賈魯河綜合治理工程防洪影響分析

□于黎雅（鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

賈魯河綜合治理工程防洪影響分析

□于黎雅（鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

賈魯河綜合治理范圍為尖崗水庫(kù)至中牟縣大王莊彎道段，治理長(zhǎng)度62.77 km，綜合治理工程實(shí)施后，沿線新建液壓壩工程使河道形成連續(xù)性景觀水面，文章通過(guò)對(duì)液壓壩過(guò)流能力、運(yùn)行方式、調(diào)度方案以及消能防沖的復(fù)核，分析新建液壓壩工程對(duì)河道的防洪影響。

綜合治理；液壓壩；防洪影響；過(guò)流能力

1 項(xiàng)目概況

賈魯河作為鄭州市的一條母親河，發(fā)源于新密、滎陽(yáng)兩市交界處，流經(jīng)鄭州市西部、北部，在東部出境，環(huán)抱著鄭州市區(qū)，全市85%洪水匯入賈魯河后，流入沙潁河，全長(zhǎng)256 km，流域面積5 896 km2。其中鄭州市境內(nèi)長(zhǎng)137 km，流域面積2 750 km2。

賈魯河綜合治理范圍為尖崗水庫(kù)至中牟縣大王莊彎道段，治理長(zhǎng)度62.77 km，其中河道綜合治理長(zhǎng)49.67 km（包括三段：尖崗水庫(kù)至南水北調(diào)5.52 km、科學(xué)大道至象湖入口32.75 km，農(nóng)科所橋至隴海鐵路橋11.40 km），河道疏浚長(zhǎng)度13.10 km。修建各類配套建筑物91座。河道治理防洪標(biāo)準(zhǔn)：尖崗水庫(kù)至南水北調(diào)河段為50 a一遇，科學(xué)大道至京港澳高速公路河段為100 a一遇，京港澳高速公路至中牟隴海鐵路河段為50 a一遇。

由于賈魯河現(xiàn)狀防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)較低，不滿足鄭州市城市防洪的要求，兩岸生態(tài)環(huán)境效果差，不滿足全國(guó)水生態(tài)文明城市建設(shè)的要求，鄭州市實(shí)施開(kāi)展了鄭州市賈魯河綜合治理工程，主要建設(shè)任務(wù)：一是按照防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)賈魯河尖崗水庫(kù)至中牟隴海鐵路橋段進(jìn)行綜合治理，綜合治理長(zhǎng)度49.67 km；二是為了減輕下游防洪壓力，開(kāi)挖賈魯濕地、祥云濕地、圃田澤濕地等3處濕地湖泊；三是為使汛期洪水平穩(wěn)下泄，對(duì)隴海鐵路橋至大王莊彎道段河槽進(jìn)行疏挖，長(zhǎng)13.10 km。

2 液壓壩工程布置情況

2.1 總體布置

為使尖崗水庫(kù)至南水北調(diào)河段、科學(xué)大道至隴海鐵路橋河段形成連續(xù)的景觀水面及兩座壩之間滿足游船通行要求，最小水深≥1.20 m。尖崗水庫(kù)至南水北調(diào)河段較陡，為保持水面連續(xù)，減少攔蓄水建筑，在上游河道適當(dāng)位置設(shè)跌水；科學(xué)大道至隴海鐵路段應(yīng)滿足游船通行要求，在適當(dāng)位置修筑攔水壩，以滿足其功能要求，設(shè)計(jì)在賈魯河新建攔蓄水建筑物共14座。

2.2 京港澳高速下液壓壩工程布置

文章以京港澳高速下液壓壩為例進(jìn)行分析計(jì)算。液壓壩位置處河道底寬105 m，河道主槽邊坡1∶3，壩長(zhǎng)105 m，液壓升降壩高為4.30 m，壩長(zhǎng)105 m，順?biāo)鞣较蛴缮嫌武伾w段、控制段、消能段、海漫段、防沖槽段5部分組成，全長(zhǎng)68.80 m。上游正常擋水位為83.62 m，下游正常水位為80.52 m，壩上、下游設(shè)計(jì)河底高程均為79.12 m。

3 防洪分析計(jì)算

3.1 正常蓄水位過(guò)流能力復(fù)核計(jì)算

3.1.1 壩頂過(guò)流

液壓升降壩高4.30 m，上游正常擋水位為83.62 m，下游正常水位為80.52 m，壩上、下游設(shè)計(jì)河底均為79.12 m。薄壁堰出流流量計(jì)算公式為：

式中：m0—包括行近流速影響的薄壁堰流量系數(shù)；B—溢流寬度；H—壩前堰上水頭；公式中流量系數(shù)m0可采用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

該京港澳高速下液壓升降壩壩頂過(guò)流能力計(jì)算見(jiàn)表1。

3.1.2 局部開(kāi)啟出流

按三角堰進(jìn)行計(jì)算。

3.1.3 塌壩過(guò)流

設(shè)定液壓升降壩運(yùn)行最大水位達(dá)0.50 m，當(dāng)壩頂水頭達(dá)0.50 m時(shí)，采用浮標(biāo)開(kāi)關(guān)控制自動(dòng)塌壩，實(shí)現(xiàn)信息化操作，達(dá)到無(wú)人管理。

3.1.4 汛期塌壩情況下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)過(guò)流能力復(fù)核

液壓壩完全塌壩時(shí)，壩體完全坍平，可視作寬頂堰,流量系數(shù)m=0.33～0.36，取m=0.35。過(guò)流能力計(jì)算公式：

表1 液壓升降壩壩頂過(guò)流能力計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算，液壓壩完全塌壩時(shí)，50 a一遇堰上水頭為5.67 m，對(duì)應(yīng)50 a一遇水位為84.76 m，根據(jù)賈魯河綜合治理工程實(shí)施方案成果，該位置處50 a一遇水位為84.87 m，京港澳高速下液壓壩（樁號(hào)46+700）完全塌壩時(shí)，計(jì)算流量為1 215 m3/s，滿足50 a一遇洪水1 050 m3/s的要求。

主管部門(mén)就液壓壩的運(yùn)行調(diào)度方案予以重視，在液壓壩附近建設(shè)水位流量觀測(cè)站，更好的控制壩前蓄水位、不同塌壩歷時(shí)、不同塌壩方案時(shí)液壓壩的過(guò)流量，以便來(lái)洪時(shí)對(duì)液壓壩塌壩高度做嚴(yán)格的控制。

3.2 閘門(mén)控制運(yùn)行方式和調(diào)度方案

當(dāng)壩上水位高于0.50 m時(shí)，液壓升降壩開(kāi)始倒伏泄流，6聯(lián)一起倒伏，全部倒伏時(shí)間約2 min，全部倒伏時(shí)成為平行于河底的一個(gè)低坎，由于門(mén)板厚僅0.02 m，對(duì)河道泄流阻礙不大。

當(dāng)壩頂水頭達(dá)0.50 m時(shí)，采用浮標(biāo)開(kāi)關(guān)控制自動(dòng)塌壩，實(shí)現(xiàn)信息化操作，達(dá)到無(wú)人管理。

上游來(lái)水Q〈51.38 m3/s時(shí)，通過(guò)壩頂溢流，維持水位在84.12 m以下；上游來(lái)水Q〉51.38 m3/s時(shí)，液壓升降壩塌壩運(yùn)行。

為控制液壓壩塌壩泄流流量，避免對(duì)下游河道造成大的沖刷，液壓壩塌壩時(shí)，正常情況下應(yīng)控制壩上溢流水頭＜0.30 m，特殊情況下，壩上溢流水頭≤0.50 m。

為確保液壓壩及上下游河道堤防安全，根據(jù)洪水分析，確定非汛期、汛期的壩前限制水位（壩前蓄水高程）如下：

汛期（6月1日至10月31日）來(lái)臨前，應(yīng)塌壩運(yùn)行，塌壩順序自下游末端液壓壩開(kāi)始，逐級(jí)向上游塌壩。塌壩時(shí)通過(guò)控制堰上水頭來(lái)控制液壓壩泄量，根據(jù)下游現(xiàn)狀卡口段過(guò)流能力復(fù)核，下游現(xiàn)狀河道最大過(guò)流能力為50 m3/s，通過(guò)控制液壓壩最大泄量，避免形成人造洪峰對(duì)河道下游產(chǎn)生危害。監(jiān)測(cè)壩上下游水位，若上游液壓壩下游水位（壩下游河底高程+0.30 m）時(shí)，上游液壓壩可以逐步開(kāi)啟，但最大泄量不能超過(guò)50 m3/s，依此類推對(duì)上游液壓壩進(jìn)行塌壩處理。經(jīng)計(jì)算項(xiàng)目區(qū)14座液壓壩全部塌壩時(shí)長(zhǎng)為3.94 d，汛期來(lái)臨前至少提前4 d開(kāi)始自下游逐步向上游塌壩運(yùn)行。

非汛期（11月1日至次年5月31日）當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，液壓壩進(jìn)行塌壩運(yùn)行：液壓壩壩前水位超過(guò)液壓壩0.30 m時(shí)；根據(jù)天氣預(yù)報(bào)或上游來(lái)水情況適時(shí)控制水位（壩頂高程+ 0.30 m）；壩上游流量達(dá)到50 m3/s時(shí)（通過(guò)壩上游流量計(jì)監(jiān)測(cè)）；嚴(yán)格按制定的運(yùn)行調(diào)度方案進(jìn)行塌壩，避免瞬時(shí)塌壩，造成人為洪峰對(duì)河道下游產(chǎn)生危害；出現(xiàn)危及液壓壩安全的其他情況。

3.3 對(duì)消能防沖計(jì)算復(fù)核

根據(jù)液壓壩設(shè)計(jì)，消能防沖計(jì)算按最不利工況：壩頂水深0.50 m、下游無(wú)水、突然塌壩，跌流后將產(chǎn)生水躍，按底流消能計(jì)算消力池深度及長(zhǎng)度。上游水位為84.12 m，下游水位80.52 m。單寬流量0.64 m3/（s·m）。

池深計(jì)算：

躍后水深h2為躍前水深h1的共軛水深。躍后水深計(jì)算采用下式：

式中：h1—躍前水深（m）；h2—躍后水深（m）；q—單寬流量；φ—水躍淹沒(méi)系數(shù)，1.05；E0—消力池底以上總能頭；P—跌差；h上—上游水深；V上—上游臨界流速，（m/s）；Α—流速系數(shù)，0.95。

消力池池深d計(jì)算：

式中：σj—水躍淹沒(méi)系數(shù)，σ=1.05；h2—躍后水深；h下—下游水深；Δz—出池水面跌落；D—消力池深度。經(jīng)計(jì)算，消力池深度0.80 m，液壓壩消力池深度取1 m。

池長(zhǎng)計(jì)算：

式中：L0—水流跌落射程；Lj—自由水躍長(zhǎng)度；Lk—消力池長(zhǎng)度；M—流量系數(shù)，0.42。

計(jì)算得：消力池Lk為14.55 m，根據(jù)賈魯河綜合治理實(shí)施方案該消力池布置，長(zhǎng)度為15 m，消能防沖滿足要求。

4 結(jié)論及建議

鄭州市賈魯河綜合治理工程沿線液壓壩的實(shí)施，使治理段河道形成連續(xù)景觀水面，通過(guò)對(duì)液壓壩過(guò)流能力的分析、運(yùn)行方式和調(diào)度方案的控制，以及對(duì)消能防沖計(jì)算的復(fù)核，鄭州市賈魯河綜合治理工程液壓壩的實(shí)施滿足河道防洪的要求。

TV213.4

B

1673-8853（2017）06-0073-02

2017-03-09

編輯：劉長(zhǎng)垠 韋詩(shī)佳

于黎雅（1981-），女，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。