堰閘布置方案對(duì)天然分汊河道水流特性的影響

劉韶華

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

隨著人類(lèi)生產(chǎn)、生活水平的提高，自然狀態(tài)下各河流分支的流量往往不能滿(mǎn)足人類(lèi)的需求，河道分流建筑在保障下游河道兩岸防洪安全以及控制洪水期支流流量方面發(fā)揮的效果愈發(fā)顯著[1]。但近年來(lái)河道分流建筑的弊病也逐漸增多，分流堰的分流效果優(yōu)劣不一以及支汊河道逐年淤積萎縮等問(wèn)題嚴(yán)重阻礙水利工程的安全運(yùn)行，修建合適的分流堰能夠有效解決困擾河道兩岸人類(lèi)與環(huán)境協(xié)同發(fā)展的難題[2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)天然分汊河道水流特性做了大量研究，文經(jīng)緯[3]等人對(duì)不同的河道類(lèi)型進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了不同河型的形成是地質(zhì)情況、邊界條件以及河道比降等共同作用的結(jié)果；徐芳[4]等人利用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)分汊河道的地質(zhì)構(gòu)造以及局部耐沖節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得到了造成分汊型河流的主要因素；楊玲霞[5]等將水流流態(tài)劃分為穩(wěn)速區(qū)、潛流加速區(qū)以及滯留區(qū)等8個(gè)區(qū)域，并對(duì)各區(qū)域大小和形成原因等進(jìn)行了分析研究，得到了分流比與相對(duì)流速間的關(guān)系。本文對(duì)不同分流堰閘的分布方式以及河道水流的特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，以遼寧社河河道為試驗(yàn)研究對(duì)象，對(duì)堰閘方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)各方案堰閘布置對(duì)分汊河道水流特性的影響進(jìn)行了對(duì)比研究，得到了較優(yōu)的建堰方案，并針對(duì)模型試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，為今后河道建筑的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 堰閘布置方案

1.1 堰閘布置方案

基于分流建筑物水毀機(jī)理及天然河道的水流特性，設(shè)計(jì)了兩種堰閘建筑物方案[6-7]。

1.1.1方案1：原址堰閘建筑物設(shè)計(jì)方案

保留原有的過(guò)水土壩兩側(cè)堤防，拆除現(xiàn)有的“U”型槽及下游消能建筑，設(shè)計(jì)堰頂高程為13.05m，水閘底板高程7.12m，閘室長(zhǎng)15.00m，門(mén)高5.20m，單孔寬9.25m并在頂部設(shè)置胸墻。沿社河干流上游至下游525m加固土堤，新建WES實(shí)用堰，兩側(cè)堤頂寬5m，高程19.36m，堰面為鋼筋混凝土。堰前左岸布置高程為15.1m的戧臺(tái)，與堰后修建的混凝土擋墻及石籠護(hù)岸共同作用，削弱橫向水流。支汊下游左岸考慮斜向水流作用，選用底流消能的方式修建消能工，消力池深3m，長(zhǎng)45m，海漫長(zhǎng)40m，斜向設(shè)計(jì)與堰軸線(xiàn)呈35°夾角。

1.1.2方案2：新址堰閘建筑物設(shè)計(jì)方案

將堰閘建筑物移至支汊下游550m位置處，將原有的上游堰體拆除，迎水面石籠防護(hù)，布置河道分汊點(diǎn)分水導(dǎo)流戧臺(tái)，減小進(jìn)入支汊的流量，縮小進(jìn)水?dāng)嗝?。新址堰閘位于原堰體下游600m處，設(shè)計(jì)堰頂高程為12.68m，堰上設(shè)5.00m寬工作橋，堰面鋪設(shè)鋼筋混凝土，堰閘右側(cè)為凈寬為12m的3孔墻式水閘，左側(cè)為WES新型實(shí)用堰，堰閘上游鋪蓋長(zhǎng)15m，下游選用底流消能方式修建消能池，池深2m，池長(zhǎng)45m。堰閘的閘室長(zhǎng)15.00m，門(mén)高6m，閘底板頂高程5.60m，頂部設(shè)胸墻。

1.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

1.2.1方案1：原址堰閘建筑物設(shè)計(jì)方案測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)將整個(gè)河道劃分為兩個(gè)主系列樁號(hào)，支汊為一系列樁號(hào)，范圍為支0+000—1+000；干流及主汊為一系列樁號(hào)，范圍為干0+000—干2+400。選取支汊8個(gè)關(guān)鍵斷面，干流12個(gè)關(guān)鍵斷面，對(duì)河床的各個(gè)水力要素進(jìn)行測(cè)量，各斷面分別截取5～9個(gè)斷面測(cè)位，測(cè)速時(shí)，各測(cè)位由水深狀況布置1～5個(gè)垂向測(cè)點(diǎn)[8-9]。堰閘附近布置5個(gè)測(cè)量斷面，并沿堰軸向方向布置2個(gè)水閘測(cè)位，8個(gè)溢流堰測(cè)位。

1.2.2方案2：新址堰閘建筑物設(shè)計(jì)方案測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)選取河床支汊與干流各12個(gè)關(guān)鍵斷面，對(duì)各項(xiàng)水力要素進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)斷面寬度，截取5～9個(gè)斷面測(cè)位，測(cè)量流速時(shí)，根據(jù)水深情況布置1～5個(gè)垂向測(cè)點(diǎn)。堰閘附近布置5個(gè)測(cè)量斷面，沿堰軸線(xiàn)方向選取5個(gè)溢流堰測(cè)位，3個(gè)水閘測(cè)位。

2 堰閘布置方案對(duì)天然分汊河道分流比的影響

2.1 方案1分流比分析

方案1主支汊分流情況如圖1所示。由圖1可知，主支汊分流比隨著干流流量的增大而逐漸趨于一致。當(dāng)分流堰未過(guò)流，即西支堰前水位未超過(guò)堰頂時(shí)，西支過(guò)流量?jī)H由閘口控制。當(dāng)干流流量由1500m3/s增大至5000m3/s時(shí)，閘后的流速增大，堰前的水位升高，此時(shí)，需要減小閘門(mén)的開(kāi)度，以確保消力池后不出現(xiàn)二次水躍等水力現(xiàn)象。干流流量由5000m2/s增大到15000m3/s時(shí)，隨著干流流量的增大，支汊分流比逐漸增大，分流堰對(duì)流量的控制作用減弱，總流量增大至17000m3/s時(shí)，主支汊分流比相差較小。通過(guò)增加堰高可達(dá)到減小支流流量的目的，但增加堰高又會(huì)對(duì)上游防洪的要求增高，增大了工程投資。

圖1 方案1主支汊分流情況

2.2 方案2分流比分析

方案2主支汊分流如圖2所示。由圖2可知，隨著干流流量的增大，主支汊分流比逐漸趨于一致。當(dāng)干流流量大于4700m3/s時(shí)，隨著干流流量的增大，分流堰對(duì)流量的控制作用逐漸減小，支流的分流比逐漸增大。支流流量為6000m3/s時(shí)，超過(guò)限制流量不足1%，通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度的有效配合，能夠很好地控制支流流量，堰高基本滿(mǎn)足限流要求。

圖2 方案2主支汊分流

2.3 各方案分流比綜合分析

圖3為天然河道與兩方案分流比的對(duì)比圖，由圖可知，當(dāng)干流流量低于10000m3/s時(shí)，兩方案的分流比相差不大；隨著干流流量的增大，兩方案的支汊分流比都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且方案1的增長(zhǎng)幅度較大。當(dāng)流量大于16000m3/s，小于18000m3/s時(shí)，與天然無(wú)河道的支流分流比相較，方案1僅僅降低了3%；當(dāng)流量大于18000m3/s時(shí)，方案1支汊分流比約為45%，而方案2的支汊分流比約為35%，降低了10%，較天然河道下降了13%?？梢?jiàn)，方案2的限流功能更加明顯，堰閘的最佳布置位置為支汊進(jìn)口下游，此時(shí)調(diào)節(jié)分流比的效果最優(yōu)。

圖3 分流比對(duì)比圖

3 堰閘布置方案對(duì)天然分汊河道水位計(jì)過(guò)流能力的影響

3.1 河道水位及流速分析

圖4為兩方案干流斷面平均水位折線(xiàn)圖，由圖可知，當(dāng)流量低于6000m3/s時(shí)，兩方案的水位沿樁號(hào)的變化基本相同。分汊口上游水面坡度與河道坡降抑制，受地形因素影響較大。當(dāng)流量大于6000m3/s，小于12000m3/s時(shí)，水位壅高現(xiàn)象明顯，河道坡降大于水面坡度。樁號(hào)1+000到1+700間均為支汊口門(mén)斷面，壅水作用明顯，兩方案存在明顯的水面坡降。當(dāng)來(lái)流流量較大時(shí)，方案1的支汊分流堰壅水作用更加明顯，水面壅高，使得1+300—1+500區(qū)域出現(xiàn)明顯的水位升高狀況。方案2的分流堰建于支汊口下游，并未出現(xiàn)局部水位升高的現(xiàn)象，受壅水作用影響較小。

圖4 兩方案干流斷面平均水位圖

由圖5兩種方案支汊斷面平均水位折線(xiàn)圖可知，兩方案的建堰存在較大差異，方案2建于支汊口斷面下游550m處，方案1分流堰建于支汊口斷面處，兩方案的水面跌落位置不同。當(dāng)流量較小時(shí)，兩方案的堰前水位保持一致，隨著流量的增大方案1的堰前水位增大速率更大，受到河水的壅水作用較大。

圖5 兩方案支汊斷面平均水位圖

3.2 過(guò)流能力分析

由圖6兩方案干流斷面平均流速折線(xiàn)圖可知，樁號(hào)0+300—0+500區(qū)域斷面流速增大，受社河大橋橋墩影響較明顯。河水進(jìn)入支汊后，分流建筑物的壅水作用降低，使得流速增大河道變窄。樁號(hào)1+300之后，流速的增幅減??；在樁號(hào)1+500斷面位置，方案1的平均流速在2.15～3.21m/s范圍內(nèi)變化，方案2的平均流速在2.92～3.66m/s范圍內(nèi)波動(dòng)。隨著樁號(hào)的延伸，流量逐漸下降并趨于穩(wěn)定。受地形、建筑物以及分汊河口的影響，方案1在堰前區(qū)域受壅水作用影響較大，流速波動(dòng)范圍較小。

圖6 兩方案干流斷面平均流速圖

方案1堰前水位與流量關(guān)系見(jiàn)表1，由表1可知，支汊流量隨著堰前水位的增大而增大，當(dāng)干流流量為7000.00m3/s時(shí)，閘孔流量為148.56m3/s，支汊流量為836.24m3/s。受孔數(shù)限制以及閘門(mén)開(kāi)度的影響，隨著支汊流量的增加，堰頂溢流流量與閘孔流量雖有所增加，但增幅較小。當(dāng)支汊流量為8210.65m3/s時(shí)，受實(shí)用堰過(guò)流能力的影響，閘孔流量?jī)H為584.62m3/s。

方案2堰前水位與流量的關(guān)系見(jiàn)表2，由表2可知，支汊流量隨著堰前水位的增高而增大，且速率也逐漸變大。當(dāng)干流流量為700.00m3/s時(shí)，閘孔流量?jī)H為101.35m3/s，支汊流量為725.52m3/s，當(dāng)支汊流量為6123.87m3/s時(shí)，閘孔流量?jī)H為554.01m3/s。實(shí)用堰的過(guò)流能力，影響著堰閘體系的過(guò)流能力。隨著支汊流量的增加，由于受到堰閘孔數(shù)以及閘門(mén)開(kāi)度的影響，堰頂溢流及閘孔流量增加幅度較小。

表1 方案1水位—流量關(guān)系

表2 方案2水位—流量關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

以天然分汊河道分流堰為原型，以遼寧社河分流堰為例，通過(guò)設(shè)計(jì)的兩種堰閘建筑方案，系統(tǒng)的研究了堰閘布置方案對(duì)天然分汊河道水流特性的影響，對(duì)比分析得到了以下結(jié)論：

(1)由主支汊分流比對(duì)比可知：當(dāng)堰閘軸線(xiàn)位于方案1位置時(shí)，隨著流量的增大，支汊分流比可達(dá)到45%，基本失去調(diào)節(jié)水流的能力；而堰閘軸線(xiàn)位于支汊下游550m處時(shí)，支汊分流比為35%，堰閘調(diào)節(jié)分流的能力更強(qiáng)。

(2)當(dāng)堰閘軸線(xiàn)位于方案1中所處位置，即原址支汊口時(shí)，主支汊水流的壅水作用更加明顯，對(duì)下游河床及河道建筑物存在著較大的威脅；當(dāng)堰閘處于支汊下游550m，即方案2中所處位置時(shí)，各流量下水流流速分布較為平均，消能效果較好。

(3)原址堰閘綜合流量系數(shù)為0.39～0.52，有較大的過(guò)流能力，而新址堰閘方案中，堰前流量系數(shù)僅為0.31～0.40，對(duì)比說(shuō)明，下游新址堰閘方案能夠更好地控制支汊的過(guò)流量。