100）

寧波市鄞江鎮(zhèn)區(qū)現(xiàn)狀防洪能力試驗研究

周盛侄1，郭 承2，劉宜峰2，徐 崗1，韓曉維1

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.寧波市鄞州區(qū)水利局，浙江 寧波 315100）

寧波市鄞江鎮(zhèn)地處中國長江三角洲南翼，浙江省東部沿海。近年來連續(xù)遭遇強臺風(fēng)襲擊，據(jù)不完全統(tǒng)計，2007年以來造成一定影響的臺風(fēng)有30多個，平均每年3.3個。臺風(fēng)暴雨造成鄞江鎮(zhèn)經(jīng)常性受淹，鎮(zhèn)區(qū)防洪體系已經(jīng)不能滿足防洪要求。為了研究現(xiàn)狀防洪工程的防洪能力、同時為設(shè)計治理提供對策，建立鄞江鎮(zhèn)區(qū)防洪工程整體物理模型。試驗研究現(xiàn)狀各堰（閘）不同的出流狀態(tài)下的排澇能力，河道分流規(guī)律、不同河段堤防的防洪能力以及沿程流速、流態(tài)等水力特性。

鄞江鎮(zhèn)；模型試驗；防洪能力；分流比

1 問題的提出

寧波市鄞州區(qū)地處中國長三角洲南翼，浙江省東部沿海，與寧波市區(qū)東、南、西3面接壤。鄞江作為奉化江的四大支流之一，流域位于寧波市鄞州區(qū)西南面，發(fā)源于四明山白肚腸崗山麓，主源上游為大皎溪和小皎溪，匯合口處建有皎口水庫，控制集雨面積259.0 km2。皎口水庫后至它山堰段為樟溪，樟溪左納大岙溪，右納龍王溪、桓溪，它山堰以上控制集雨面積348.0 km2。它山堰下游為鄞江干流段，右納清源溪、賣柴岙溪。整個鄞江的總集雨面積430.3 km2，地勢西高東低，西部為大面積低山丘陵，東部為平原。

鄞州排洪工程由它山堰和洪水灣樞紐2大部分組成。區(qū)域內(nèi)河道2次分流，首次分流位于鄞江鎮(zhèn)西首處：南支一流經(jīng)它山堰入鄞江干流，北支一流入光溪至洪水灣樞紐再次分流，一路進南塘河，一路進鄞江干流，其中鄞江段為感潮河段。

其中：①它山堰是我國古代著名水利工程，迄今已有1 183余年的歷史。堰體寬113.6 m，實測溢流段堰寬105.4 m，堰頂順?biāo)鏖L度3.3 m，實測堰頂平均高程2.98 m。時至今日，它山堰仍然發(fā)揮著御咸、蓄淡、引水灌溉以及泄洪排澇的功能。②洪水灣樞紐包括排洪閘、三通閘（船閘、納淡閘）、洪水灣節(jié)制閘、三跨交通橋等建筑物。其中排洪閘設(shè)5孔、每孔凈寬5.0 m，總過流凈寬25.0 m，水閘設(shè)計過閘流量240.0 m3/s（P = 5%），最大過閘流量275.0 m3/s。納淡閘為1孔，凈寬6.0 m，設(shè)計閘底高程- 0.37 m，現(xiàn)狀實測閘底高程- 0.54 m，目前基本已廢棄。節(jié)制閘布置了4扇門，每扇門凈寬6.0 m，右側(cè)3扇閘門高3.0 m，左側(cè)1扇閘門高2.5 m。閘底設(shè)計高程0.73 m，現(xiàn)狀實測閘底高程0.62 m。洪水灣樞紐工程主體作用為排泄洪水，以減輕下游鄞西平原的洪澇災(zāi)害，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，同時兼具阻咸納淡、蓄水防旱和改善環(huán)境等功能。

研究區(qū)域內(nèi)涉水建筑物眾多、水流條件復(fù)雜，且現(xiàn)狀洪水灣防洪標(biāo)準(zhǔn)僅為10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)。為配合鎮(zhèn)區(qū)防洪體系的升級改造，研究現(xiàn)狀各排澇工程的排澇能力、河道行洪規(guī)模以及存在的問題等具有重要意義。

2 研究方法

2.1 模型設(shè)計

本研究采用水工正態(tài)整體物理模型，并遵循重力、阻力相似準(zhǔn)則，以保證水流運動相似、動力相似[1-2]。根據(jù)模型流量、水深、流速和阻力平方區(qū)等水力參數(shù)，并同時結(jié)合模型占地面積等綜合因素，模型比尺設(shè)為1∶50。上游河道模擬至上樟溪分汊口以上400.0 m，下游洪水灣樞紐三岔口分別模擬至節(jié)制閘以下300.0 m，鄞江下游800.0 m。模型范圍內(nèi)包括它山堰、洪水灣節(jié)制閘、洪水灣分洪閘、三通閘、涉水橋梁等建筑物及沿線河道堤防。模型全長度約40.0 m，總寬度約18.0 m。模型嚴(yán)格按設(shè)計圖紙和實際測量地形控制放樣，其中洪水灣排洪閘、節(jié)制閘、三通閘、船閘、沿程橋梁均用有機玻璃精制，河道地形采用斷面板法以水泥砂漿抹面制作。采用水泥砂漿抹面，表面糙率約為0.016，與原型糙率（經(jīng)過現(xiàn)場勘查河床的表層均含泥砂礫石，其糙率一般取0.025 ～ 0.030）換算成模型的糙率0.013 ～ 0.016比較，基本滿足糙率相似設(shè)計要求。

2.2 測點布置

在整個模擬范圍內(nèi)布置12個觀測斷面，分別設(shè)在樟溪分流口、官池橋、洪水灣分流口、節(jié)制閘、它山堰以及鄞江排洪閘交匯口上下游等（見圖1）。其中它山堰、洪水灣排洪閘以及節(jié)制閘的水位觀測點分別位于堰頂上下游150.0，270.0 m處，閘室上下游138.0，140.0 m處和閘室上下游185.0 ，150.0 m處。

圖1 模擬范圍及測點布置圖

2.3 糙率驗證

鄞江排洪工程物理模型范圍內(nèi)涉及樟溪、光溪、鄞江、南塘河4條河道。涉水建筑物包括7座交通橋梁和它山堰、節(jié)制閘、分洪閘3座水工泄水建筑物。根據(jù)以往類似工程研究經(jīng)驗，區(qū)域內(nèi)涉水建筑物較多時，建筑物對河道阻水作用明顯大于河道糙率的影響。為了達到更好的研究效果，提高模型的相似性，對模型糙率也進行了驗證。目前一般采用的方法是在模型制作完成后根據(jù)歷年實測洪水資料確定的驗證工況試放水，觀察模型的水流運動，沿程水位、分支流量、流速等水力參數(shù)是否能重現(xiàn)實際洪水情況，如有誤差是否在允許范圍之內(nèi)[3-4]。試驗范圍內(nèi)原型河道的水文站點較遠，缺乏洪痕觀測資料，故采用與數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果對比的方法，用數(shù)學(xué)模型的結(jié)果來檢驗本次試驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性?！钝唇饔蚍篮閷ｍ椧?guī)劃》中寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計院對整個奉化江流域（集水面積2 378.0 km2）建立計算模型，并通過2009年第8號臺風(fēng)“莫拉克”、2013年“菲特”臺風(fēng)的暴雨洪水進行校核計算，流域干流水位計算誤差在- 1 ～ 5 cm，計算模型均能較好的模擬“莫拉克”及“菲特”臺風(fēng)洪水情況[5]。

本研究采用“菲特”洪水工況對模型進行率定驗證。范圍內(nèi)邊界及驗證水位依據(jù)數(shù)學(xué)模型中提取水位進行控制和比對。結(jié)果表明模型上邊界水位（樟溪分流口、它山堰下游）同計算的差值約為- 7 cm。物理模型基本可以再現(xiàn)模擬區(qū)域內(nèi)洪水情況，驗證點水位與計算水位對比情況見表1。

表1 水位驗證成果表

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 現(xiàn)狀堰（閘）排澇能力

本模擬范圍內(nèi)的它山堰、洪水灣排洪閘以及節(jié)制閘在時間排澇過程中都處以敞泄?fàn)顟B(tài)，屬于堰流出流，理論上其流量計算可以采用堰流基本公式計算。然而它山堰已經(jīng)運行了1 000多年，且堰頂布置有條石非標(biāo)準(zhǔn)堰型，如采用堰流基本公式計算，其系數(shù)難以選取，無法準(zhǔn)確計算其過流能力。而洪水灣排洪閘以及節(jié)制閘也已運行多年，邊界條件都已改變，同樣也無法簡單地采用堰流公式計算。因此，本研究采用模型試驗的方法，可以精準(zhǔn)得出它山堰、洪水灣排洪閘以及節(jié)制閘在自由出流和淹沒出流狀態(tài)下排澇能力[6]。

3.1.1 自由出流

通過不同排澇流量及堰（閘）前水位流量觀測，建立了堰（閘）前水頭H0和流量的關(guān)系圖（見圖2）。其中它山堰從其剖面體形來看屬于折線型低堰，而折線型低堰其流量系數(shù)與上游相對堰高、相對堰頂厚度、堰上下游坡度有關(guān)；其設(shè)計流量系數(shù)通常為0.350 ～ 0.430，介于寬頂堰和曲線型實用堰之間。試驗研究發(fā)現(xiàn)，它山堰在堰頂水頭0.56 ～ 2.90 m時自由出流狀態(tài)下的流量系數(shù)為0.164 ～0.309，明顯小于折線堰的設(shè)計流量系數(shù)。分析其原因主要是受堰頂條石的阻水作用以及堰址位于彎道處導(dǎo)致上游來流不均等因素影響。而洪水灣排洪閘及節(jié)制閘的流量系數(shù)分別為0.316 ～ 0.365和0.283 ～ 0.313，也同樣小于其設(shè)計流量系數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，排洪閘位于河道轉(zhuǎn)彎處，缺乏調(diào)整段，進流十分不均，特別是右邊孔，過流量明顯偏?。欢?jié)制閘全開狀態(tài)下受到翻板門以及支座阻水的影響明顯。

圖2 自由出流水位—流量關(guān)系曲線圖

3.1.2 淹沒出流

在工程實際運行中它山堰和洪水灣排洪閘在排洪中易受鄞江潮位頂托的影響，較為常見排澇工況下堰（閘）基本都處于淹沒出流狀態(tài)。當(dāng)下游水位抬高到一定程度 時，泄流能力不僅與上游水位有關(guān)，還與下游水位有關(guān)。而一般認(rèn)為淹沒度H2/H0= 0.8作為自由堰流和淹沒堰流的界限，即小于0.8為自由堰流，大于0.8為淹沒堰流。本研究通過歷年洪水資料調(diào)查，分析了各個排澇堰（閘）的流量區(qū)間。分別進行了它山堰在100.0，200.0，300.0，400.0 m3/s，洪水灣排洪閘在100.0，200.0，300.0 m3/s以及節(jié)制閘在100.0，150.0 m3/s流量下的淹沒出流試驗。通過調(diào)節(jié)尾門改變下游水位得到不同淹沒度下的淹沒出流，建立了淹沒度和綜合流量系數(shù)C的關(guān)系式（見圖3）。同時根據(jù)試驗成果進行了曲線擬合，得到了一定淹沒度區(qū)間下的綜合流量系數(shù)擬合公式（見表2）。在實際工程運行過程中可以通過堰流基本公式以及表2綜合流量系數(shù)公式準(zhǔn)確推算出堰（閘）的排澇流量。

圖3 綜合流量系數(shù)C0和淹沒度H2/H0關(guān)系曲線圖

表2 綜合流量系數(shù)擬合曲線公式表

3.2 鎮(zhèn)區(qū)堤防防洪能力

鄞江鎮(zhèn)現(xiàn)狀洪水灣樞紐的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，設(shè)計整治后的防洪標(biāo)準(zhǔn)近期提高至20 a一遇，遠期達到50 a一遇。本研究主要觀測了20 a一遇及50 a一遇工況沿程水位、流態(tài)以及流速分布情況[6]。將試驗觀測的水面線與堤防頂高程進行比較，繪制了樟溪至兩分汊河道沿程水面線分布圖（見圖4、圖5）。

圖 4 樟溪—光溪—南塘河沿程水面線圖

圖 5 樟溪—鄞江沿程水面線圖

3.2.1 20 a一遇洪水

20 a一遇洪水，本試驗實測光溪水位5.25 ～ 5.00 m，鄞江水位（它山堰上游—鄞江排洪閘交匯口）5.18 ～ 4.96 m，光溪河段水位超堤防頂高程0.24 ～ 1.22 m。南塘河段水位超過現(xiàn)狀堤防頂0.18 ～ 0.82 m；它山堰上游至鄞江排洪閘交匯口段左岸沿程水位超過現(xiàn)狀堤防頂0.49 ～ 1.13 m。同時試驗還觀測了沿程流速分布情況，樟溪出口至官池橋段、它山堰上游河段多數(shù)位置堤腳流速超過2.0 m/s。

為了研究減輕內(nèi)河行洪壓力的措施，模擬了在20 a一遇工況下關(guān)閉節(jié)制閘樟溪來流全部經(jīng)它山堰和排洪閘入鄞江工況下沿程水位情況。發(fā)現(xiàn)該條件下樟溪水位抬高0.07 ～ 0.08 m，光溪沿程水位抬高0.09 ～ 0.13 m，它山堰上游水位抬高0.06 m，它山堰下游至鄞江排洪閘匯合口水位抬高0.03 ～0.06 m。

3.2.2 50 a一遇洪水

50 a一遇流量下，實測光溪水位5.64 ～ 5.20 m，鄞江水位（它山堰上游—鄞江排洪閘交匯口）5.51 ～ 5.19 m。研究表明，現(xiàn)狀堤防防洪能力遠遠不足，同時也發(fā)現(xiàn)洪水灣下游鄞江匯合口以下，堤頂高程較高，可以采取相關(guān)措施加大入鄞江的洪峰流量，從而降低如南塘河流量，減少內(nèi)河防洪壓力。

3.3 鎮(zhèn)區(qū)河道分流比

研究區(qū)域內(nèi)存在2次分流，分流比不僅影響到下游堤防的防洪，同時也關(guān)系到下一階段的綜合規(guī)劃治理，因此，厘清河道的分流規(guī)律至關(guān)重要。試驗?zāi)M了2組工況，分流試驗成果見表3。試驗發(fā)現(xiàn)在第1次分流口分流流量比較接近約為1∶1，尤其是大流量工況。其原因主要是在樟溪分流口處鄞江和光溪2次的河面寬度比較接近約為59 m，同時在分流口河道主槽位于左岸，河底高程較低，導(dǎo)致流量略小時分流受地形影響較敏感。洪水灣分流口節(jié)制閘和排洪閘敞泄時，小流量工況排洪閘分流比大，而大流量工況節(jié)制閘和排洪閘分流比較接近。由總的分流比得出鄞江分流量占70% ～ 80%，而南塘河流量占20% ～ 30%，但是隨著流量的增大鄞江分流量有所下降[6-7]。

表3 不同組次分流成果表

3.4 洪水灣排澇流態(tài)

試驗觀測量2種工況組合下的沿程流態(tài)情況。觀測發(fā)現(xiàn)2組工況下排洪閘和節(jié)制閘都處于淹沒出流狀態(tài)。洪水灣樞紐上下游流速分布見圖6。

圖6 洪水灣樞紐上下游流速分布圖（P = 5%）

分汊口前主流集中在河道中心，斷面流速分別較均勻。進入排洪閘時由于受到河道分流和河道轉(zhuǎn)彎的影響，閘前進流調(diào)整段明顯不足。使整個出閘水流左偏，試驗觀測到閘室右邊孔后消力池至海漫末端流速明顯小于其余斷面流速，導(dǎo)致出流量明顯偏小。此外，水閘下游處于鄞江口，潮汐作用明顯，閘下流速分布不均，易形成閘下淤積，進而影響水閘的排澇和消能。

4 結(jié) 語

本研究主要針對鄞江鎮(zhèn)區(qū)現(xiàn)狀防洪能力的問題，通過物理模型試驗研究了不同出流工況（自由出流和淹沒出流）下它山堰、洪水灣排洪閘和節(jié)制閘的過流能力，現(xiàn)狀河道分流規(guī)律、沿程流速分布情況以及兩岸不同段堤防的防洪能力。研究表明，它山堰過流能力較強，在保證古堰安全的前提下，加大經(jīng)它山堰入鄞江的分流比；節(jié)制閘采用的是自動翻板門可控性較差，建議改造成閘門控制的節(jié)制閘；洪水灣排洪閘位于河道轉(zhuǎn)出段進流條件較差，出閘水流流速不均，特別是右岸淤積較嚴(yán)重，可以考慮排洪閘整體下移；沿程堤防需要重新設(shè)計整治，并參考沿程水面線分布規(guī)律。

[1] 江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司.SL 155 — 2012水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，2016.

[2] 長江水利委員會長江科學(xué)院.SL 99 — 2012河工模型試驗規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，2012.

[3] 于梅艷,馬傳波,倪娜娜,等.基于物模實驗的渾河城市段河道堤防防洪能力研究[J].水利科技與經(jīng)濟，2013(2)：59 - 60.

[4] 朱紅華，羅岸，陸漢柱，等.某河道整治工程試驗研究[J]. 廣東水利水電，2015(11)：34 - 36.

[5] 王海亞，夏志東.皎口水庫至鄞江鎮(zhèn)區(qū)間河道行洪能力復(fù)核分析[J].浙江水利科技，2013(4)：29 - 31.

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（責(zé)任編輯 黃 超）

Experimental Study on Present Situation of Flood Control Capacity of YinjiangTown in Ningbo

ZHOU Sheng - zhi1，GUO Cheng2，LIU Yi - feng2，XU Gang1，HAN xiao - wei1
(1. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China；2. NingboYinzhou Water Conservancy Bureau，Ningbo 315100，Zhejiang，China)

Yinjiang town is located in the south of China′s Yangtze River Delta，an eastern coastal region ofZhejiang Province. In recent years，the town suffered from a series of strong typhoon attack.According to incomplete statistics，there have been more than 30 typhoons with a certain impact on the town since 2007，an average of 3.3 typhoons per year.Yinjiang town is often fl ooded because of typhoon rainstorms.Township fl ood control system has been unable to meet the requirements of fl ood control. In order to study the capacity of fl ood control，while providing countermeasures for design and management，an overall physical model of Yinjiang Townis established. Through the model test，the draining ability of all weirs (sluices)，river diversion rule，f l ood control capacity of different dikes and the hydraulic characteristics such asthe fl ow velocity and fl ow pattern along the riverare discussed. The research results provide a technical reference for the next phase of comprehensive planning and management.

Yinjiang town；model test；f l ood control capacity；division ratio

TV87

A

1008 - 701X(2017)05 - 0004 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.05.002

2017-02-15

浙江省水利科技計劃項目(RC1650)。

周盛侄(1989 - )，男，助理工程師，碩士，主要從事水工水力學(xué)研究工作。E - mail：zhousz0822@126.com