黃河入東平湖分洪通道工程底寬研究

侯龍?zhí)?，譚樂彥

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250014）

東平湖是黃河下游重要的蓄滯洪區(qū)，黃河分洪入湖通道工程，擬在老湖區(qū)分洪閘與金山壩之間新辟規(guī)模為3 500 m3/s 的分洪道，以解決現(xiàn)狀分洪必淹戴廟鎮(zhèn)的問題。為科學(xué)合理地確定分洪道寬度，使其滿足黃河分洪入湖要求，又少占用耕地，本次構(gòu)建了平面二維水流數(shù)學(xué)模型，對不同底寬的分洪道流態(tài)進行模擬，得出在老湖區(qū)不同水位條件下，不影響黃河分洪入湖的理論最小寬度，為分洪道左堤線路布置提供依據(jù)。

1 基本情況

分洪通道長約7 km，南側(cè)利用現(xiàn)有二級湖堤。北側(cè)新筑堤防，在十里堡分洪閘下游頂沖位置設(shè)置反弧段，引導(dǎo)水流折向西南，與林辛閘分洪水流匯合。匯合點以下左堤與二級湖堤基本一致。在彎道較多的地方，將堤線適當平順。

林辛分洪閘和十里堡分洪閘為黃河向東平湖老湖區(qū)分洪的進湖閘，建于河湖兩用堤上，側(cè)向分洪[1]。其中：林辛分洪閘，15 孔，每孔凈寬 6 m，設(shè)計分洪流量1 500 m3/s；十里堡分洪閘，10 孔，每孔凈寬9.7 m，設(shè)計分洪流量2 000 m3/s。分洪閘設(shè)計分洪水位均為51.00 m，為滿足分洪流量要求，兩座分洪閘閘后洪水位應(yīng)不高于50.90 m。

為提高雨洪水利用率，緩解山東水資源供需矛盾，擬提高東平湖設(shè)計洪水位至46.5 m。為避免分洪道內(nèi)常年蓄水增加兩岸浸沒，同時不改變林辛、十里堡下游運行條件，在分洪道穿金山壩處設(shè)金山進洪閘。設(shè)計流量3 500 m3/s，共19 孔，單孔凈寬16.0 m。

2 模型構(gòu)建

分洪道水面寬度遠大于水深，流速沿水深方向變化不大，本次采用沿垂向平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型MIKE 21 進行模擬分析。模擬范圍以黃河右堤、二級湖堤、金山壩、規(guī)劃分洪道左堤為界，模擬區(qū)域長6.5 km，寬約1 km。

2.1 地物處理

規(guī)劃分洪道范圍內(nèi)，現(xiàn)狀有十里堡、林辛莊、孫莊、西戴廟等多個村莊。黃河入湖分洪道工程實施后，將對分洪道內(nèi)村莊進行搬遷，對阻水房屋、村臺等建筑物清除、平整。在模型中，對上述阻水建筑網(wǎng)格高程進行修正。

2.2 糙率

由于分洪道啟用幾率較小，難免有作物耕作現(xiàn)象存在，本次參考《水力計算手冊》“汛期灘地漫流”中“已熟成行莊稼”對應(yīng)的糙率，即0.025～0.045[2]，模型中選用中間值0.035。

2.3 邊界設(shè)置

以金山壩進洪閘為模型下邊界，設(shè)置為水位邊界，選取不同的東平湖特征水位進行計算。將十里堡分洪閘、林辛分洪閘設(shè)置為模型上邊界，以兩閘設(shè)計流量作為給定分洪流量。

2.4 計算方案

對老湖區(qū)不同特征水位、不同分洪道底寬進行組合，得到各計算方案。

1）選取的老湖區(qū)特征水位如下：增容后最高防洪運用水位為46.5 m?，F(xiàn)狀最高防洪運用水位為46.0 m；考慮大汶河中小洪水與黃河洪水遭遇時的湖水位為44.5 m。

2）分洪道寬度。從底寬400 m 起算，若計算的分洪閘閘下水位低于50.8 m，便認為不影響分洪閘分洪。隨后將分洪道寬度減小，再次計算，直至計算出滿足分洪要求且流速適當?shù)淖钚挾取＿x取的分洪道底寬分別為400 m、300 m、250 m、200 m、235 m。

3 計算成果及分析

3.1 老湖區(qū)增容后最高防洪運用水位

3.1.1 分洪道設(shè)計底寬250 m

1）水位。該方案情況下，分洪道最高水位出現(xiàn)在十里堡分洪閘下游頂沖回流區(qū)，為50.64 m。兩股水流匯合點上游，水面比降較緩，接近平坡。匯合點以下至金山壩分洪閘上游0.8 km 處，水面比降約為1/1800；金山閘上游0.8 km 至入湖口，比降增大為1/600。

2）流速分布。該方案分洪水流匯合點下游平均流速約2.18 m/s。最大流速出現(xiàn)在金山壩入湖閘上游附近，達3.40 m/s；十里堡分洪閘出口附近流速次之，接近2.75 m/s。分洪水流匯合點上游1 km 范圍內(nèi)，流速較低，平均為0.75 m/s。

3）分洪閘出流條件分析。十里堡分洪閘、林辛閘閘下水位分別為50.47 m、50.46 m，低于50.80 m 的安全出流水位，出流條件良好，不影響兩分洪閘運用。分洪道底寬尚有一定的束窄空間。

3.1.2 分洪道不同設(shè)計底寬計算成果匯總

老湖區(qū)水位為增容后的最高防洪運用水位46.5 m 時，不同設(shè)計底寬對應(yīng)的分洪道最高水位、平均流速、最大流速、閘下水位見表1，各設(shè)計底寬水面線成果見圖1。

從表1 可以看出，當分洪道設(shè)計底寬400 m時，分洪道最高水位48.86 m，分洪水流匯合點下游平均流速1.8 m/s，十里堡進洪閘與林辛閘閘下水位分別為48.85 m、48.66 m，低于50.80 m 的安全出流水位，不影響分洪。

表1 計算成果匯總表（老湖區(qū)水位46.5 m）

圖1 不同設(shè)計底寬水面線對比

隨著分洪道寬度縮窄，分洪道最高水位增加，平均流速增大。當分洪道設(shè)計底寬減小到235 m 時，最高水位50.83 m，下游平均流速2.20 m/s，十里堡進洪閘與林辛閘閘下水位分別為50.75 m、50.76 m，接近50.80 m 的安全出流水位，不影響兩分洪閘運用。

當分洪道底寬為230 m 時，相應(yīng)的十里堡分洪閘、林辛閘閘下水位分別為50.92 m、50.93 m，高于50.80 m 的安全出流水位，不滿足分洪要求。因此，在最不利條件下，即東平湖水位為增容后的最高防洪運用水位46.5 m 時，不影響黃河分洪入湖的分洪道最小寬度理論值為235 m，對應(yīng)的工程永久占地260 hm2。

3.2 老湖區(qū)不同起推水位計算成果匯總

老湖區(qū)不同起推水位情況下，不同分洪道設(shè)計底寬對應(yīng)的分洪道最高水位、平均流速、分洪閘閘下水位等成果見表2。

從表2 可以看出，當老湖區(qū)水位為增容后的最高防洪運用水位46.5 m（最不利情況）時，不影響黃河分洪3 500 m3/s 入老湖區(qū)的分洪道最小寬度為235 m。

若老湖區(qū)水位低于46.5 m，在235 m 的設(shè)計底寬下，老湖區(qū)不同水位時，分洪道均可滿足黃河分洪入湖要求，但分洪道的平均流速有一定區(qū)別，表現(xiàn)為老湖區(qū)水位越低，分洪道流速越大，其中，老湖區(qū)為汛限水位42.0 m 時，分洪道平均流速為2.37 m/s。

表2 計算成果匯總表

4 結(jié)論與建議

本次采用二維水流數(shù)學(xué)模型，對老湖區(qū)不同水位條件下，滿足黃河分洪3 500 m3/s 入東平湖的分洪道最小理論寬度進行了計算。通過分析，在老湖區(qū)達到增容后的最高防洪運用水位時，不影響黃河入湖分洪閘正常運用的分洪道寬度為235 m。

通過模擬結(jié)果還可以看出，分洪道底寬235 m時，不同起推水位對應(yīng)的分洪道平均流速達2.2～2.39 m/s，局部流速超過3.0 m/s。因此，在進行分洪道工程設(shè)計時，應(yīng)充分重視工程防沖問題。