羅營口水電站船閘航道清淤疏浚工程洪水影響評價

黨 建，楊云飛，林佩穎

(廣東源豐水務(wù)有限公司，廣東 河源 517000)

羅營口水電站船閘航道是東江航道的重要組成部分，東江航道是廣東省航道新格局的重要組成部分，由于長期未曾進(jìn)行清淤疏浚維護(hù)，礙航程度非常嚴(yán)重，對各水利樞紐航道，包括羅營口水電站船閘航道進(jìn)行清淤和疏浚，確保滿足通航條件及航運(yùn)規(guī)劃要求，勢在必行[1]。根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)，在河道管理范圍內(nèi)進(jìn)行非防洪項(xiàng)目建設(shè)，應(yīng)就建設(shè)項(xiàng)目對防洪可能產(chǎn)生的影響作出評價，并提出防御措施[2-3]。因此，在羅營口水電站船閘航道清淤疏浚工程開工之前，首先應(yīng)進(jìn)行洪水影響分析評價[4]。本文采用水文水利設(shè)計計算軟件(Hydrolab)、經(jīng)驗(yàn)公式、Mike21模型分別計算評價河段的水面線、沖刷以及流場，以分析羅營口水電站船閘航道清淤疏浚工程的洪水影響。

1 工程概況

1.1 羅營口水電站概況

羅營口水電站位于廣東省和平縣東水鎮(zhèn)澄村，壩址位于浰江河口下游約6km的東江干流上，是發(fā)電為主、兼顧航運(yùn)的水電站工程。壩址以上流域面積為7360km2，多年平均徑流量64.21億m3。正常蓄水位為77.744m，設(shè)計洪水位79.674m，校核洪水位81.264m[5]。羅營口水電站現(xiàn)狀船閘規(guī)模按Ⅱ級設(shè)計，船閘通航噸級為300t。電站主體建筑物由發(fā)電廠房及變電站、泄洪建筑物、通航建筑物、兩岸連接建筑物等組成。建筑物級別及洪水標(biāo)準(zhǔn)見表 1。

表1 各建筑物級別及洪水標(biāo)準(zhǔn)

1.2 清淤疏浚工程

羅營口水電站航道船閘清淤疏浚工程主要對船閘上下游引航道和連接段進(jìn)行清淤疏浚，具體內(nèi)容如下：上游引航道長約140m，清挖至高程71.744m，現(xiàn)狀施工平臺場地高程為79.044～79.544m；下游引航道長約245m，清挖至高程68.844m，現(xiàn)狀施工平臺場地高程為73.144～75.744m。

清淤工程范圍及控制斷面布設(shè)如圖1所示。清淤工程的評價范圍為羅營口電站上下游1.54km的河段，即斷面DJ0+000-DJ1+540河段。

圖1 清淤范圍及控制斷面位置示意圖

2 研究方法

本文主要對評價河段的壅水情況、沖刷與淤積情況、流場變化進(jìn)行模擬計算，從而評價清淤疏浚工程的洪水影響。

2.1 水面線計算

河道水位與河道的行洪能力直接相關(guān)，河道水面的高低關(guān)系到堤防高度的確定，正確推求河道水面線對河道兩岸防洪安全有重要意義[6-7]。由于研究河段河道較順直，無較大支流匯入?yún)R出，流量沿程基本無變化，底坡為順坡且不變，本文采用水文水利設(shè)計計算軟件(Hydrolab)中的水面線計算模塊推求水面線。該模塊將河道水流概化為明渠恒定均勻流，基于伯努利能量方程來進(jìn)行相關(guān)計算[8]，方程如下：

(1)

式中，Z1、Z2—上下游河底高程，m；H1、H2—上下游河道水位，m；v1、v2—上下游斷面的平均流速，m/s；α1、α2—上下游的流量系數(shù)；△h—上下游斷面之間的水頭損失，m。

本次評價采用1985國家高程系統(tǒng)，對東江干流河道的橫斷面進(jìn)行了實(shí)地測量。實(shí)測長度為6km，并對羅營口水電站上下游共1540m進(jìn)行了加密測量。為了較好反映河道走勢及斷面變化，本次模擬根據(jù)東江河流特性，共布設(shè)模擬斷面9個，各斷面位置及樁號如圖1所示。

對壩址上游、下游評價河段分別推求水面線。壩址下游評價河段(DJ0+000-DJ0+940)的起推斷面為DJ0+000，該斷面處的水位為下游評價河段的起推水位；壩址上游河段(DJ1+020-DJ1+540)的起推斷面為羅營口電站壩址(DJ1+020)，羅營口電站壩址處的水位為上游評價河段的起推水位。綜合各種實(shí)際條件，上游評價河段的綜合糙率為0.04；下游評價河段的綜合糙率為0.038。確定流量及起推水位后，可計算各斷面的水位。

2.2 沖刷與淤積計算

清淤疏浚增加了河床過水?dāng)嗝妫鸷降栏浇魉僮兓?，河水挾沙能力也相?yīng)發(fā)生改變，破壞原有的輸沙平衡[9]，對河槽的沖刷也發(fā)生了變化。航道清淤疏浚工程的沖刷主要體現(xiàn)為一般沖刷；依據(jù)地質(zhì)勘察報告，評價河床為黏性土，根據(jù)JTG C30—2015《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》，黏性土河床沖刷按下式計算：

(2)

式中，Qt—工程處斷面河槽部分通過的設(shè)計流量，m3/s；hmt—工程處斷面河槽最大水深，m；htq—工程處斷面河槽平均水深，m；Bt—工程處斷面河槽部分橋孔過水凈長，m；IL—沖刷范圍內(nèi)黏性土樣的液性指數(shù)，取值范圍為0.16～1.19，根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，本文取0.16。

2.3 流場計算

本文基于Mike21構(gòu)建二維水流模型，分析工程河段的流速變化情況。Mike21是丹麥水力研究所(簡稱DHI)開發(fā)的系列水動力學(xué)軟件之一，模型基于淺水方程，用ADI法求解[5]。

(1)模型構(gòu)建

對羅營口水電站壩址上游評價河段、下游評價河段按照工程是否進(jìn)行分別建立四個二維模型，其中，工程前及工程后的壩址上游模型模擬范圍一致，模擬范圍上至斷面DJ1+540，下至斷面DJ1+020，分別剖分網(wǎng)格7130、7235個；工程前及工程后壩址下游模型模擬范圍一致，模擬范圍上至斷面DJ0+940，下至斷面DJ0+000，分別剖分網(wǎng)格31694、16560個。將外業(yè)工作獲取的實(shí)測高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mike21中進(jìn)行網(wǎng)格插值。四個模型的模擬范圍及高程如圖2所示。根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，壩址上游模型的糙率n為0.04，壩址下游模型的糙率n為0.038。

圖2 二維模型模擬范圍及地表高程

(2)邊界條件

二維模型的上游計算邊界為流量，下游計算邊界為水位。壩址上游模型、下游模型的流量邊界分別為DJ1+540斷面、DJ0+940斷面不同頻率下的設(shè)計洪水，DJ0+940斷面為羅營口電站壩址，DJ1+540斷面與DJ0+940斷面相距600m，因此壩址上游模型、下游模型的流量邊界均為羅營口電站壩址處不同頻率下的設(shè)計洪水。壩址上游模型、下游模型的水位邊界分別為DJ1+020斷面、DJ0+000斷面處不同頻率設(shè)計洪水對應(yīng)的水位。

3 結(jié)果分析

3.1 壅水分析

壅水分析主要是指壅水高度及長度，需確定流量及起推水位以求各斷面的水位。根據(jù)羅營口水電站工程主要建筑物、次要建筑物、船閘規(guī)模的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[3]，本文分別計算遭遇10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇洪水時的河道水位情況；根據(jù)曼寧公式法[4]可計算得到下游河段起推斷面(DJ0+000)處10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇洪水對應(yīng)的水位；根據(jù)羅營口水電站的水位流量關(guān)系可知下游河段起推斷面(羅營口電站壩址斷面DJ1+020)處10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇洪水對應(yīng)的水位，各頻率下設(shè)計洪水及上下游評價河段起推水位見表 2。

表2 各頻率下設(shè)計洪水及上、下游河段起推水位

動能修正系數(shù)α取1，根據(jù)Hydrolab的計算結(jié)果可得各頻率下各斷面的水位，見表 3。各斷面清淤前后水位變化(清淤后水位減清淤前水位)如圖3所示。

表3 各頻率各斷面水位 單位：m

圖3 各斷面清淤前后水位變化

由圖3可知，在遭遇50年、30年、20年、10年一遇洪水時，上游評價河段的清淤典型斷面水位降低了0～0.03m，下游評價河段的清淤典型斷面水位降低了0～0.06m；項(xiàng)目清淤后，河道過水面積增加，清淤疏浚范圍內(nèi)水位整體降低。

3.2 沖刷與淤積分析

選DJ0+710、DJ1+100分別作為上游評價河段、下游評價河段的典型斷面，以分析工程前后沖刷及變化情況。計算成果見表 4，沖刷為負(fù)值代表該河道斷面表現(xiàn)為淤積。

表4 各頻率下工程前后沖刷變化表 單位：m

可表 4可知，在遭遇10年、20年一遇的洪水時，DJ0+710、DJ1+100處清淤前后均表現(xiàn)為淤積，清淤前淤積深度為0.37～0.89m，清淤后淤積深度為1.05～1.35m；在遭遇30年一遇的洪水時，DJ0+710、DJ1+100處清淤前表現(xiàn)為沖刷，沖刷深度為0.09～0.11m，清淤后表現(xiàn)為淤積，淤積深度為0.58～0.064m；在遭遇50年一遇的洪水時，DJ0+710、DJ1+100處清淤前后均表現(xiàn)為沖刷，清淤前沖刷深度為0.71～0.95m，清淤后沖刷深度為0.12～0.48m?？芍逵俸笤谠庥?0年一遇的洪水時河槽受到的沖刷減小，在遭遇30年、20年、10年一遇洪水時河槽的淤積增大。

3.3 河勢影響分析

由于二維計算結(jié)果數(shù)據(jù)龐大，為了便于分析，在清淤疏浚工程各個斷面均設(shè)置采樣點(diǎn)。各個模型的流量、水位邊界見表 2，則根據(jù)Mike21的模擬結(jié)果，可得到各頻率下各個斷面清淤前后的流速，見表 5，清淤前后各洪水頻率下流速變化(清淤后流速減清淤前流速)如圖4所示。

表5 各頻率評價河段各斷面流速 單位：(m/s)

由圖4可知，在遭遇50年、30年、20年、10年一遇洪水時，上游評價河段的清淤典型斷面流速降低了0～0.24m/s，下游評價河段的清淤典型斷面水速降低了0～0.31m/s；項(xiàng)目清淤后，評價河段的各斷面流速較清淤前流速減小，但減小的幅度非常小。

圖4 各頻率評價河段各斷面流速變化

4 結(jié)論

(1)各洪水頻率條件下，清淤典型斷面水位降低了0～0.06m，航道疏竣工程能增加河道過水面積，降低河道洪水位，對河道行洪起著積極的作用。

(2)在遭遇低頻率洪水時，典型斷面均表現(xiàn)為淤積且清淤工程會使淤積增大；在遭遇高頻率洪水時，典型斷面均表現(xiàn)為沖刷且清淤工程可使河槽受到的沖刷減?。豢傮w上清淤工程的實(shí)施對河床沖刷與淤積影響不大。

(3)各洪水頻率條件下，流速變化范圍為0～0.31m/s，清淤疏浚工程主要導(dǎo)致清淤范圍內(nèi)局部水域的流場發(fā)生變化。工程對評價范圍內(nèi)河段的水流流態(tài)、整體河勢影響較小。