船閘施工圍堰對(duì)水位影響的數(shù)值模擬

張善亮，余鴻慧

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江 桐廬 311504）

1 問(wèn)題的提出

船閘建造過(guò)程需修建圍堰，在施工期一定程度上改變了水域的水流特性，從而引起工程河段水位的變化，特別是大型綜合利用水庫(kù)的船閘改造，影響對(duì)象眾多，直接影響周邊人民的生命安全、生態(tài)環(huán)境等。因此，研究船閘施工期圍堰對(duì)水位的變化具有重要意義。

以富春江船閘擴(kuò)建改造工程施工期圍堰為例，吳啟和[1]采用三維模型研究過(guò)水圍堰近壩消能區(qū)水流特性；張善亮[2]利用二維模型分析施工圍堰附近水流特性。利用MIKE11一維水動(dòng)力模型對(duì)施工圍堰附近流場(chǎng)進(jìn)行概化，分析圍堰對(duì)富春江電站壩下水位的影響，進(jìn)而提出合理的圍堰運(yùn)行方案，可為區(qū)域防洪減災(zāi)研究提供參考。

2 工程概況

富春江船閘擴(kuò)建改造工程是復(fù)興錢塘江航運(yùn)、打通富春江船閘礙航“瓶頸”、建設(shè)“港航強(qiáng)省”的重要舉措。該工程施工期修建圍堰包括縱向圍堰和橫向圍堰?？v向圍堰上接老船閘左側(cè)，下接唐家洲洲頭，平行于河岸布置；橫向圍堰連接唐家洲中部與富春江右岸沿江道路，垂直于河岸布置。施工期圍堰為過(guò)水圍堰，洪水期水位超出圍堰堰頂高程，洪水進(jìn)入基坑，施工區(qū)域可參與行洪。施工圍堰布置見圖1。

圖1 施工圍堰布置圖

3 水動(dòng)力模型建立

采用丹麥水利研究所（DHI）研制的MIKE11水動(dòng)力模型進(jìn)行水利計(jì)算。MIKE11河流模型系統(tǒng)是模擬一維水流、泥沙和水質(zhì)的國(guó)際化工程軟件，適合于包括復(fù)雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計(jì)算， 是一個(gè)經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐驗(yàn)證的模型工具[3-5]。

3.1 水動(dòng)力模型

一維非恒定流模型為圣維南明渠非恒定流偏微分方程組：

式中：B為水面寬（m）；Z為水位（m）；Q為流量（m3/s）；q為旁側(cè)入流（m3/s）；v為斷面平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2），K為過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁磕?shù)；t為時(shí)間（s）；S為距離（m）。MIKE11利用Abbott六點(diǎn)隱式差分格式求解圣維南方程，求解時(shí)，將河道離散成水位、流量相間的計(jì)算點(diǎn)。將橋梁壅水公式中計(jì)算出的Δh轉(zhuǎn)化為圣維南公式中動(dòng)能方程組的追趕系數(shù)的改變，最后求解線性差分方程組。

3.2 研究范圍和邊界條件的確定

一維模型計(jì)算范圍為富春江壩址下游至航道疏浚末端桐廬分水江口的河道，計(jì)算范圍河道總長(zhǎng)度約11 km，計(jì)算范圍內(nèi)包括4座橋梁（杭新景高速公路富春江大橋、渡濟(jì)大橋、富春江大橋以及富春江二橋）。上邊界為富春江壩下，采用流量邊界；下邊界為桐廬分水江口，采用水位邊界。

3.3 模型概化

一維模型概化見圖2。

圖2 一維模型概化圖

一維模型采用主槽和引航道2條平行河道。中間縱向施工圍堰采用一排link channel連接，link chanel即連接渠道，就是一條短河流用于連接主槽和引航道，連接渠道不需要斷面，因此比正常的河道而言更簡(jiǎn)捷。在模擬過(guò)程中，連接渠道可以看做是一個(gè)帶有建筑物的河流或有阻力、固定長(zhǎng)度的溢流堰。高水漫過(guò)堰，低水受圍堰阻擋水流沿主槽流動(dòng)。橫向施工圍堰在引航道設(shè)置寬頂堰。

3.4 模型率定和驗(yàn)證

模型驗(yàn)證根據(jù)富春江圍堰建成后的2場(chǎng)洪水進(jìn)行洪水過(guò)程分別進(jìn)行率定和驗(yàn)證。

因計(jì)算針對(duì)上游不同下泄流量級(jí)，對(duì)應(yīng)不同水深，所以擬合一條糙率 — 水深關(guān)系線。其函數(shù)為n = a×Db，式中n為糙率，D為水深（m），a為線性常數(shù)，b為指數(shù)常數(shù)。其中a與b，根據(jù)恒定流實(shí)測(cè)水位率定分析，低水采用糙率要大于高水，故b值為負(fù)值。率定結(jié)果a = 0.060，b = -0.206，糙率n的取值范圍n＜0.048。糙率與水深曲線見圖3。

圖3 糙率與水深曲線圖

2014年6月和2014年8月是富春江船閘改造工程開工以來(lái)經(jīng)歷的2次較大洪水。2014年6月洪水過(guò)程分1 530 m3/s和9 000 m3/s流量級(jí)進(jìn)行率定，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較小，水位過(guò)程和實(shí)測(cè)基本吻合（見圖4、圖5），精度評(píng)價(jià)參數(shù)R分別達(dá)到0.967和0.979。2014年8月洪水流量為7 680 m3/s，驗(yàn)證情況見圖6，精度評(píng)價(jià)參數(shù)R達(dá)到0.993。

圖4 流量為1 530 m3/s時(shí)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖5 流量為8 970 m3/s時(shí)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖6 流量為7 680 m3/s時(shí)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

3.5 計(jì)算工況

模型計(jì)算工況根據(jù)圍堰不同高度分別進(jìn)行計(jì)算。富春江船閘擴(kuò)建工程圍堰布置，一期主圍堰為過(guò)流圍堰，過(guò)流標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇洪水。主圍堰總長(zhǎng)1 548 m，由頂沖圍堰、縱向圍堰、唐家洲、下游橫向圍堰4個(gè)部分組成，其中頂沖段堰體長(zhǎng)130 m，縱向圍堰長(zhǎng)728 m，唐家洲周體利用長(zhǎng)639 m，下游橫向圍堰長(zhǎng)121 m；二期圍堰為在主圍堰堰頂設(shè)子圍堰。頂沖圍堰一期圍堰頂高程為8.50 m，二期圍堰堰頂高程為12.50 m，縱向圍堰一期圍堰堰頂高程為9.50 m，二期圍堰頂高程為12.50 m，橫向圍堰一期圍堰堰頂高程為8.70 m，二期圍堰堰頂高程為12.50 m?？紤]子圍堰是否潰堰，計(jì)算3種不同工況（見圖7）。

圖7 各計(jì)算工況圍堰形態(tài)及高程圖

工況1：頂沖圍堰堰頂高程為8.50 m， 縱向圍堰堰頂高程為9.50 m，橫向圍堰堰頂高程為8.70 m（即橫縱向圍堰子圍堰均潰堰）；

工況2：橫縱圍堰堰頂高程均為12.50 m；

工況3：頂沖圍堰堰頂高程為8.50 m，縱向圍堰堰頂高程為9.50 m，橫向圍堰堰頂高程為12.50 m（即縱向圍堰子圍堰潰堰，橫向圍堰子圍堰未潰）。

4 成果及分析

4.1 工況1計(jì)算成果

工況1計(jì)算成果見表1。由表1可知，船閘施工期圍堰造成壩下壅高為0.26 ~ 0.29 m，與圍堰建成前相比對(duì)行洪影響不大。

表1 工況1計(jì)算成果表

4.2 工況2計(jì)算成果

工況2計(jì)算成果見表2。由表2可知，滿發(fā)流量下，由于圍堰造成的壩下水位壅高為0.29 m；對(duì)于大流量級(jí)別洪水，由于圍堰造成的壩下水位壅高值為0.57 ~ 0.60 m。

表2 工況2計(jì)算成果表

4.3 工況3計(jì)算成果

工況3計(jì)算成果見表3。由表3可知，滿發(fā)流量下，由于圍堰造成的壩下水位壅高為0.29 m；對(duì)于大流量級(jí)別洪水，由于圍堰造成的壩下水位壅高值為0.41 ~ 0.45 m。

表3 工況3計(jì)算成果表

4.4 成果分析

由表1、2、3可知，流量為3 070 m3/s流量級(jí)別下，在3種不同工況下壩下水位是一致的。主要因?yàn)樾×髁肯滤恍∮?.50 m，未能翻過(guò)主圍堰（高程為9.50 m）。所以圍堰高程的變化對(duì)其水位沒(méi)有影響。大流量級(jí)別洪水：工況1橫縱向圍堰高程均為9.50 m，所以當(dāng)水位達(dá)到9.50 m水位差達(dá)到最大，水位大于9.50 m后，洪水翻過(guò)橫縱圍堰，水位差保持為0.25 ~ 0.30 m；工況2橫縱向圍堰高程均為12.50 m，所以當(dāng)水位達(dá)到12.50 m水位差達(dá)到最大，水位大于12.50 m后，洪水翻過(guò)橫縱圍堰，水位差基本為平行線；工況3橫向圍堰12.50 m，縱向圍堰高程為9.50 m，所以當(dāng)水位達(dá)到9.50 m時(shí)水位差達(dá)到最大，其水位差介于工況1和工況2之間。主要因?yàn)樗贿_(dá)到9.50 m后翻過(guò)縱向圍堰，但未能翻過(guò)橫向圍堰，只有水位達(dá)到12.50 m后，洪水翻過(guò)橫縱圍堰。對(duì)于工況1、工況2、工況3圍堰建成后比圍堰建成前分別雍高0.26 ~ 0.29 m，0.29 ~0.60 m，0.29 ~ 0.45 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）利用MIKE11水動(dòng)力模型，對(duì)富春江船閘擴(kuò)建改造工程施工期圍堰進(jìn)行概化，研究河流施工圍堰對(duì)其防洪安全的影響，較為準(zhǔn)確地分析圍堰對(duì)水庫(kù)壩下水位的影響，確保區(qū)域防洪安全。

（2）該方法具有一定的通用性，為庫(kù)區(qū)船閘改建類似工程問(wèn)題的研究提供了一條有效的分析途徑。