淺析攔河閘對大凌河水力特性的影響

金子嵩

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 前言

大凌河是遼寧省境內(nèi)的一條主要河流，于盤山縣東郭鎮(zhèn)南井子村入渤海，河道全長453 km。為攔蓄大凌河淡水，防止海水倒灌，為兩岸經(jīng)濟區(qū)提供水源，擬在大凌河河口附近修建一攔河防潮閘。攔河閘壅水分析多采用傳統(tǒng)閘堰淹沒公式進(jìn)行，但計算結(jié)果僅通過考慮閘堰的阻水面積、水頭損失等來計算單一斷面的水位壅高值，無法全面反映復(fù)雜工程不同位置具體的流場變化情況。入?？诟浇拥懒鲌鐾ǔＪ艹毕饔?，建筑物對河道流態(tài)的影響需要用二維模型反映。二維水力計算模型可模擬河段平面流場及河床的細(xì)部變化情況，得到二維平面范圍內(nèi)各離散點的可視化計算結(jié)果[1]。為明確工程建設(shè)對河道水位、流速、流向等具體參數(shù)的影響大小及影響范圍，且工程位于入?？诟浇瑸槌毕绊懛秶?，因此應(yīng)采用二維模型進(jìn)行計算。本文以該攔河防潮閘工程為例，建立適當(dāng)?shù)亩S水力計算模型，進(jìn)行攔河防潮閘對大凌河河口段河道水位、流速、流向等水力特性及行洪安全的影響分析。

2 工程概況

該攔河防潮閘為傳統(tǒng)平板閘，位于大凌河河口無堤段，距入海口5 km。閘址處河道右岸緊鄰濱河公路，公路后多為耕地及葦田，左岸為耕地，河底較平坦，平均高程為-1.00 m，主河槽寬約90.00 m。本段河道兩岸較為平坦，屬無堤段，無規(guī)劃堤線。攔河防潮閘寬度與主河槽寬度一致，垂直主河槽布置，閘室總寬97.2 m。平面布置見圖1。

圖1 工程平面布置圖

3 河道壅水計算

3.1 計算范圍

本工程位于大凌河凌海水文站以下，大凌河凌海水文站以下段受潮汐作用明顯，同時為準(zhǔn)確反映攔河防潮閘工程局部流態(tài)的變化，采用二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算。為減小模型邊界選取對計算結(jié)果的影響，本次計算范圍確定為凌海水文站到大凌河河口，河長9.55 km。

3.2 計算方案

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2017)和《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 256-2016)的規(guī)定，結(jié)合本工程的具體特點，并類比其他工程，確定本工程規(guī)模為小(1)型，工程等別為IV等，主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級，工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇[2]，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。本工程位于大凌河白石水庫以下農(nóng)村段，本河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

因此，本次水力計算大凌河計算頻率P需包括5%、2%。

3.3 計算方法

本項目計算采用由丹麥DHI水工所開發(fā)的Mike21軟件的三角形網(wǎng)格水動力模塊(HD模塊)[3]，該模塊在國內(nèi)外工程項目中應(yīng)用廣泛，模塊計算成果得到大量驗證，受到業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)同。

MIKE21軟件的水動力學(xué)模塊(HD模塊)基于水流運動控制方程——淺水方程進(jìn)行計算[4]，離散方法為有限差分法，計算方法采用ADI(Alternating Direction Implicit)和DS(Double Sweep)格式。

垂向平均二維淺水方程：

(1)

(2)

(3)

質(zhì)量守恒方程：

(4)

動量方程：

(5)

(6)

式中：h為水深；ζ為水面高程；p、q為x、y方向的單寬流量，其中p=uh，q=vh，u、v分別為x、y方向上沿水深的平均流速；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度；f為風(fēng)摩擦系數(shù)；V、Vx、Vy為風(fēng)速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω為柯氏力參數(shù)，s-1；Pa為大氣壓強，kg/(m/s2)；ρω為水的密度；S、Six、Siy為源匯項及在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

3.4 模型概化

本次水力計算采用的地形資料為：2019年實測工程附近1∶500地形圖、凌海水文站至河口河道大橫斷圖，及2019年谷歌衛(wèi)星底圖。

本模型由三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格構(gòu)成。網(wǎng)格按主槽和灘地分別進(jìn)行處理，由于本河段灘地主要為耕地、葦田、魚塘等，無村莊，地勢開闊，故本次計算灘地網(wǎng)格尺寸在1500 m2～2000 m2之間，主槽網(wǎng)格尺寸在500 m2～1000 m2之間；為了更好地反映攔河防潮閘工程建設(shè)對河道流態(tài)的影響，將工程位置局部網(wǎng)格加密。

本次攔河防潮閘工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，洪水期阻水建筑主要包括7道閘室墻以及閘兩岸連接段填土。為盡可能準(zhǔn)確反映每道閘室墻及填土附近流場的變化，將閘室墻、閘兩岸填土均做不過水處理。概化后地形見圖2，攔河防潮閘處網(wǎng)格見圖3。

圖2 概化后地形示意圖

圖3 攔河防潮閘處網(wǎng)格示意圖(圖中中間為閘室墻，兩側(cè)為填土)

圖4 P=5%條件下工程后水位影響范圍

圖5 P=2%條件下工程后水位影響范圍

3.5 邊界條件及水文

(1)起點水位。本次大凌河水力計算起點水位采用大凌河口相應(yīng)頻率設(shè)計潮位過程線，起點水位成果見表1。

表1 大凌河口設(shè)計潮高

(2)水文條件。P=5%、2%條件下洪峰流量分別為11387 m3/s、11882 m3/s。

3.6 糙率確定

Mike21 FM模型在計算前，需要設(shè)定的糙率參數(shù)如下：計算區(qū)域的糙率用曼寧系數(shù)表示。大凌河屬于多沙河流，河床具有洪沖枯淤的特性，綜合考慮河道內(nèi)主槽及灘地內(nèi)植被、建筑物等情況，參照《水力計算手冊》中的“天然河道糙率”表[5]，并參考水文刊印本中實測糙率成果及凌海市下游以往所做的結(jié)果。綜合考慮后白石下游段主槽糙率主要在0.014～0.020之間，灘地糙率在0.025～0.04之間。

3.7 計算成果及分析

P=5%、2%條件下工程后水位影響范圍見圖4、圖5，流速影響范圍見圖6、圖7。P=2%條件下工程前后流場見圖8、圖9。

圖6 P=5%條件下工程后流速影響范圍

圖7 P=2%條件下工程后流速影響范圍

圖8 P=2%條件下工程前局部流場

圖9 P=2%條件下工程后局部流場

從圖4、圖5中可以看出，P=5%、2%條件下，攔河防潮閘位置局部水位壅高值均在0.05 m左右，攔河防潮閘的建設(shè)對水位的影響范圍大致到閘上游200 m以內(nèi)，影響范圍較小。考慮到本段河道兩岸均為無堤段，設(shè)計洪水條件下過流寬度較大，因此水位壅高值及水位影響范圍均較小，即攔河防潮閘的建設(shè)對河道行洪影響較小。

從圖6～圖9中可以看出由于攔河防潮閘的建設(shè)導(dǎo)致上游局部水位壅高，流速較工程前減小，最多減小0.7 m/s左右，其中P=5%條件下流速影響范圍到工程位置上游300 m左右，P=2%條件下流速影響范圍到工程位置上游500 m左右，影響范圍較小。從流場圖中還可看出，受閘兩側(cè)翼墻及填土阻水作用的影響，水流在該處形成繞流，導(dǎo)致翼墻下游背水面局部流速減小。

4 結(jié)論

(1)大凌河河道中新建的攔河防潮閘對閘上游水位、流速的影響范圍較小，僅工程局部流場的水位、流速、流向變化較大，因此對其一定距離以外的河道行洪及水利工程正常運行無影響。

(2)大凌河本段河道為平原型河道，灘槽分界不明顯，洪水期大量灘地參與過流。洪水期過流面積較大的情況下，該攔河防潮閘工程自身阻水面積較小，因此造成的壅水值及對河道流場的影響均較小，對河道行洪的影響亦較小。

(3)大凌河本段河道具有北方大部分入海河流的特性，攔河防潮閘也是常見于入海河流的建筑物，本次水力計算模型的選取、建立以及對河流水力特性及行洪安全的影響分析對類似工程有較為普遍的參考價值。