揚(yáng)州萬福大橋建設(shè)對(duì)大型閘壩泄洪影響初探

王駿秋王成李江艷（江蘇省江都水利工程管理處 揚(yáng)州 225200）

揚(yáng)州萬福大橋建設(shè)對(duì)大型閘壩泄洪影響初探

王駿秋王成李江艷
（江蘇省江都水利工程管理處 揚(yáng)州 225200）

萬福大橋建設(shè)完工后，為精確掌握過閘流量的狀況，使用走航式ADCP（聲學(xué)多普勒流量流速剖面儀）測(cè)流儀器，對(duì)萬福閘不同流態(tài)、工況的流量進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，計(jì)算出多組流量測(cè)點(diǎn)，與歷年的資料對(duì)比分析檢驗(yàn)，判斷是否沿用往年的水位流量關(guān)系推求現(xiàn)在的過閘流量。

萬福大橋 流態(tài) 對(duì)比分析 定線

1　工程狀況

萬福閘位于江蘇省揚(yáng)州市廣陵區(qū)泰安鎮(zhèn)，在鳳凰河、新河、壁虎河三河的匯合處，下游連接廖家溝，屬大型水閘，Ⅱ級(jí)建筑物，是淮河入江水道歸江控制的主要排洪水利工程。該閘共65孔，每孔凈寬6.0m，總凈寬390m，閘底高程-2.00m，設(shè)計(jì)流量8270m3/s，占淮河入江流量的65%。工程的主要作用是泄洪、引潮、補(bǔ)水等。該閘自1962年建成以來，共下泄淮河洪水8300多億m3，尤其在1972年、1991年、2003年3次排泄特大洪水的過程中發(fā)揮了巨大的工程效益，為淮河中下游地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

2012年11月，揚(yáng)州市根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃，開始打造江廣融合區(qū)，建設(shè)“七河八島”項(xiàng)目，在廣陵區(qū)新萬福路新建地標(biāo)級(jí)交通、景觀工程——萬福大橋。大橋位于萬福閘以南（下游）240m處，跨越廖家溝，橋體巨大的橋墩和入水鋼欄對(duì)萬福閘泄洪水流有阻流影響，橋上下游存在水位差，引起了測(cè)流斷面的流速分布的變化。由于水力因素和出流條件的改變，根據(jù)水工建筑物測(cè)流規(guī)范的要求，需要對(duì)萬福閘不同流態(tài)下的流量進(jìn)行測(cè)驗(yàn)和分析。

2　歷年定線過程分析

萬福閘為寬頂平底閘，出流方式有堰流和孔流兩種。堰流期間，暢流期下游水位受潮汐影響，高于堰頂，且無明顯水跌落現(xiàn)象，故判定為淹沒堰流。按照《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，平底閘淹沒堰流采用編號(hào)3公式定線（式中：Q—流量，C2—流量系數(shù)，B—閘孔總寬，hl—下游水頭，△Z—上、下游水位差），共收集2003~2014年開啟堰流期間測(cè)得的85個(gè)測(cè)點(diǎn)，以hl和C2相關(guān)，繪制出相關(guān)因數(shù)測(cè)點(diǎn)圖，圖上點(diǎn)距非常散亂，未形成明顯的點(diǎn)帶。如若使用這些測(cè)點(diǎn)來定線，會(huì)產(chǎn)生較大的任意性，且在淹沒堰流時(shí)，上下游水位差甚小，所定水位流量關(guān)系線不能拉開實(shí)測(cè)變幅，定線效果不理想。

經(jīng)過實(shí)地勘測(cè)，測(cè)流斷面設(shè)置在閘下185m，測(cè)驗(yàn)河段均勻順直，水面比降接近河槽底坡，堰流期間水流穩(wěn)定，與河道站推流條件相似。經(jīng)多次試算和分析，最終采用實(shí)測(cè)落差法定線，落差為六閘（三）與該站上游水位之差，以Zu和Qc、△Z′和Q/Qc（其中：△Z′—六閘三水位與閘上水位之差，Qc—比例流量）兩組相關(guān)，繪制出流量關(guān)系曲線，得到的冪函數(shù)方程和Q/Qc=△Z0.84效果較好，水位流量關(guān)系線通過了三種檢驗(yàn)。

萬福閘開啟孔流期間，閘下出現(xiàn)淹沒水躍，水躍前端接觸閘門，閘下水頭大于閘門開啟高度，判別為淹沒孔流。歷年淹沒孔流采用堰閘流量系數(shù)法定線，以△Z/e與M2相關(guān)，采用編號(hào)6公式來率定水位流量關(guān)系線。萬福閘孔流采用了1973年、1975年和1979年這三年期間的46個(gè)測(cè)點(diǎn)來合并定線推流，水位流量關(guān)系持續(xù)穩(wěn)定。1979年，經(jīng)江蘇省水文水資源勘測(cè)局批準(zhǔn)，萬福閘孔流實(shí)行間測(cè)，隔4年校測(cè)一次。大橋開建前在2010年對(duì)關(guān)系線進(jìn)行了校測(cè)，實(shí)測(cè)14個(gè)關(guān)系點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)分布在關(guān)系線周圍，點(diǎn)距良好，進(jìn)行學(xué)生t檢驗(yàn)，顯著性水平α取0.05，通過公式計(jì)算出|t|=1.04＜t1-a/2=2.00，可判定原水位流量關(guān)系線仍可繼續(xù)使用。

綜上所述，通過長(zhǎng)期的測(cè)驗(yàn)和分析，萬福大橋開建之前，萬福閘在堰流和孔流兩種流態(tài)下水位流量關(guān)系一直比較穩(wěn)定。

3　大橋完工后新測(cè)點(diǎn)定線分析

2015年4月，萬福大橋橋體合攏，9月開始通車。汛期開閘泄洪期間，水文站嚴(yán)格控制測(cè)驗(yàn)精度，使用瑞智牌走航式聲學(xué)多普勒流量流速剖面儀，加裝專用三體船，在不同流態(tài)、不同工況下，對(duì)過閘流量進(jìn)行多次測(cè)驗(yàn)，計(jì)算出33組有效的流量數(shù)據(jù)。

3.1淹沒堰流

共實(shí)測(cè)23組流量數(shù)據(jù)，采用實(shí)測(cè)落差法將新測(cè)點(diǎn)點(diǎn)繪在往年的水位流量關(guān)系曲線上，跟往年測(cè)點(diǎn)比較，已不屬于同一系列，趨勢(shì)走向明顯不同。萬福大橋的建設(shè)，對(duì)萬福閘淹堰出流產(chǎn)生一定的影響。往年的水位流量關(guān)系曲線已經(jīng)不適合當(dāng)前的流量推求。

《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定當(dāng)實(shí)測(cè)流量不少于10次，且測(cè)點(diǎn)均勻分布，控制實(shí)測(cè)水力因素變幅不少于80%時(shí)，可用當(dāng)年測(cè)點(diǎn)單獨(dú)率定水位流量關(guān)系曲線推求流量。對(duì)大橋完工后測(cè)得的23個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算分析，繪制出流量關(guān)系曲線（如圖1、圖2），發(fā)現(xiàn)曲線光滑平順，滿足在2015年度堰流時(shí)期高、中、低水位時(shí)的流量推求要求，即所有測(cè)點(diǎn)都均勻分布于關(guān)系線的兩側(cè)，且在相關(guān)因素變幅內(nèi)均勻分布成帶狀，并能控制相關(guān)因素全部變幅的87.6%（實(shí)測(cè)變幅1.91m，年際變幅2.18m），所有的測(cè)點(diǎn)偏離關(guān)系線的誤差均符合綜合定線的允許誤差（中上部為±8%下部為±10%），最大誤差為-7.6%。

圖1　　萬福閘Zu~Q關(guān)系曲線圖

圖2　　萬福閘△Z~Q關(guān)系曲線圖

圖3　　萬福閘水位~流量關(guān)系曲線圖

根據(jù)水文規(guī)范要求，新定的水位流量關(guān)系線需要做三種檢驗(yàn)：

（1）符號(hào)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)所定流量系數(shù)關(guān)系線兩側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)目分配的合理性。在23個(gè)測(cè)次中，有11個(gè)測(cè)點(diǎn)偏正、12個(gè)測(cè)點(diǎn)偏負(fù)，故確定k=11。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)α采用0.25時(shí)滿足μ=0＜μ1-α/2=1.15的合理判定條件，判定此關(guān)系曲線合理，成功通過了符號(hào)檢驗(yàn)（其中：k—正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)，α—顯著性水平，μ—統(tǒng)計(jì)量，μ1-α/2—臨界值）。

（2）適線檢驗(yàn)，按水力因素遞增次序，檢驗(yàn)實(shí)測(cè)點(diǎn)偏離曲線正負(fù)符號(hào)的排列情況，借以檢查定線有無明顯系統(tǒng)偏差。在適線檢驗(yàn)中，將萬福閘閘上水位按從低到高的順序排列，從第二點(diǎn)開始統(tǒng)計(jì)偏移正負(fù)符號(hào)變換，變換符號(hào)記1，否則記0，統(tǒng)計(jì)出其變換符號(hào)次數(shù)為15，變換符號(hào)次數(shù)多于不變符號(hào)次數(shù)，則免作此項(xiàng)檢驗(yàn)，適線檢驗(yàn)通過。

（3）偏離數(shù)值檢驗(yàn)，檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)偏離關(guān)系線的平均偏離值（即平均相對(duì)誤差）的合理性。在進(jìn)行偏離數(shù)值檢驗(yàn)中，利用公式分別計(jì)算出sp值、t值，當(dāng)α采用0.20時(shí)，|t|=0.63＜t1-α/2=1.33，認(rèn)為新定線合理，接受偏離數(shù)值檢驗(yàn)（其中：sp—標(biāo)準(zhǔn)差，t—統(tǒng)計(jì)量，t1-α/2—臨界值）。

穩(wěn)定的水位流量曲線，均應(yīng)計(jì)算關(guān)系點(diǎn)對(duì)關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度，根據(jù)公式計(jì)算出萬福閘淹沒堰流測(cè)點(diǎn)Se=2.4%、P=-0.3%、Xq=4.8%，精度指標(biāo)達(dá)到一類精度水文站（其中：Se—標(biāo)準(zhǔn)差，P—系統(tǒng)誤差，Xq—隨機(jī)不確定數(shù)）。

通過三種檢驗(yàn)，此次在萬福大橋建成以后，采用實(shí)測(cè)落差法率定的新流量關(guān)系曲線可以作為萬福閘淹沒堰流推流關(guān)系曲線。

3.2淹沒孔流

萬福閘開啟孔流時(shí)，水文站測(cè)得10組有效的流量數(shù)據(jù)，采用閘壩流量系數(shù)法，建立△Z/e與M2之間的關(guān)系。將新的測(cè)點(diǎn)繪制在往年的關(guān)系曲線上發(fā)現(xiàn)（如圖3，圖中△標(biāo)志為2015年測(cè)點(diǎn)），測(cè)點(diǎn)左右均勻分布在關(guān)系曲線的兩側(cè)，上線吻合度良好，無明顯系統(tǒng)偏差，△Z/e大于0.28時(shí)，流量系數(shù)M2穩(wěn)定在3.45。對(duì)新測(cè)點(diǎn)做學(xué)生t檢驗(yàn)，按照公式計(jì)算出|t|=1.03，在顯著性水平α取0.05時(shí)，|t|

3.3結(jié)論

萬福大橋的建設(shè)對(duì)萬福閘的下泄流量產(chǎn)生了一定的影響。

當(dāng)流態(tài)為淹沒堰流時(shí)，閘孔全部開啟，下泄流量較未建設(shè)大橋時(shí)偏小，往年水位流量關(guān)系曲線的結(jié)點(diǎn)和推流公式已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)前的水文測(cè)報(bào)、水利工程建設(shè)，需要重新率定新的水位流量關(guān)系曲線來推求準(zhǔn)確的流量。

當(dāng)流態(tài)為淹沒孔流時(shí)，根據(jù)本年測(cè)驗(yàn)結(jié)果分析得出，萬福大橋?qū)琢鞯挠绊懖惶黠@，可以繼續(xù)使用往年的水位流量關(guān)系線進(jìn)行推流、報(bào)訊及資料整編。

4　結(jié)語

萬福閘作為淮河入江水道的主要控制口門，為排泄淮河洪水入江、引納江水改善邵伯湖沿湖地帶農(nóng)田用水條件、控制揚(yáng)州段京杭大運(yùn)河水位改善通航、城市工業(yè)和生活用水條件發(fā)揮了巨大的作用。因此，萬福閘準(zhǔn)確可靠的引排流量數(shù)據(jù)是防洪減災(zāi)、工程管理運(yùn)用、區(qū)域水量平衡計(jì)算及水文情報(bào)供水的重要依據(jù)。

萬福大橋的完工對(duì)萬福閘的過閘流量產(chǎn)生了一定的影響，往年的水位流量關(guān)系曲線已經(jīng)不再滿足當(dāng)前的推流精度。針對(duì)萬福閘淹沒堰流和淹沒孔流兩種流態(tài)下的流量，采用先進(jìn)的測(cè)驗(yàn)儀器測(cè)定出準(zhǔn)確有效的流量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算、比較、分析和檢驗(yàn)，判定兩種流態(tài)下往年的水位流量關(guān)系曲線是否能繼續(xù)使用，率定出受大橋阻流影響下新的淹沒堰流水位流量關(guān)系曲線。新關(guān)系曲線在2015年度江都水利工程管理處全處水文資料審查中獲得審查人員的一致認(rèn)可，并順利通過省水文局在無錫舉辦的水文資料復(fù)審。

當(dāng)然，在淹沒孔流測(cè)驗(yàn)期間，受工程調(diào)度的影響，萬福閘閘門的開啟孔數(shù)和開啟高度的頻繁變動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)較少、測(cè)流期間無用的數(shù)據(jù)較多。雖然這次測(cè)點(diǎn)數(shù)量和精度滿足了水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求，但此次是萬福大橋完工后的第一次分析和率定，缺乏長(zhǎng)期的代表性和穩(wěn)定性■