九洲江出?？诙嗡婢€計(jì)算

崔 玨，張 穎

（廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610）

設(shè)計(jì)水面線推求是堤防工程建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是水文規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。近年水面線計(jì)算應(yīng)用研究主要在山區(qū)河道[1]、城區(qū)河道[2]以及渠道[3]，而對(duì)分叉型河道則較少。本文以九洲江出?？诙螢槔?，采用不同的計(jì)算軟件對(duì)分叉型河道水面線進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行成果分析。

1 工程概況

九洲江發(fā)源于廣西陸川縣，在廣東省廉江市的東北部流入，由北向南，流經(jīng)廣西陸川到廉江市石角鎮(zhèn)入境，再流經(jīng)河唇、吉水、石嶺、新民、橫山、安鋪、營(yíng)仔等7個(gè)鎮(zhèn)，流域面積為3 337 km2，干流河長(zhǎng)為162 km，河床平均比降0.47‰。九洲江干流在橫山鎮(zhèn)附近一分為二出海，其中一條為營(yíng)仔河向西流經(jīng)營(yíng)仔匯入北部灣英羅港，河長(zhǎng)15.49 km（從營(yíng)河鎮(zhèn)西塘灶出海口處開始向上游至營(yíng)河和安鋪河分河口處，樁號(hào)為 YZ0+000～YZ15+490），另一條安鋪河向南流經(jīng)安鋪鎮(zhèn)、黎頭沙匯入北部灣英羅港，河長(zhǎng)15.9 km（從安鋪鎮(zhèn)譚蓬村北開始向上游至營(yíng)河和安鋪河分河口處，樁號(hào)為AP0+000～AP15+900）。營(yíng)仔河、安鋪河下游出海口屬于感潮河道，現(xiàn)狀安鋪河、營(yíng)仔河上分別建有高墩水閘、營(yíng)仔河水閘兩座擋潮節(jié)制閘以及安鋪橋、營(yíng)仔橋兩座跨河橋梁，九洲江廉江段流域水系詳見圖1。

圖1 九洲江廉江段水系圖

2 防洪潮標(biāo)準(zhǔn)

九洲江廉江段工程保護(hù)區(qū)主要由江州圍、博欖圍、六東圍及龍西圍等四宗連續(xù)的大圍組成，保護(hù)面積820 km2，保護(hù)人口27萬(wàn)人，保護(hù)農(nóng)田26.5萬(wàn)畝。其中江州圍堤防為營(yíng)仔河南邊堤與安鋪河北邊堤所包圍的范圍，主要防護(hù)區(qū)的人口約4.1萬(wàn)人，農(nóng)田面積為5.4萬(wàn)畝；博欖圍為營(yíng)仔河北邊堤、九洲江北邊堤及沙鏟河西邊堤所形成的堤圍，防護(hù)區(qū)的保護(hù)人口約4.8萬(wàn)人，農(nóng)田面積為4.4萬(wàn)畝；六東圍主要為防護(hù)區(qū)的人口約9.6萬(wàn)人，農(nóng)田面積為7.7萬(wàn)畝；龍西圍防護(hù)區(qū)的人口約8.5萬(wàn)人，農(nóng)田面積為9.0萬(wàn)畝。根據(jù)GB 50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》、SL 252-2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》以及《廣東省廉江市江河流域綜合規(guī)劃報(bào)告》（1999年12月）規(guī)定，九洲江干流下游（即安鋪河與營(yíng)仔河）的設(shè)計(jì)防洪潮標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

3 水面線計(jì)算軟件與計(jì)算方法

3.1 水面線計(jì)算軟件

（1）HydroLab軟件

HydroLab軟件是廣東省水利廳建設(shè)管理中心、廣州沃亞軟件有限公司聯(lián)合開發(fā)的水文水利設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，是廣東省水文工作計(jì)算的重要工程。HydroLab軟件的原理是明渠恒定均勻流，基于伯努利能量方程來(lái)推算，比較適合天然河道，可以根據(jù)河道斷面的情況和流量，推求河道的水面線。還支持對(duì)包含復(fù)式斷面、河道擴(kuò)大縮小，橋墩雍水、急轉(zhuǎn)彎等特殊斷面的河道水面線計(jì)算[4]。

（2）HEC-RAS軟件

HEC-RAS是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計(jì)算軟件，其可以進(jìn)行河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定留一維水力計(jì)算。軟件可以對(duì)恒定流和非恒定流河道進(jìn)行模擬，也可以對(duì)橋梁、水閘等特殊斷面進(jìn)行模擬。

3.2 水面線計(jì)算方法

設(shè)計(jì)河道水面線采用一維恒定非均勻流公式計(jì)算，計(jì)算公式如下

式中：Z1、Z2—分別為下游斷面和上游斷面的水位，m；

hf—為上下游斷面之間的沿程水頭損失，m；

hj—為上下游斷面之間的局部水頭損失，m。

設(shè)計(jì)河道水面線計(jì)算按上式子由下游向上游逐段推求。

當(dāng)采用HydroLab軟件計(jì)算遇到閘壩時(shí)，閘壩過(guò)流能力均采用SL 265-2017《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中堰流計(jì)算公式：

式中：Q—設(shè)計(jì)流量，m3/s；

m—流量系數(shù)；

ε—側(cè)收縮系數(shù)；

σ—淹沒(méi)系數(shù)；

B—過(guò)水總凈寬，m；

H—堰上總水頭，m。

翻板閘、壩綜合流量系數(shù)m取0.35；平板閘流量系數(shù)m取0.385。其他參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及水力計(jì)算手冊(cè)進(jìn)行查算。本次計(jì)算涉及的有高墩水閘、營(yíng)仔河水閘共2座；營(yíng)仔河水面線計(jì)算中涉及到的閘壩有營(yíng)仔河水閘、安鋪河水面線計(jì)算中涉及到的閘壩有高墩水閘。這2座閘壩根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料按照堰流過(guò)流公式分別進(jìn)行計(jì)算上下游水位差。

當(dāng)采用HydroLab軟件計(jì)算遇到橋梁時(shí)，橋墩壅水采用鐵科院李付軍公式，公式如下：

式中：ΔZ—壅水高度，m；

Vm—橋下平均流速，m3/s；

Vom—建橋前橋孔部分天然狀態(tài)下平均流速，m3/s；

R—考慮橋墩和橋臺(tái)影響的反映橋孔縮窄程度的系數(shù)，R=Vm/Vom；

K—考慮沖刷影響的流速（動(dòng)能）折減系數(shù)。

營(yíng)仔河水面線計(jì)算中涉及到的橋梁有營(yíng)仔橋、安鋪河水面線計(jì)算中涉及到的橋梁有安鋪橋。這2座橋梁根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料按上式分別進(jìn)行計(jì)算上下游水位差。

4 軟件計(jì)算設(shè)置與基本參數(shù)選取

4.1 軟件計(jì)算設(shè)置

HEC-RAS軟件可以對(duì)橋梁、水閘進(jìn)行模擬，計(jì)算前輸入河道實(shí)測(cè)斷面以及設(shè)置建筑物基本參數(shù)即可進(jìn)行模擬。HydroLab軟件不具有模擬建筑物的功能，當(dāng)遇到橋梁和水閘時(shí)，因先推求橋下和閘下水位，通過(guò)橋梁壅水公式和堰流公式計(jì)算得橋上和閘上水位，再采用伯努利方程向推求河道上游水面線。

4.2 基本參數(shù)選取

（1）控制斷面與設(shè)計(jì)洪水

水面線計(jì)算的控制斷面采用2013年的實(shí)測(cè)資料，斷面平均間距為500 m，安鋪河河長(zhǎng)15.9 km，共有35個(gè)斷面，其中特殊斷面包括有1個(gè)橋梁斷面（樁號(hào) AP11+500），1 個(gè)水閘斷面（樁號(hào) AP15+200），3 個(gè)彎道斷面；營(yíng)仔河河長(zhǎng)15.49 km，共有34個(gè)斷面，其中特殊斷面包括有1個(gè)橋梁斷面（樁號(hào)YZ1+200），1個(gè)水閘斷面（樁號(hào)YZ10+300），7個(gè)彎道斷面。

九洲江出?？诙卧O(shè)計(jì)洪水計(jì)算，考慮了上游大型水庫(kù)-鶴地水庫(kù)的調(diào)蓄影響，建立鶴地水庫(kù)、控制水文站以及水庫(kù)與水文站區(qū)間的洪水地區(qū)組成關(guān)系成，根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料并考慮歷史洪水的影響，按水文比擬法推求得到控制斷面的洪峰流量，計(jì)算成果如表1。

表1 九洲江出?？谠O(shè)計(jì)洪水成果表

（2）起推水位與頻率組合

九洲江出口面臨北部灣，無(wú)潮水位觀測(cè)站，附近有北海水文站，廣西北海水文站均為北部灣海域，因此九洲江出口潮位可用北海站實(shí)測(cè)潮位代替設(shè)計(jì)成果見表2。

表2 北海站設(shè)計(jì)高潮水位成果

安鋪河和營(yíng)仔河的水面線計(jì)算考慮以下兩種工況：

1）以潮水為主的水面線洪潮組合工況

采用九洲江營(yíng)仔河或安鋪河5年一遇設(shè)計(jì)洪水成果遭遇河口北海站20 年一遇高潮位。

2） 以洪水為主的水面線洪潮組合工況

采用九洲江營(yíng)仔河或安鋪河20 年一遇設(shè)計(jì)洪水成果遭遇河口北海站5年一遇高潮位。

分別計(jì)算兩種水面線組合工況，取兩工況的外包線作為設(shè)計(jì)水面線成果。

5 水面線計(jì)算成果及分析

分叉型河道水面線計(jì)算的關(guān)鍵是通過(guò)不斷的試算，率定糙率并確定分流比，由河道下游往上游推算水面線，最終計(jì)算得出兩分支在分叉口的水位相等，即完成河道水面線計(jì)算。分叉型河道的河道糙率率定與分流比確定一并進(jìn)行。

（1）糙率率定與分流比確定

九洲江干流有缸瓦窯水文站，位于安鋪河與營(yíng)仔河河道分叉口上游約3 km，根據(jù)2013年缸瓦窯水文站實(shí)測(cè)水位流量對(duì)營(yíng)仔河和安鋪河河道糙率進(jìn)行率定驗(yàn)證，兩軟件推求得出該河段糙率為0.034，與1995年7月廣東省水文總站和湛江市水文分站《九洲江缸瓦窯設(shè)計(jì)洪水分析》中率定河道糙率0.033較為接近，由于本次計(jì)算采用最新地形資料，因此以本次計(jì)算率定成果為準(zhǔn)，安鋪河與營(yíng)仔河河道綜合糙率為0.034。

九洲江出?？诟黝l率的設(shè)計(jì)流量按不同比例分配設(shè)計(jì)流量，根據(jù)營(yíng)仔河與安鋪河的水位兩河交叉口處同頻率對(duì)應(yīng)的水位相等特定條件下，充分考慮營(yíng)仔河、安鋪河的彎道損失系數(shù)，通過(guò)對(duì)營(yíng)仔河與安鋪河水面線不斷試算，從而求得九洲江在營(yíng)仔河、安鋪河各頻率的分流比。

表3 安鋪河、營(yíng)仔河各頻率分流比成果

（2）設(shè)計(jì)水面線成果

由附圖2與附圖3可知，采用HEC—RAS與HydroLab軟件的水面線計(jì)算成果在安鋪河和營(yíng)仔河平均水位差分別為-0.29 m和-0.26 m，最大水位差分別為-0.60 m和-0.54 m，最小水位差均為-0.01 m，計(jì)算成果比較接近，且水面線變化趨勢(shì)基本一致。HEC—RAS軟件計(jì)算安鋪河和營(yíng)仔河分叉口水位差為0.02 m，而HydroLab軟件計(jì)算差值為0.01 m?；緷M足分叉口的水位相等的計(jì)算條件。由于兩種計(jì)算軟件計(jì)算出兩河流的水面線成果相差不大，成果基本合理，從工程安全角度考慮，推薦使用HydroLab軟件計(jì)算的成果。

圖2 安鋪河20年一遇的設(shè)計(jì)水面線成果

圖3 營(yíng)仔河20年一遇的設(shè)計(jì)水面線成果

6 結(jié)論

（1）分叉型河道水面線計(jì)算的計(jì)算步驟和次數(shù)較一般河流復(fù)雜，需通過(guò)不斷的試算，率定河道糙率與確定設(shè)計(jì)頻率分流比，滿足分叉口水位基本相等的條件。計(jì)算時(shí)可采用多種軟件計(jì)算，綜合分析選取成果。

（2）HEC—RAS與HydroLab軟件在分叉型河道的水面線計(jì)算成果相差不大，HydroLab比HEC—RAS軟件計(jì)算成果偏高0.26～0.29 m，從工程安全角度考慮，建議使用HydroLab軟件進(jìn)行水面線計(jì)算。