閘前調(diào)蓄湖體型對(duì)水閘排澇能力的影響研究

包純毅，韓曉維，胡淑靜，王 斌

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310002；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017）

0 引 言

平原河網(wǎng)地區(qū)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。平原河網(wǎng)地區(qū)地勢(shì)平坦、河網(wǎng)縱橫、水資源豐富，歷來是國(guó)家最重要的社會(huì)財(cái)富聚集區(qū)。以浙江省為例，平原河網(wǎng)區(qū)面積占全省的15%，國(guó)土面積分布著近50%的人口、70%以上的產(chǎn)業(yè)，在全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位[1]。

平原河網(wǎng)地區(qū)在防洪方面存在的共性問題就是防洪排澇減災(zāi)壓力大[2]，洪澇災(zāi)害頻繁，制約著平原地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。比如2013年受“菲特”臺(tái)風(fēng)影響，寧波市余姚城區(qū)70%以上城區(qū)被淹，全市21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道均出現(xiàn)災(zāi)情，有145個(gè)行政村（社區(qū)）被圍，受災(zāi)人口832 870人，房屋受損25 650間，轉(zhuǎn)移人口61 665人，全市直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)206.5億元。又如平陽縣水頭鎮(zhèn)，幾乎每年遭受洪澇災(zāi)害，“菲特”臺(tái)風(fēng)時(shí)平陽全縣受災(zāi)人員達(dá)63萬人，10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)全面斷電，公路中斷5條次，水利堤防損壞98處，堤防決口42處，全縣直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)19億元。提高平原河網(wǎng)口門附近閘站的排澇能力可直接改善平原河網(wǎng)區(qū)域的受災(zāi)程度。由于水閘排澇能力較泵站大，且更為經(jīng)濟(jì)靈活，因此如何提高水閘在有限排澇時(shí)間內(nèi)的排澇效果具有更大的研究?jī)r(jià)值。

平原河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，水閘排澇效果影響因素很多，包括上游來水、下游潮位（或外江、湖水位）、閘前河道規(guī)模[3-4]、建筑物布置等因素影響。其中上下游水位條件非人為控制，因受制于土地價(jià)值及政策處理等難題，閘前河道規(guī)模難以明顯增大，因此調(diào)整建筑物布置可以有效改善排澇能力。包中進(jìn)等[5]結(jié)合浙江省義烏市雙江水利樞紐工程，提出閘前設(shè)置調(diào)蓄設(shè)施具有減小閘前河道流速、減緩水力坡降的作用，可充分有效發(fā)揮水閘排澇功能。本文從閘前設(shè)置不同形式調(diào)蓄設(shè)施對(duì)排澇能力的影響進(jìn)行研究，成果可供工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用參考。

1 長(zhǎng)直河道沿程水力坡降分析

平原河道內(nèi)在恒定流條件下滿足伯努利方程（Bernoulli's Equation），見式（1）：

式中：Z2，Z1分別為上下游斷面的河床底高程，m；h2，h1分別為上下游斷面水深，m；a1，a2分別為上下游斷面的動(dòng)能修正系數(shù)；v1，v2分別為上下游斷面的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；he為2個(gè)斷面間的水頭損失，m。

在恒定漸變流中，上下2個(gè)斷面的比能滿足微分方程，見式（2）：

式中：Es為斷面能量，m；s為水流流程，m；i為斷面的底坡坡降；J為斷面的水力坡度。

對(duì)式（1）及式（2）進(jìn)行推導(dǎo)，可以得到棱柱形明渠中的恒定漸變流的水面比降變化率，見式（3）：

式中：h為斷面水深，m；C為謝才系數(shù)，m0.5/s；R為斷面的水力半徑，m；A為斷面的過水面積，m2；n河床糙率。

由于平原河網(wǎng)底坡變化極緩，因此i≈0，由式（3）和式（4）可以推導(dǎo)出，在不考慮局部水頭損失的情況下，河道沿程水面比降為：

從式（5）可以看出，河道水面的變化率與多個(gè)因素有關(guān)，包括糙率、流量、水深、斷面寬度等。

例如，當(dāng)斷面水深2 m，糙率取0.025，不同流量及河道寬度時(shí)的水面比降見圖1。

圖1 不同斷面流量水面比降變化圖（h=2 m，n=0.025）

從圖1可知，在一定的水力條件下，當(dāng)斷面寬度小于一定尺度后，水面比降突變，產(chǎn)生上游水位仍然較高，而下游水位已經(jīng)“見底”這類現(xiàn)象。同時(shí)，河道底寬的大小也和設(shè)計(jì)排澇流量有關(guān)，當(dāng)設(shè)計(jì)排澇流量較大時(shí)，所需要的河道底寬也越寬。為保證閘前水位與內(nèi)河水位差較小，同時(shí)避免閘前沖刷，應(yīng)該適當(dāng)擴(kuò)大閘前河道規(guī)模。

2 研究方法

2.1 模型介紹

采用平面二維數(shù)學(xué)模型開展研究。該數(shù)學(xué)模型采用基于三角形網(wǎng)格的有限體積模式，具有網(wǎng)格布置靈活、局部加密方便、適用性強(qiáng)、模擬水閘、泵站等泄水建筑物等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于錢塘江、甌江口以及舟山等沿海地區(qū)的圍墾和防洪排澇工程研究中，取得一定成果。

2.2 模型范圍

以典型平原水閘為例，取閘室凈寬36 m，上游河道凈寬55 m，閘底板和河道底板高程均為0.0 m，下游接外江。上游河道長(zhǎng)度約2.5 km的模型，河道模型糙率取0.02。模型范圍見圖2。

圖2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍圖

2.3 邊界條件

模型上游邊界條件為流量邊界，模擬過閘單寬流量10（m3/s）/m，折算至模型為360 m3/s。模型下邊界為外江潮位，取2.0 m，閘門不控制，確保形成自由流。計(jì)算時(shí)間4 h，確保計(jì)算穩(wěn)定。

2.4 研究方案

根據(jù)排澇機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)限制平原地區(qū)水閘排澇效率的主要因素是上游河道水動(dòng)力不足，且存在閘前河道防沖問題，針對(duì)該問題，擬對(duì)平原河道水閘閘前設(shè)置調(diào)蓄湖，并對(duì)6種閘前調(diào)蓄湖形狀方案進(jìn)行比較，提出較為合理的平面布置形式。

為了節(jié)省土地，盡量控制調(diào)蓄湖規(guī)模不超過原有河道2倍面積。閘前調(diào)蓄設(shè)施的主要布置形式包括直線方案（常規(guī)方案）、橄欖形、扁矩形、順梯形（逐漸收縮）、倒梯形（逐漸擴(kuò)大）、寬矩形等，各方案布置見圖3，參數(shù)見表1。

圖3 閘前不同形式調(diào)蓄設(shè)施示意圖

表1 不同方案參數(shù)一覽表

3 研究結(jié)果及分析

3.1 不同調(diào)蓄湖體型沿程水面線分析

為探明不同調(diào)蓄湖體型排澇條件下，沿程水位的變化情況，沿河道中心線選取典型位置進(jìn)行比較。以直線方案為基準(zhǔn)，不同方案與直線方案沿程水面線對(duì)比見表3和圖4。

圖4 各方案與直線方案的沿程水位差圖

表3 各方案沿程水面線變化對(duì)比表 單位：m

續(xù)表3

計(jì)算結(jié)果表明：

1）當(dāng)閘前設(shè)置調(diào)蓄湖泊后，相對(duì)于常規(guī)的直線方案，湖泊段水位存在明顯的抬高，流速減小，保證了閘前的過流能力，且有利于閘前河道防沖；

2）在湖泊上游段，相對(duì)于常規(guī)的直線方案，除了矩形和正方形外，其余方案均有所下降，其中橄欖型方案相對(duì)效果最好，水位最大降幅達(dá)到5 cm左右。表明在橄欖型湖泊設(shè)置后，對(duì)降低上游水位效果最好，可以更為迅速地進(jìn)行排澇。

3.2 不同調(diào)蓄湖體型排澇流態(tài)分析

不同調(diào)蓄湖泊形狀排澇過程中流態(tài)存在一定差異，各方案水流流態(tài)見圖5。從流態(tài)來看，若上游河道（或水閘）與湖泊銜接處存在突擴(kuò)（突縮），水流無法平順銜接，若湖泊對(duì)稱布置時(shí)，湖內(nèi)兩側(cè)存在較為明顯回流并擠壓中間主流，水流流態(tài)相對(duì)較差。橄欖型方案由于其上下游銜接較為平順，水流能夠自然擴(kuò)散及收縮，湖泊內(nèi)的水流分布比較均勻，流態(tài)相對(duì)較好。

圖5 各方案閘前流態(tài)示意圖

綜合不同排澇設(shè)施的沿程水面線及流態(tài)，本研究提出橄欖型方案作為快速排澇新技術(shù)中的調(diào)蓄湖設(shè)施的推薦體型。

3.3 橄欖型調(diào)蓄湖計(jì)算公式

通過系列研究，得到最佳調(diào)蓄湖設(shè)置體型的計(jì)算公式如下：

式（6）～ （9）中：q為單寬流量，（m3/s）/m；S河為同等長(zhǎng)度的河道面積，m2；S湖為調(diào)蓄湖面積（包含該段河道面積），m2；R為調(diào)蓄湖岸邊線圓弧半徑，m；L為調(diào)蓄湖所在的河道長(zhǎng)度，m，可根據(jù)實(shí)際地塊長(zhǎng)度確定，L=10B；θ為調(diào)蓄湖兩側(cè)圓弧及半徑組成夾角的一半，°；B為上游河道寬度，m；b為水閘寬度，m。調(diào)蓄湖布置時(shí)，其上游連接翼墻可設(shè)置為圓弧或直線連接，圖6中的標(biāo)識(shí)6若為直線連接時(shí)，其擴(kuò)散角不宜超過12°。

圖6 閘前橄欖型調(diào)蓄湖工程布置示意圖

4 結(jié) 語

通過對(duì)平原河網(wǎng)排澇閘的排澇機(jī)理分析，為了避免閘前河道沖刷，提高排澇能力，閘前河道規(guī)模達(dá)到一定規(guī)?；蛘咴O(shè)置調(diào)蓄湖，由于平原地區(qū)土地資源價(jià)值較高，設(shè)置調(diào)蓄湖較擴(kuò)大河道規(guī)模更具有操作價(jià)值。本文分析對(duì)比了6種調(diào)蓄湖的體型對(duì)排澇能力的影響，推薦橄欖型調(diào)蓄湖設(shè)置，可以有效避免閘前河道沖刷、提高排澇能力，橄欖型調(diào)蓄湖設(shè)置計(jì)算成果可供規(guī)劃設(shè)計(jì)參考應(yīng)用。