趙王新河王村分洪閘閘前堰上水深計算分析

□康亞亭

分洪閘一般建于河道一側(cè)，與主河道存在一定分水角，根據(jù)調(diào)度規(guī)劃分泄河道洪水而設(shè)。分洪閘在分洪過程中因受分流比的影響，閘前河道水位部分勢能轉(zhuǎn)化為動能，分洪口起始斷面水位會產(chǎn)生跌落，同時從分洪口至分洪閘前會產(chǎn)生水頭損失，通過綜合考慮分流比及分洪道水頭損失影響，對閘前堰上水深進(jìn)行計算分析，為分洪閘規(guī)模的合理確定提供依據(jù)。

1.工程概況

王村分洪閘坐落于廊坊市文安縣史各莊鎮(zhèn)王村東北、趙王新河右堤上，距白洋淀棗林莊樞紐約18km，是分減趙王新河洪水、控制向文安洼蓄滯洪區(qū)分洪的重要工程。

當(dāng)趙王新河發(fā)生100年一遇洪水時，王村分洪閘上游趙王新河水位為8.9m，分洪閘以上趙王新河行洪流量達(dá)5860m3/s、以下河道行洪流量3500m3/s，王村分洪閘分洪流量2360m3/s。根據(jù)防洪規(guī)劃調(diào)度，改擴建后王村分洪閘分流比相對較大，分洪過程趙王新河與分洪道交口起始斷面水位會產(chǎn)生跌落，同時從分洪口至分洪閘前會產(chǎn)生水頭損失，因此，閘前堰上水位低于趙王新河河道水位，若閘前堰上水位直接取趙王新河河道水位進(jìn)行分洪閘規(guī)模計算勢必會造成計算規(guī)模偏小。為保證工程安全，分洪閘閘上水位采用一維分段求和法進(jìn)行推算分析，并采用二維洪水演進(jìn)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比對。

2.閘前堰上水深計算

2.1 一維分段求和法

2.1.1分洪道起始水深計算

分流比為分洪流量與分洪前河道流量的比值，根據(jù)防洪規(guī)劃調(diào)度，改擴建后王村分洪閘分流比40.3%，分流比相對較大，參照《取水輸水建筑物叢書—水閘》（中國水利水電出版社），閘上分洪道起始斷面水深計算公式如下：

式中：

h0—趙王新河與分洪道交口河道斷面水位（m），取h0=8.9m；

k—分流比，根據(jù)規(guī)劃調(diào)度，取k=40.3%；

v下—分洪閘下游趙王新河平均流速（m/s），根據(jù)趙王新河整治設(shè)計成果取值。

經(jīng)計算，當(dāng)重現(xiàn)期為100年一遇洪水時，該分洪閘分洪2360m3/s，分洪道與趙王新河交口起始斷面水位將跌落4.56cm，相應(yīng)起始斷面水位8.85m、斷面流速0.86m/s。

2.1.2分洪道水面線計算

分洪閘上游至趙王新河右堤之間分洪道長度約160m，參照《水工設(shè)計手冊》（第二版，中國水利水電出版社），分洪閘前堰上水深（計入行進(jìn)流速）以距閘前3～5倍堰上水頭為控制斷面。閘前堰上水深根據(jù)能量方程采用分段求和法計算，計算公式如下：

式中：

ΔL1-2—分段長度（m）；

h1、h2—分段始、末斷面水深（m）；

v1、v2—分 段 始、末 斷 面 平 均 流 速（m/s）；

α1、α2—流速分布不均勻系數(shù)，取==1.05；

θ—泄槽底坡角度（°）；

n—泄槽槽身糙率系數(shù)，取n=0.03；

根據(jù)考慮分流比產(chǎn)生水位跌落后確定的起始斷面水深，結(jié)合上述根據(jù)能量方程采用分段求和法計算的100年一遇分洪道水面線成果見表1。

表1 100年一遇分洪道水面線計算成果表

2.2 二維洪水演進(jìn)法

2.2.1模型采用資料及邊界條件

根據(jù)王村分洪閘1∶500實測地形圖，采用二維洪水演進(jìn)方法計算堰上水深，計算范圍取趙王新河王村閘分洪口所處位置上、下游各1km以及王村閘上游至分洪口的分洪道區(qū)域，計算范圍內(nèi)區(qū)域綜合糙率取0.03，采用MIKE21計算軟件建立趙王新河王村閘段數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。趙王新河王村閘段洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型見圖1。

圖1 趙王新河王村閘段洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型

2.2.2計算情況

根據(jù)“趙王新河治理工程”河道水面線計算結(jié)果，王村閘上游趙王新河100年一遇洪水水位8.91m、下游趙王新河100年一遇洪水水位8.9m，王村閘范圍趙王新河水位差別極小，因此100年一遇洪水王村閘范圍趙王新河水位均取為8.9m。

考慮到分洪口附近趙王新河左右堤之間有橫向水位差，分別推算以分洪口中心斷面處左堤為起推水位8.9m時和右堤為起推水位8.9m時的分洪閘閘前分洪道水面線。

2.2.3計算結(jié)果

情況一：以趙王新河左堤為起推水位8.9m時分洪道水面線計算結(jié)果見圖2。

圖2 趙王新河左堤為起推水位8.9m時分洪道水面線

情況二：以趙王新河右堤分洪口位置處為起推水位8.9m時分洪道水面線計算結(jié)果見圖3。

圖3 趙王新河右堤為起推水位8.9m時分洪道水面線

經(jīng)計算，以趙王新河左堤為水位控制斷面，推求至閘前控制斷面水位降落25.2cm，相應(yīng)水位8.648m、流速2.005m/s；以 趙 王新 河右堤為水位控制斷面，推求至閘前控制斷面水位降落19.3cm，相應(yīng)水位 8.707m、流速1.98m/s。

2.3 一維及二維計算結(jié)果比對

將上述一維與二維兩種方法得出的閘前分洪道水面線計算結(jié)果進(jìn)行比對，分洪道水面線計算成果比對見表2。

通過上表比對結(jié)果可以看出，一維分段求和法計算結(jié)果比情況一計算結(jié)果略低0.7cm、比情況二計算結(jié)果略低6.6cm，情況一與一維分段求和法計算結(jié)果較為接近。情況一假定趙王新河左堤處為起推水位8.9m，假定條件考慮了河道橫向水位跌落；情況二假定趙王新河右堤處為起推水位8.9m，假定條件忽略了一定程度的河道橫向水位跌落，因此情況二推求結(jié)果略高于情況一以及一維分段求和法計算結(jié)果。本工程考慮到王村分洪閘分洪流量較大、孔數(shù)較多、運行調(diào)度相對復(fù)雜，在王村閘規(guī)模設(shè)計中采用一維分段求和法水面線計算結(jié)果進(jìn)行閘孔總凈寬計算。

3.閘孔總凈寬計算

根據(jù)上述分析，采用一維分段求和法考慮分流比和分洪道水頭損失后的水面線計算結(jié)果，100年一遇王村分洪閘分洪流量2360m3/s時閘前堰上水深（計入行進(jìn)水頭）4.889m，閘下水深4.55m，過閘水流淹沒度為0.931，為高淹沒度出流，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）計算所得閘孔總凈寬為211m；當(dāng)不考慮分流比及分洪道水頭損失的影響，閘前水位直接采用趙王新河100年一遇洪水位8.9m進(jìn)行水力計算時，計算所得閘孔總凈寬為184m。對于本工程而言，閘前堰上水深直接采用河道水位較考慮水位跌落后計算總凈寬減小約12.8%，由此可見，分流比及分洪道水頭損失對分洪閘規(guī)模計算結(jié)果具有不可忽略的影響。

4.結(jié)論

分洪閘運用調(diào)度復(fù)雜，分洪口及閘前水力特性多變，影響因素較多，閘前堰上水位直接取主河道水位進(jìn)行分洪閘規(guī)模計算會造成計算規(guī)模偏小。綜合考慮分流比及分洪道水頭損失影響，采用一維分段求和法對閘前水位進(jìn)行推求，并采用二維數(shù)值模擬法對推求結(jié)果進(jìn)行比對，經(jīng)分析，兩種方法計算結(jié)果相差不大，一維分段求和法閘前水位計算基于現(xiàn)行規(guī)范和水力計算手冊，在工程設(shè)計中較易于操作，推求結(jié)果在實際工程中得到應(yīng)用，可為類似工程提供參考?！?/p>