水工模型試驗對湄潭縣城分洪方案的優(yōu)化與改進(jìn)

李 卿，白 超

(遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

湄潭縣城老城區(qū)香樹灣大橋至湄江中學(xué)攔河壩一帶公路、橋梁、居民小區(qū)及相應(yīng)生活配套設(shè)施均沿湄江及兩岸依江而建，湄江老城區(qū)河段的行洪能力有限，且不宜采取河道拓寬及加高防洪墻的措施來解決縣城防洪問題。《貴州省湄潭縣縣城防洪規(guī)劃(修編)報告(2016-2030)》中針對湄潭縣城防洪存在的問題，提出了“上蓄、中分、下疏”的措施；在上蓄措施和下游疏排措施均未按規(guī)劃實施的情況下，湄江老城區(qū)河段安全行洪流量約700 m3/s，而采取上蓄措施后該河段50 a一遇洪水流量約為1 200 m3/s(區(qū)間流量)；所謂“中分”，即在湄潭縣城上游河段合適的位置修建分洪工程，從湄江干流上分走老城區(qū)河段天然河道行洪能力所余的洪水流量，使老城區(qū)河段現(xiàn)狀行洪能力滿足50 a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)而采取的工程措施。該工程實施后，近期2020年老城區(qū)河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)將達(dá)到20 a一遇，屆時在發(fā)生不超過20 a一遇的洪水時將免遭洪水侵襲，對保障老城區(qū)防洪區(qū)域內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有積極的作用；遠(yuǎn)期2030年在湄潭縣城防洪體系中“上蓄(湄江水庫加高擴(kuò)建工程)”、“下疏”等措施完成后，使湄潭縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到50年一遇。結(jié)合上蓄水庫蓄洪削峰后50年一遇洪水安全流量與縣城老城區(qū)河段行洪能力，分洪工程過洪流量需達(dá)500 m3/s，才能保證老城區(qū)河段安全行洪。該分洪工程所處位置為縣城規(guī)劃城區(qū)，土地資源寶貴，在滿足分洪渠過流能力的前提下，對分洪方案的優(yōu)化顯得尤為重要。

2 原分洪方案

分洪工程進(jìn)口位于湄潭縣城規(guī)劃城區(qū)上游的黨家灣附近，進(jìn)口處湄江干流流域面積860 km2，進(jìn)口處河床高程751.00～754.30 m，分洪工程出口位于湄潭城區(qū)的楓香灣大橋處，該斷面湄江流域面積950 km2，出口處河床高程751.30 m，主河道河長79.3 km，主河道比降2.13‰，多年平均流量14.8 m3/s。分洪渠全長2 060 m，自黨家灣接出后沿線穿過362縣道后沿362縣道左邊，途經(jīng)變電站、楊柳湖、湄水河至楓香灣大橋接入湄江。湄水河為湄江支流，于縣城萬壽宮附近匯入湄江，流域面積74.9 km2，主河道河長23.5 km，經(jīng)水文計算，其50 a一遇洪峰流量為240 m3/s，湄水河與分洪渠匯合處河床高程753.70 m。楊柳湖位于湄水河北面，湄江老城區(qū)段的東南側(cè)，湖底高程756.60～759.00 m，水域面積約70畝。

根據(jù)縣城防洪規(guī)劃提出的分洪流量和老城區(qū)能夠安全通過的流量，結(jié)合本工程的地形條件，在充分考慮既能分洪，又能兼顧楊柳湖水面景觀需求的前提下，分洪方案采用通過在分洪口下游側(cè)湄江河上修建節(jié)制閘調(diào)節(jié)分洪渠進(jìn)口水位和控制湄江下泄流量，減小分洪渠斷面，并在楊柳湖處設(shè)置控制閘。分洪時提前將湄江河節(jié)制閘開啟到最大安全下泄流量開度，分洪渠分洪閘全開，確保洪水順利通過。該方案采用不攔斷河流的布置方式，節(jié)制閘壩固定段壩長為75.0 m，壩頂寬3 m。根據(jù)壩基地質(zhì)情況，確定建基面高程為750.00 m，最大壩高12.0 m，閘壩上游側(cè)設(shè)齒槽嵌入基巖強(qiáng)風(fēng)化線以下，嵌深1.0 m。閘壩兩端為非溢流壩段，非溢流壩段長14.0 m，頂寬3.0 m。節(jié)制制閘壩中部為溢流壩段，總長61.0 m，溢流堰為折線型實用堰，堰頂高程756.00 m，溢流凈寬50.0 m，設(shè)5扇10 m×4 m的平面工作閘門，采用柱塞式液壓式啟閉機(jī)啟閉。閘墩長8.0 m，中墩厚2.0 m，邊墩厚為1.5 m，其上工作閘門下游側(cè)布置3.0 m寬工作橋連接左右非溢流壩段。為減小汛期洪水對兩岸的沖刷影響，護(hù)坦兩側(cè)均設(shè)C30砼邊墻進(jìn)行防護(hù)，邊墻頂寬1.5 m。

3 水工模型試驗

3.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

整體模型試驗設(shè)計、模型制作安裝、測試儀器和測試方法等按照《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》(SL155-2013)要求執(zhí)行，在河道和分洪渠典型斷面布置了水位測點，用于測量和控制分洪渠水位。

3.2 節(jié)制閘流量率定

根據(jù)本次對分洪工程出口處下游河段的湄江干流河段進(jìn)行勘察測量，該河段洪水位主要受分洪工程出口下游約510 m處的象山大橋控制。經(jīng)在其上游附近選取控制斷面，根據(jù)象山大橋水位流量關(guān)系反推計算，當(dāng)上游來流量為1 230 m3/s時，下游斷面控制水位為757.48 m。

試驗中分洪渠不行洪，僅由節(jié)制閘過水。下游水位控制斷面的水位為757.48 m，下游湄水河來流量為240 m3/s。通過調(diào)節(jié)上游流量大小，用水準(zhǔn)儀測定節(jié)制閘上下游斷面水深進(jìn)行節(jié)制閘流量的率定。分洪節(jié)制閘為平底閘，對于下游水位較高的平底閘，過閘水流仍可采用寬頂堰計算，也可采用過閘面積與過閘流速的乘積計算，而過閘流速應(yīng)為上、下游水位差的勢能轉(zhuǎn)化為動能所產(chǎn)生。因此有

(1)

式中：Q為洪峰流量(m2/s)；A為閘室過流斷面面積(m2)；v為流速(m/s)；B為閘寬(m)；φ為流速系數(shù)；H為堰上水頭(m)；ηH為下游水頭；

堰流公式中的H0以堰上水頭H代替，并忽略過閘水流的能量損失，得

(2)

上式即為淹沒度較大時的平底閘流量系數(shù)。平底堰在較大淹沒度時的流量系數(shù)計算結(jié)果如表1所示。

m0為根據(jù)節(jié)制閘全開過不同流量時，所率定的流量系數(shù)，計算公式如下：

(3)

表1 試驗測量節(jié)制閘的流量系數(shù)

3.3 分洪渠過流能力試驗

為了確定分洪渠自身的行洪能力，試驗中節(jié)制閘不過流，僅通過分洪渠行洪。試驗中節(jié)制閘全關(guān)，調(diào)節(jié)上游不同來流量，下游湄水河來流240 m3/s，下游控制斷面水位757.48 m進(jìn)行試驗。

表2 上游不同來流量時進(jìn)口水位

節(jié)制閘的正常蓄水位760.00 m，設(shè)計洪水位759.91 m(P=3.33%)、760.30 m(P=2.0%)；校核洪水位760.73 m(P=1.0%)，節(jié)制閘墩頂高程762.00 m。上述試驗可知(見表2)，當(dāng)上游來流量為312 m3/s時，閘墩處水位為761.30 m，已經(jīng)超過校核洪水位，所以當(dāng)節(jié)制閘不過流時，分洪渠最大過流量為312 m3/s，不滿足設(shè)計過流量500 m3/s的要求。試驗中分洪渠進(jìn)口上游附近水流行進(jìn)流速很小，分洪渠上游進(jìn)口段出現(xiàn)水面較大的起伏跌落，故需對分洪渠進(jìn)口體型進(jìn)行修改。擬將分洪渠進(jìn)口右岸進(jìn)行拓寬，右岸圓弧段半徑由50 m為120 m。圖1和圖2分別為分洪渠修改前后的進(jìn)口平面圖。

圖1 分洪渠進(jìn)口平面圖 圖2 分洪渠進(jìn)口體型修改平面圖

3.4 分洪渠進(jìn)口體型修改后的過流能力

修改體型后，試驗中節(jié)制閘不過流，僅通過分洪渠行洪。試驗中節(jié)制閘全關(guān)，下游湄水河來流240 m3/s，下游控制斷面水位757.48 m，調(diào)節(jié)上游來流量進(jìn)行試驗。當(dāng)上游來流量為325 m3/s時，分洪渠道內(nèi)水位平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的水位起伏跌落，但閘墩處水位為761.45 m，超過校核洪水位，故分洪渠最大過流量為325 m3/s，不滿足設(shè)計過流量500 m3/s的要求。

3.5 節(jié)制閘全開，分洪渠過流

試驗中將節(jié)制閘全開，下游湄水河來流240 m3/s，下游控制斷面水位757.48 m，當(dāng)上游來流量控制在1 178 m3/s，閘門全開，分洪渠過流，進(jìn)行試驗。

當(dāng)上游來流為1 178 m3/s流量時，實測上游F1左、右岸水位高程分別為761.03 m、761.03 m。節(jié)制閘閘墩處左、右岸水位為761.10 m、761.09 m。通過節(jié)制閘流量率定可知流量系數(shù)m取0.35(表1)，閘孔寬10 m，堰上水頭H為5.095 m，根據(jù)流量公式：

(4)

計算的Q節(jié)制閘=891 m3/s，此時分洪渠過流Q分洪渠=Q-Q節(jié)制閘=287 m3/s，不滿足設(shè)計過流量500 m3/s的要求。

當(dāng)上游來流為1 230 m3/s流量時，實測上游F1左、右岸水位高程分別為761.45 m、761.50 m。節(jié)制閘進(jìn)口斷面左、右岸水位為761.15 m、761.05 m。通過節(jié)制閘流量率定可知流量系數(shù)m取0.35，閘孔寬10 m，堰上水頭H為5.1 m，根據(jù)流量公式：

(5)

計算的Q控制閘=892.3 m3/s，此時分洪渠過流Q分洪渠=Q-Q控制閘=338 m3/s，不滿足設(shè)計過流量500 m3/s的要求。

3.6 分洪渠底寬增加后的過流能力

分洪渠進(jìn)口體型修改后，從進(jìn)口附近河道到下游出口水面無明顯跌落，但最大過流能力為338 m3/s，小于設(shè)計要求的500 m3/s。由于下游出口附近的水位較高，分洪渠進(jìn)出口的水位落差很小，若想增大其過流能力，分洪渠挖深只能略微增大其過流能力。因此，只有加大分洪渠的寬度，才能增加其過流能力。經(jīng)過初步估算，分洪渠底部寬度由15 m增加到20 m，保持兩岸坡度和渠道頂部高程不變。當(dāng)上游來流量控制在1 230 m3/s，節(jié)制閘全開，下游湄水河流量240 m3/s，下游控制斷面水位757.48 m，測得分洪渠水面高程。分洪渠F1點斷面左、右岸的水面高程分別為760.8 m、761.0 m，節(jié)制閘進(jìn)口左、右岸的水面高程分別為760.3 m、760.4 m，此時節(jié)制閘的流量為703 m3/s，分洪渠的過流量為527 m3/s，大于500 m3/s。通過觀察分洪渠泄放527 m3/s流量時各部位水流流態(tài)。分洪渠內(nèi)水面沿程緩慢降落，渠內(nèi)有平面轉(zhuǎn)彎引起的沖擊波，但強(qiáng)度很小，涵洞內(nèi)為明流流態(tài)。

4 分洪方案優(yōu)化改進(jìn)

結(jié)合水工模型試驗研究成果，在湄江節(jié)制閘全關(guān)閉下，分洪渠最大行洪流量為312 m3/s，試驗中觀察到，分洪渠進(jìn)口上游側(cè)附近水流行進(jìn)流速很小，通過進(jìn)口體型調(diào)整，將進(jìn)口右岸拓寬，采用半徑為120 m的圓弧連接，在湄江節(jié)制閘全開下，分洪渠進(jìn)口上游來流量為1 230 m3/s時，湄江過流量為892 m3/s，大于設(shè)計控制流量730 m3/s，分洪渠過流量為338 m3/s，小于設(shè)計分洪流量500 m3/s，均不滿足設(shè)計要求。由于受分洪渠進(jìn)出口地勢的制約，通過深挖對增加分洪渠過流能力效果不明顯，因此只能通過加寬分洪渠才可滿足分洪要求，估算后經(jīng)再次試驗，將分洪渠加寬至20 m。

經(jīng)上述模型試驗的研究和分析論證，擬對分洪方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，確定分洪渠兩岸邊坡和底坡不變，將渠底寬度由15 m增加至20 m，取消湄江節(jié)制閘，在分洪渠進(jìn)口設(shè)控制閘，在楊柳湖處修建控制閘的布置方案，其中分洪渠進(jìn)口控制閘設(shè)2道10 m×5 m的平面工作閘門，閘頂高程761.50 m，楊柳湖控制閘設(shè)2道10 m×8 m的平面工作閘門，閘頂高程761.50 m，該方案既滿足了分洪要求，又兼顧了楊柳湖水面景觀的需求。

5 結(jié)語

湄潭縣城防洪分洪工程的實施對保障老城區(qū)防洪區(qū)域內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有積極的不可替代的作用，在湄潭縣城防洪體系中其他措施完成后可使湄潭縣城的防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50 a一遇。在分洪工程建設(shè)條件受到制約的情況下，基于水工模型試驗，對湄潭縣城原設(shè)計分洪方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使工程的施工工期、工程安全、工程投資等方面更為有利。