大溪治理提升工程建橋一維水動(dòng)力模擬分析

江政儒,陳家豪,潘 勇,李東風(fēng)

(1.麗水市水利局，浙江 麗水 323000；2.寧波天成水利水電設(shè)計(jì)有限公司，浙江 寧波 315100； 3.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

在河道工程治理規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，都需要對(duì)河道水流進(jìn)行非均勻流計(jì)算，以掌握河流流速和水位水面線等水動(dòng)力要素?cái)?shù)據(jù)，從而為工程設(shè)計(jì)、洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度、潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算等提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。一維河道恒定均勻流水力計(jì)算，可進(jìn)行各種涉水建筑物，如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫(kù)、塊狀阻水建筑物等河道的水面線分析計(jì)算，同時(shí)可繪制橫斷面形態(tài)圖、流量以及水位過(guò)程曲線，從而滿足工程需要。河道恒定流計(jì)算和水動(dòng)力模擬分析是河道規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，越來(lái)越受到規(guī)劃設(shè)計(jì)工程師的重視[3-4]。

為滿足工程設(shè)計(jì)的要求，麗水大溪治理提升改造工程河道設(shè)計(jì)需要通過(guò)一維恒定非均勻流進(jìn)行河道水力計(jì)算[5-6]。

1 基本概況

甌江發(fā)源于慶元、龍泉交界的洞宮山脈百山祖西北麓，流經(jīng)小梅、龍泉、緊水灘、石塘、均溪、大港頭、碧湖、麗水、青田、溫州等地，注入東海，流域面積18 100 km2，河長(zhǎng)384 km，河道比降3.4‰，總落差1 800 m。麗水大溪治理提升改造工程上游起于玉溪電站大壩，下游止于開(kāi)潭電站大壩，河段全長(zhǎng)約42 km，河寬230～800 m，河道比降0.86‰。范圍內(nèi)主要有松陰溪、宣平溪、小安溪(又稱太平港)、好溪四條較大支流匯入。另外還有十二條較小支流匯入，其中最大的桐嶺溪集水面積44.53 km2，其余支流集水面積均<30 km2。本河段沿岸分布小片平原與盆地。一是碧湖平原，集水面積138 km2，其中平原面積51 km2，山丘面積87 km2；二是麗水盆地(主城區(qū)集水面積40 km2)，其中平原面積24 km2，山丘面積16 km2。

2 模型水文邊界條件分析

2.1 暴雨洪水特性

(1)暴雨特性

麗水市地處甌江流域，麗水市主要有梅雨和臺(tái)風(fēng)雨兩種雨型。春夏季節(jié)(4月中旬—7月中旬)，太平洋副熱帶高壓逐漸加強(qiáng)，與南下的冷空氣相遇，一旦靜止鋒徘徊，即形成持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的鋒面雨，俗稱梅雨，主雨峰一般發(fā)生于5—6月份。夏秋季節(jié)(7月中旬—10月中旬)，受太平洋副熱帶高壓控制，熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁，影響到本地區(qū)時(shí)便有短歷時(shí)大暴雨發(fā)生，稱為臺(tái)風(fēng)雨；此時(shí)期若受熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)影響較少，則易造成高溫干旱。冬春時(shí)期(10月中旬—4月中旬)，受北方冷空氣影響，天氣寒冷干燥，基本少雨，為非汛期。

(2)洪水特性

甌江流域洪水的成因主要為梅雨和臺(tái)風(fēng)暴雨，因受水汽輸送的方向、路徑、地形和地勢(shì)等因素的影響，暴雨洪水有明顯的地區(qū)差異。流域西部以梅雨洪水為主，東部和南部以臺(tái)風(fēng)雨洪水為主。從上游至下游而言，則先以干流上游地區(qū)的梅雨為主逐漸向下游地區(qū)的臺(tái)風(fēng)雨為主轉(zhuǎn)變，中部地區(qū)為過(guò)渡區(qū)。

甌江干流大洪水的主要特點(diǎn)是：峰高量大、水量集中、漲落較快，洪水過(guò)程的主要時(shí)段一般集中于3 d左右。梅雨形成的洪水過(guò)程線形狀較胖，且復(fù)峰較多。臺(tái)風(fēng)雨形成的洪水過(guò)程稍瘦，單峰居多。梅雨大洪水出現(xiàn)于5—6月份較多，而臺(tái)風(fēng)雨大洪水多數(shù)發(fā)生在8—9月間。

2.2 徑流

甌江流域徑流主要由降水形成。其豐枯變化與降水量的年際、年內(nèi)變化基本同步。據(jù)均溪水文站徑流資料分析，多年平均年徑流深1 019.7 mm，最豐年1 652.8 mm(1954年)，最枯年484.0 mm(1971年)，豐、枯水年徑流之比為3.4 ∶1。徑流多年平均年內(nèi)分配呈單峰型，主要由梅雨和春雨形成。自3—7月的5個(gè)月徑流量占年總量的78.5%，其中最大月為6月份，該月份徑流占全年的22.6%。枯水期通常在10—2月之間，這5個(gè)月的徑流總量占全年的15.1%，其中12月份僅占全年的2.3%。

根據(jù)有關(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)徑流資料統(tǒng)計(jì)分析，考慮降雨修正，按水文比擬法計(jì)算，算出甌江大溪各控制斷面多年平均徑流量，成果(見(jiàn)表1)。

表1 工程區(qū)各控制斷面多年平均徑流量成果表

2.3 設(shè)計(jì)洪水

本次計(jì)算對(duì)五里亭站和靖居口站洪水系列延長(zhǎng)到了2015年，延長(zhǎng)系列后，五里亭站和靖居口站流量均值均略有減小，減少幅度約1%，其余統(tǒng)計(jì)參數(shù)一致?？紤]延長(zhǎng)系列后洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)變化不大，偏安全起見(jiàn)，本次設(shè)計(jì)仍推薦采用《甌江流域防洪規(guī)劃》(2001年)中各水文站洪水分析成果。工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果(見(jiàn)表2)。

表2 工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果表(緊水灘起調(diào)水位182m)

注：好溪洪水已考慮潛明水庫(kù)滯洪削峰影響。

3 大溪治理提升改造工程河道恒定流模型

3.1 基本理論

一維恒定流水力模型基本計(jì)算公式為：

式中：Z1、Z2—上、下游斷面深泓高程，m；

Y1、Y2—上、下游斷面最大水深，m；

he—能量損失，包括沿程損失及局部損失；

L—上、下游斷面間距，m；

C—局部阻力系數(shù)；Q—斷面流量，m3/s；

K—流量模數(shù)，m3/s；n—糙率；

A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

g—重力加速度，取9.81 m/s2。

3.2 邊界條件

麗水大溪治理提升改造工程一維恒定流水力模型上邊界為玉溪流量邊界，下邊界取用開(kāi)潭水利樞紐水位邊界。大溪自玉溪電站下游開(kāi)始在大港頭左納松陰溪，流經(jīng)碧湖平原于石牛街左納宣平溪，小白巖處左納小安溪，穿過(guò)麗水市城區(qū)至古城左納好溪，至本次水面線計(jì)算下邊界開(kāi)潭水利樞紐。

本次計(jì)算依據(jù)2014年工程區(qū)實(shí)測(cè)資料《玉溪至三溪口河道現(xiàn)狀橫斷面測(cè)量總圖》中的縱橫斷面資料(含部分橋涵要素資料)，無(wú)橋涵要素橋梁借用其他相似橋涵要素參數(shù)，斷面平均間距為555 m，水流變化及控制性的斷面進(jìn)行了加測(cè)，測(cè)量成果能控制河道變化，基本可滿足本次水面線計(jì)算工作要求。

大溪水利計(jì)算模型干流河道全長(zhǎng)42 km，共77個(gè)斷面，平均斷面間距約555 m；支流松陰溪水利計(jì)算模型河道全長(zhǎng)1.41 km，共5個(gè)斷面，平均斷面間距約352 m；支流好溪水利計(jì)算模型河道全長(zhǎng)5.42 km，共13個(gè)斷面，平均斷面間距約452 m。

由于橋墩束窄了河道的過(guò)流面積，使橋位上游水位抬高，產(chǎn)生橋前壅水現(xiàn)象，推算水面線時(shí)必須考慮橋梁壅水影響。建立水力模型時(shí)將橋梁要素輸入模型中同步生成涉水建筑物模型，運(yùn)行計(jì)算后可直接得到受橋梁壅水影響的設(shè)計(jì)洪水水面線。

3.2.1 上邊界設(shè)計(jì)洪水成果

《甌江流域綜合規(guī)劃》(2015年)中，第5章防洪減災(zāi)第20條流域防洪調(diào)度規(guī)則如下：開(kāi)潭水電站壩址斷面、青田水利樞紐工程斷面作為甌江干流洪水控制斷面。規(guī)劃控制開(kāi)潭水電站壩址斷面20年一遇流量不超過(guò)9 900 m3/s，50年一遇不超過(guò)11 900 m3/s；規(guī)劃控制五云鎮(zhèn)縉云水文站斷面50年一遇流量不超過(guò)2 000 m3/s。

根據(jù)《甌江流域綜合規(guī)劃》中防洪調(diào)度規(guī)則，本次甌江大溪段洪水采用緊水灘水庫(kù)起調(diào)水位182 m時(shí)設(shè)計(jì)洪水成果、好溪考慮潛明水庫(kù)滯洪削峰影響后洪水成果，作為本次工程設(shè)計(jì)的依據(jù)；施工期洪水以各水文控制斷面的非汛期5年一遇設(shè)計(jì)洪水作為工程施工導(dǎo)流工程設(shè)計(jì)依據(jù)。工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果(見(jiàn)表3)；工程區(qū)非汛期設(shè)計(jì)洪水成果(見(jiàn)表4)。

表3工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果表(緊水灘起調(diào)水位182m)

控制斷面集水面積/km2各頻率洪峰流量/(m3/s) 2% 5%松陰溪匯入口上游3 4357 1684 274石牛(宣平溪匯入口上游約4 km)5 5639 4007 200小安溪匯入口上游6 52510 1508 000好溪匯入口上游7 12211 0009 000開(kāi)潭壩址8 54411 9009 900松陰溪河口1 9814 9704 089好溪河口1 3403 8403 210

注：好溪洪水已考慮潛明水庫(kù)滯洪削峰影響。

表4甌江干流部分水文控制斷面非汛期設(shè)計(jì)洪水成果表

斷面集水面積/km2各頻率洪峰流量/(m3/s)5%10%20%33.3%松陰溪匯入口上游5 4161 3291 1771 013882石牛(宣平溪匯入口上游約4 km)5 4802 6422 2751 9051 615小安溪匯入口上游6 5253 2522 8052 3371 974好溪匯入口上游7 1223 6213 1182 5922 183開(kāi)潭壩址8 5444 4623 8323 1732 660

注：已考慮上游緊水灘水庫(kù)的調(diào)蓄作用。

3.2.2 下邊界起始水位確定

本次規(guī)劃河段末端為開(kāi)潭電站大壩。受開(kāi)潭水庫(kù)回水的影響，工程末端處水位流量關(guān)系已非天然河流的單一狀態(tài)，因此，干流設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的下邊界水位依據(jù)《甌江流域綜合規(guī)劃》中洪水調(diào)度原則確定。

根據(jù)《甌江流域綜合規(guī)劃》，下邊界開(kāi)潭電站大壩壩前50年一遇起推水位為50.26 m，20年一遇起推水位為49.19 m。根據(jù)《2017年麗水開(kāi)潭水利樞紐工程水庫(kù)控制運(yùn)用計(jì)劃》，入庫(kù)流量>2 000 m3/s且<4 000 m3/s時(shí)，壩前水位降至47 m，通過(guò)調(diào)整泄洪閘開(kāi)度，按來(lái)多少泄多少控制。由工程區(qū)施工期洪水計(jì)算成果表可知，工程區(qū)末端5年一遇非汛期洪水洪峰流量為3 173 m3/s，因此下邊界開(kāi)潭電站大壩壩前5年一遇施工期洪水起推水位為47.00 m。

甌江干流與支流洪水的頻率遭遇具有較大的隨機(jī)性。支流回水段水面線成果取干流、支流各自計(jì)算50年一遇干支流交匯口處設(shè)計(jì)洪水水面線外包線，作為支流水面線最終成果。

由于缺少松陰溪、好溪入大溪河口處實(shí)測(cè)洪水水力坡降資料，下邊界條件利用匯入口局部河段平均比降代替水力坡降，經(jīng)過(guò)試算判定各個(gè)控制斷面水流流態(tài)，水流為緩流的以正常水深時(shí)水位作為起始水位，非緩流時(shí)以臨界水深時(shí)水位作為起始水位，以此推算不考慮干流洪水頂托影響下的設(shè)計(jì)水面線。

3.2.3 河道斷面資料

本次計(jì)算根據(jù)2014年工程區(qū)實(shí)測(cè)資料《玉溪至三溪口河道現(xiàn)狀橫斷面測(cè)量總圖》中的縱橫斷面資料(含部分橋涵要素資料)，無(wú)橋涵要素橋梁借用其他橋涵要素參數(shù)，斷面平均間距為555 m，水流變化及控制性的斷面進(jìn)行了加測(cè)，測(cè)量成果能控制河道變化，基本可滿足本次水面線計(jì)算工作要求。水力計(jì)算模型斷面布設(shè)示意圖(見(jiàn)圖1)。

圖1 河道測(cè)量斷面位置示意圖

3.2.4 模型參數(shù)

根據(jù)工程區(qū)內(nèi)及附近已批復(fù)的《甌江治理工程麗水市大溪治理工程(市本級(jí)段)初步設(shè)計(jì)報(bào)告》(2013年)、《甌江治理工程麗水市大溪治理工程(蓮都段)初步設(shè)計(jì)報(bào)告》(2013年)等報(bào)告中的河道糙率取值，綜合糙率取值為0.030～0.035，本次選取該成果作為模型初始參數(shù)。

3.2.5 模型驗(yàn)證

為了能較好地模擬流域的洪水，使計(jì)算模型符合流域?qū)嶋H，選擇“2014年8月20日”實(shí)測(cè)洪水進(jìn)行驗(yàn)證，模型驗(yàn)證時(shí)考慮金麗溫高鐵大溪特大橋施工棧橋阻水因素影響。通過(guò)驗(yàn)證計(jì)算，檢查水文分析成果是否符合實(shí)際，河道概化是否切實(shí)反映流域特性，檢查采用的計(jì)算斷面是否具有代表性，河道糙率等計(jì)算參數(shù)是否合理。經(jīng)過(guò)模擬分析驗(yàn)證，綜合糙率取值為0.032～0.035。洪水驗(yàn)證成果(見(jiàn)表3)，從表5中可以看出，模型計(jì)算得到的水位與洪痕基本吻合，說(shuō)明所建立的大溪水利計(jì)算模型是基本合理的。

根據(jù)前述確定的糙率、起始水位、實(shí)測(cè)斷面以及計(jì)算方法，水面線由下游往上游起推，同時(shí)考慮橋梁壅水對(duì)水面線的影響。

4 跨河建筑物河流水動(dòng)力模擬分析

根據(jù)上述邊界條件對(duì)設(shè)計(jì)及施工期洪水水面線進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算成果(見(jiàn)圖2—4)。

表5 洪水驗(yàn)證計(jì)算最高水位對(duì)比表

圖2 甌江大溪段50年、20年、5年(施工分期洪水)一遇洪水位水面線圖

圖3 松陰溪河口段50年、20年一遇洪水位水面線圖

圖4 好溪河口段50年、20年一遇洪水位水面線圖

本項(xiàng)目區(qū)大溪干流治理河段上共建有10座橋梁，大溪支流好溪治理河段上共建有2座橋梁，橋梁要素特征(見(jiàn)表6)。

在設(shè)計(jì)洪水情況下橋梁將產(chǎn)生一定的壅水現(xiàn)象，本次水面線計(jì)算采用HEC-RAS軟件建立一維恒定流水力模型推算，建立水力模型時(shí)將橋梁要素輸入軟件中同步生成涉水建筑物模型，運(yùn)行計(jì)算后可直接得到受橋梁壅水影響的設(shè)計(jì)洪水水面線。

工程區(qū)橋梁過(guò)洪能力復(fù)核成果(見(jiàn)表6)。

表6 P=2%設(shè)計(jì)洪水橋梁壅水高度及橋梁凈空計(jì)算成果表

對(duì)于跨度超過(guò)規(guī)劃堤距，而且橋下凈空滿足規(guī)范要求，不影響河道行洪的橋梁予以保留，對(duì)跨度小于規(guī)劃堤距、橋下凈空達(dá)不到規(guī)范要求的跨河橋梁，如果在城市道路規(guī)劃橋梁位置的，可結(jié)合道路規(guī)劃要求及防洪要求予以改建，其余的則予以拆除。

根據(jù)以上處理原則，對(duì)比水面線結(jié)果，大溪干流及好溪支流上的12座橋梁橋底板高程均高于設(shè)計(jì)洪水位，且凈空高度>0.5 m，跨度和高度都滿足防洪要求。

5 結(jié) 論

對(duì)麗水大溪治理提升改造工程進(jìn)行了水動(dòng)力模擬分析，建立了大溪河道一維恒定非均勻流數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，利用軟件對(duì)大溪河道水面線進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)比水面線結(jié)果，大溪干流及好溪支流上的12座橋梁橋底板高程均高于設(shè)計(jì)洪水位，且凈空高度>0.5 m，跨度和高度都滿足防洪要求，為河道設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。