孫宇飛

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

跨河建筑物修建對(duì)大遼河河道行洪安全的影響

孫宇飛

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

大遼河系指太子河入渾河匯流口三岔河起，至河口止的一段河流。該河段水深較大，且受感潮影響，水流形態(tài)較為復(fù)雜。本文以大遼河鮑家至賞軍河段為例，分析該河段水力特性，對(duì)比跨河建筑物修建前后河段水力特性的變化，分析跨河建筑物的修建對(duì)該河段行洪安全的影響，為今后類似河段跨河建筑物修建及管理提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

大遼河；跨河建筑物；行洪安全

1 概述

大遼河系指太子河入渾河匯流口三岔河起，至河口止的一段河流。1958年春外遼河堵截后，僅宣泄渾河、太子河洪水。大遼河先后流經(jīng)海城市、盤山縣、大洼縣、大石橋市、營(yíng)口市區(qū)等市縣，于營(yíng)口市郊注入渤海。河道全長(zhǎng)96km。

大遼河地處遼河下游沖積平原，曲折多彎，而且多急彎和“對(duì)頭彎”，歷史上記載大遼河有多處自然裁彎的河段，所以舊河道和河叉較多。整個(gè)大遼河的流向是向西南，由三岔河經(jīng)下坎子、石佛、賞軍、田莊臺(tái)、水源，至榮興農(nóng)場(chǎng)附近，流向折向東南，經(jīng)鴨島進(jìn)入營(yíng)口市。

大遼河系感潮河段，河口系不規(guī)則半日周潮，潮流速、潮流量隨潮水向上游推進(jìn)而減小，同一次漲潮營(yíng)口站潮流量最大可達(dá)5400m3/s、田莊臺(tái)站1975m3/s、三岔河站僅462m3/s。

本次分析選擇大遼河鮑家至賞軍河段，該河段位于大遼河三岔河至田莊臺(tái)段，具有洪沖枯淤的特性，河道蜿蜒曲折，灘槽分明，是較典型的平原彎曲型河道，造床流量約1000～1200m3/s。該河段既受河水控制又受潮水影響，使彎道凹岸不斷上提下挫，造成塌岸，形成多處險(xiǎn)工。河岸土質(zhì)多為均勻分布的亞粘土和沙壤土。

通過對(duì)該河段進(jìn)行二維水力計(jì)算，分析該河段水力特性，在二維水力計(jì)算模型中通過增加阻水建筑物的方式分析跨河建筑物修建前后河段水力特性的變化。

2 天然情況下河段水力計(jì)算

2.1 計(jì)算范圍

本次水力計(jì)算范圍為自上游三岔河至下游大遼河河口的大遼河全河段，計(jì)算河長(zhǎng)96km。大遼河兩岸均有連續(xù)堤防，1999年大遼河防洪整治工程完成后，大遼河防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)50年一遇，本次計(jì)算以堤防為兩岸邊界范圍。

2.2 地形處理

本次計(jì)算地形采用2005年1∶10000平面圖和2011年實(shí)測(cè)橫斷面資料，計(jì)算范圍以外地形均做抬高處理，使其在計(jì)算中不過流。為反映模型內(nèi)計(jì)算區(qū)域的地形特點(diǎn)，對(duì)模型中的公路、鐵路等進(jìn)行了高程點(diǎn)加密，以確保網(wǎng)格剖分后高程的連續(xù)。

2.3 邊界條件

本次計(jì)算三岔河組合流量沿用《大遼河防洪工程初步設(shè)計(jì)》成果，典型年選取1960年。模型出口潮位參照《大遼河防洪工程初步設(shè)計(jì)》成果，選取歷年實(shí)測(cè)最高潮位3.2m為設(shè)計(jì)潮位。

2.4 計(jì)算參數(shù)

（1）計(jì)算時(shí)段及時(shí)間步長(zhǎng)

模型采用非恒定流方式計(jì)算，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)選為153h，時(shí)間步長(zhǎng)為30s。

（2）計(jì)算區(qū)域的曼寧值（糙率）

計(jì)算區(qū)域的曼寧值反映區(qū)域內(nèi)不同地物對(duì)水流的阻力作用，采用和地形網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的糙率網(wǎng)格。

本次水力計(jì)算參照《大遼河防洪工程初步設(shè)計(jì)》、《1995年洪水遼河、渾河、大遼河三河水面線驗(yàn)證》及《大遼河行洪能力分析與防汛特征水位確定》，結(jié)合現(xiàn)狀河道的地形、 地貌、河槽組成、水流條件等特性，并考慮近年來河段地貌、植被變化及清障等因素對(duì)糙率的影響，最終確定河道糙率。主槽糙率為0.012～0.025，灘地糙率為0.06～0.13。

（3）模型干濕條件

模型干濕度是為了模型在計(jì)算二維洪水演進(jìn)時(shí)判斷水流在網(wǎng)格間傳遞的兩個(gè)參數(shù)，低于“干水深”（dryingdepth）洪水不再演進(jìn)，高于“干水深”低于“洪水深”（floodingdepth）洪水演進(jìn)但不參與計(jì)算，高于“洪水深”洪水演進(jìn)且參與計(jì)算，此參數(shù)越大模型越穩(wěn)定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘對(duì)灘面組成的分析，本次計(jì)算“干水深”選用0.005m，“洪水深”選用0.05m。

2.5 計(jì)算方案

工程所在河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，本次對(duì)河段50年及100年一遇洪水頻率進(jìn)行計(jì)算，以分析相應(yīng)洪水頻率下該河段水力特性。水力計(jì)算成果見圖1～圖4。

圖1 天然情況河段5O年一遇水位計(jì)算成果圖

圖2 天然情況河段1OO年一遇水位計(jì)算成果圖

圖3 天然情況河段5O年一遇流速計(jì)算成果圖

圖4 天然情況河段1OO年一遇流速計(jì)算成果圖

3 跨河建筑物對(duì)水力特性影響分析

本河段屬蜿蜒型河道，灘地占河道行洪寬度較大，考慮本河段河道特性及跨河建筑物工程建設(shè)特點(diǎn)，本次阻水建筑物主要添加于河道兩側(cè)灘地之中，分別于計(jì)算河段右岸灘地及其下游左岸灘地添加阻水建筑物，右岸灘地添加阻水建筑物6座，左岸灘地添加阻水建筑物2座，阻水建筑物概化為矩形，尺寸為10m×10m，將阻水建筑物概化后添加于網(wǎng)格地形中使其整體不過流，概化后河段模型地形見圖5。

圖5 阻水建筑物概化后模型地形圖（紅色節(jié)點(diǎn)為添加阻水建筑物位置）

添加阻水建筑物后對(duì)該河段進(jìn)行二維水力計(jì)算，并與相同水力條件下天然河道水力計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比，成果見圖6～圖9。

圖6 工程修建前后5O年一遇水位差值對(duì)比圖

圖7 工程修建前后1OO年一遇水位差值對(duì)比圖

圖8 工程修建前后5O年一遇流速差值對(duì)比圖

圖9 工程修建前后1OO年一遇流速差值對(duì)比圖

工程修建前后河段水力特性差值對(duì)比分析見表1，由分析成果可見，新建阻水建筑物侵占河道行洪面積，會(huì)導(dǎo)致建筑物迎水側(cè)水位壅高，水位壅高值隨著距建筑物的距離的增加而逐漸減小，直至與現(xiàn)狀情況一致。建筑物背水側(cè)水位會(huì)降低，水位降低值隨著距建筑物距離的增加降低而逐漸減小。建筑物迎、背水側(cè)由于建筑物阻水流速會(huì)降低，相應(yīng)的建筑物兩側(cè)流速會(huì)增大，流速變化值隨著距建筑物距離增加而逐漸減小。

50年一遇洪水流量下，左岸灘地阻水建筑物位置天然情況下河道水位為4.75m，工程修建后水位為4.75m，右岸灘地阻水建筑物位置天然情況下河道水位為 5.65m，工程修建后河道水位為5.65m，壅水實(shí)際影響值為mm級(jí)，阻水建筑物最大壅水高度均小于0.01m，壅水最大影響范圍為150m，阻水建筑物的建設(shè)對(duì)河道水位影響不大，不會(huì)影響河道行洪。

100年一遇洪水流量下，左岸灘地阻水建筑物位置天然情況下河道左灘水位為5.86m，工程修建后水位為5.86m，右岸灘地阻水建筑物位置天然情況下河道水位為 6.74m，工程修建后水位為6.74m，壅水實(shí)際影響值仍為mm級(jí)，阻水建筑物最大壅水高度均小于0.01m，壅水最大影響范圍為200m，工程的修建對(duì)河道水位影響不大，壅水影響范圍同樣較小，不會(huì)影響河道行洪及堤防防洪安全。

阻水建筑物工程修建前后，河道流速大小變化不大，流速分布基本不變。建筑物附近由于工程阻擋，水流形態(tài)較天然情況復(fù)雜紊亂，建筑物迎流側(cè)和背流側(cè)由于阻水作用流速減小，建筑物兩側(cè)增加過流流速增大，但流速變化值均不大。50年一遇洪水條件下，左岸灘地阻水建筑物位置附近主槽最大流速2.2m/s，灘地最大流速0.61m/s，建筑物附近流速變化最大值0.08m/s。右岸灘地阻水建筑物位置附近主槽最大流速1.03m/s，灘地最大流速0.51m/s，建筑物附近流速變化最大值0.06m/s。垂直于流線方向流速最大影響范圍為200m。

100年一遇洪水流量下，左岸灘地阻水建筑物位置附近主槽最大流速2.45m/s，灘地最大流速0.73m/s，建筑物附近流速變化最大值0.13m/s。右岸灘地阻水建筑物位置附近主槽最大流速1.75m/s，灘地最大流速0.62m/s，建筑物附近流速變化最大值0.11m/s。垂直于流線方向流速最大影響范圍為350m。

表1 工程修建前后計(jì)算成果對(duì)比表

4 結(jié)論

經(jīng)以上分析可知，由于大遼河為沖積平原河流，河道比降較緩且灘地較寬，只要阻水建筑物修建于灘地之上，工程占河道行洪斷面較小且并未擠占河道主槽，阻水建筑物對(duì)河道水位及流速影響均相對(duì)較小，對(duì)該河段行洪能力影響較小，不會(huì)對(duì)河段行洪安全造成明顯不利影響。大遼河為蜿蜒型河段，本文所選河段河道水力特性與大遼河其他河段特性均較為相似，阻水建筑物對(duì)河道水力特性的影響對(duì)我國(guó)北方其他蜿蜒型中下游河段有相對(duì)普遍的參考價(jià)值。然而，不同跨河建筑物工程型式及特點(diǎn)不盡相同，模型中對(duì)相應(yīng)跨河建筑物概化方式及計(jì)算方法仍有待探討，需進(jìn)一步予以完善。

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2016-05-19

孫宇飛（1986年—），男，工程師。