張文峰，李西平，黃紹磊，李 璐

（1.河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州450016；2.河南省水利勘測設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)，河南鄭州450016）

1 工程概況

鲇魚山灌區(qū)取水樞紐位于河南省商城縣鲇魚山水庫大壩下游4 km的灌河河道上，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積9.53萬hm2?，F(xiàn)狀渠首由進(jìn)水閘、沖沙閘、溢流壩（堰）等建筑物組成。進(jìn)水閘最大流量為119.2 m3／s，沖沙閘最大流量為728 m3／s，溢流壩原規(guī)劃最大輸水流量為3 940 m3／s。鲇魚山灌區(qū)取水樞紐運(yùn)行40 a來，為灌區(qū)提供了充足水源，促進(jìn)了灌區(qū)耕作制度和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速增長。但受當(dāng)時(shí)社會(huì)發(fā)展水平制約，原設(shè)計(jì)閘墩、底板配筋不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2 原設(shè)計(jì)方案的問題

鲇魚山灌區(qū)取水樞紐1970年開始動(dòng)工，1976年正式建成。查閱當(dāng)年竣工資料，其進(jìn)水閘、沖沙閘中墩和底板配筋均為Φ16＠300，滿足當(dāng)時(shí)規(guī)范［1］中受拉、偏心受壓構(gòu)件的受拉鋼筋最小配筋率（0.15%）的要求，但按照當(dāng)前有效規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL／T 191—2008）［2］，受拉、偏心受壓構(gòu)件的受拉鋼筋最小配筋率為0.2%，相應(yīng)該工程中墩配筋應(yīng)為Φ20＠200，底板配筋應(yīng)為Φ25＠200。因此，原設(shè)計(jì)閘墩、底板配筋不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

其壅水計(jì)算采用天然河道一維恒定非均勻流方法，起推水位為溢流壩前水位，5 a一遇設(shè)計(jì)洪水位為78.2 m，依據(jù)最新實(shí)測河道資料，經(jīng)過計(jì)算，5 a一遇洪水對應(yīng)淹沒點(diǎn)水位為79.34 m，而淹沒點(diǎn)岸邊高程僅為78.4 m，當(dāng)發(fā)生小頻率洪水時(shí)，易發(fā)生回水倒灌，發(fā)生漫溢。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，當(dāng)發(fā)生5 a一遇洪水時(shí)，淹沒面積約2.8 km2，受災(zāi)人口500余人、房屋700多間，連接鲇魚山水庫管理所與商城縣縣城的公路亦將遭受淹沒，影響水庫運(yùn)行管理、調(diào)度和周圍百姓正常生活。

鑒于原設(shè)計(jì)的問題，2017年河南省水利廳組織有關(guān)專家對其進(jìn)行了安全鑒定，基于河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司的《鲇魚山灌區(qū)取水閘樞紐工程安全評價(jià)報(bào)告》及安全鑒定結(jié)論，本文對其除險(xiǎn)加固后渠首的輸水能力進(jìn)行了研究。

3 除險(xiǎn)加固方案

鲇魚山灌區(qū)取水樞紐工程主要技術(shù)參數(shù)不能滿足規(guī)范要求，安全等級為C級，依據(jù)《水閘安全評價(jià)導(dǎo)則》安全類別評定標(biāo)準(zhǔn)，渠首樞紐閘鑒定為四類閘，需報(bào)廢重建［3］。

由于原渠首布置合理，建成之后各個(gè)建筑物過流能力正常［4］，因此除險(xiǎn)加固的思路是：原平面布置不變，對進(jìn)水閘、沖沙閘進(jìn)行拆除重建；為解決發(fā)生低頻率洪水時(shí)出現(xiàn)回水倒灌的問題，新建左岸泄洪閘；同時(shí)新建檢修交通橋。

除險(xiǎn)加固渠首平面布置見圖1。

圖1 灌區(qū)除險(xiǎn)加固渠首平面布置

該灌區(qū)溢流壩結(jié)構(gòu)安全鑒定為B級，需進(jìn)行裂縫處理，堰頂高程為77.47 m，上游設(shè)計(jì)水位為 81.92 m，堰前水深為4.45 m（見圖2）。新建檢修橋距溢流壩上游12 m，橋?qū)? m，橋梁跨度20 m，即每兩節(jié)溢流壩分縫處設(shè)置一個(gè)橋墩，下部橋墩為圓形結(jié)構(gòu)，直徑1 m。所建的橋梁連接樞紐左右岸，為方便兩岸連接及減小其對建筑物結(jié)構(gòu)和過流的影響，所建橋梁在樞紐右岸溢流壩與沖沙閘交界處設(shè)一折線，其折線在裹頭處完成。

圖2 溢流壩斷面

新修檢修橋距離堰前12 m，約為堰頂水頭的2.68倍，不滿足距上游堰壁3～4倍堰前水頭的要求［5］。在堰前水頭影響范圍內(nèi)建設(shè)橋梁對溢流壩輸水能力的影響目前少有研究，有必要進(jìn)行深入分析。

4 輸水能力計(jì)算分析

鲇魚山灌區(qū)溢流壩的堰前水頭不包括行近流速水頭［5］。根據(jù)該溢流壩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，堰頂寬度δ為3.2 m，設(shè)計(jì)堰頂水頭 H 為 4.45 m，δ／H＝0.72，0.67＜δ／H＜2.5，結(jié)合設(shè)計(jì)形態(tài)（圖2），可判別其為曲線形實(shí)用堰。雖然曲線形實(shí)用堰的輸水能力計(jì)算有常規(guī)的理論計(jì)算公式，但常規(guī)理論計(jì)算要求的邊界條件一般很難保證。根據(jù)鲇魚山灌區(qū)取水樞紐新修檢修橋后的情況，對其輸水能力計(jì)算采用了常規(guī)水力計(jì)算、非均勻流計(jì)算、水動(dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算3種方法，以便相互對比、驗(yàn)證。

4.1 常規(guī)水力計(jì)算

檢修橋設(shè)在溢流壩上游，結(jié)合該工程實(shí)際情況，根據(jù)堰頂寬度和最大輸水能力對應(yīng)的堰前水深，溢流壩流態(tài)為實(shí)用堰流態(tài)，輸水能力按照《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式［6］計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，建橋前溢流壩實(shí)際最大輸水流量為4 241 m3／s；將橋梁建在溢流壩上后，溢流壩最大輸水流量為3 816 m3／s。

4.2 非均勻流計(jì)算

首先按天然河道為非均勻流計(jì)算上游橋梁阻水引起的水位落差，然后根據(jù)水位降落后的數(shù)值，按溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的公式計(jì)算溢流壩輸水能力。計(jì)算得到溢流壩最大輸水流量為4 100 m3／s，比建橋前的（實(shí)際最大輸水流量4 241 m3／s）略小。

4.3 水動(dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算

溢洪道水流問題和水利樞紐的水流問題，常需制作水力模型進(jìn)行研究［7］，這是解決復(fù)雜工程課題的重要手段。但模型試驗(yàn)一般難以滿足全部相似條件，且模型制作成本高，時(shí)間周期長。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，許多模型試驗(yàn)可以采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來替代，采用數(shù)值模型是對傳統(tǒng)物理模型的豐富和補(bǔ)充，同時(shí)可大大提高效率、降低成本。筆者采用數(shù)值模擬方法對建橋后的溢流壩水力特性進(jìn)行了研究。

4.3.1 基本控制方程

基本控制方程［8］為連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和k-ε方程。

連續(xù)性方程為

式中： xi為坐標(biāo)分量（ i＝ 1，2，3）；ui為速度分量。

動(dòng)量守恒方程為

式中：uj為流體的速度分量；t為時(shí)間；P為平均壓力；ρ為水的密度；ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度；Fi為作用于單位質(zhì)量水體的體積力。

k-ε方程如下：

式中：k為紊動(dòng)能；μ為黏性系數(shù)；xj為坐標(biāo)分量；ε為耗散率；σk、σε為湍動(dòng)能和耗散率下普朗特?cái)?shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對總耗散率的影響；Sk、Sε為用戶定義的源項(xiàng)；μt為湍流黏度； C1ε、 C2ε、 C3ε為模型常數(shù)。

4.3.2 計(jì)算方法

計(jì)算方法采用當(dāng)前水力學(xué)應(yīng)用較為廣泛的有限體積法，該方法是求解不可壓縮、黏性、瞬變和具有自由面流動(dòng)的流體特性的一種數(shù)值方法。計(jì)算時(shí)對每一相引入體積分?jǐn)?shù)變量αq，通過求解每一控制單元內(nèi)體積分?jǐn)?shù)值確定相間界面。

計(jì)算中所有控制單元表面體積通量的計(jì)算采用隱式差分格式，即

式中：n+1為當(dāng)前時(shí)間步指示因子，n為前一時(shí)間步指示因子；t為時(shí)間；αq.f為單元表面第q相體積分?jǐn)?shù)計(jì)算值；V為控制單元體積；Uf為控制單元表面體積通量。

離散格式采用二階迎風(fēng)格式，壓力 -速度耦合采用壓力校正法，時(shí)間差分采用全隱格式。

4.3.3 計(jì)算區(qū)域、邊界及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域包括上游河道（長170m，距壩軸線170m斷面為模型上游邊界）、溢流壩、沖沙閘、進(jìn)水閘、消力池、海漫、防沖槽、下游河道（長200m，距壩軸線200m斷面為下游邊界），分為建橋前和建橋后兩種模擬工況，建橋前計(jì)算模型見圖3。根據(jù)工程實(shí)際，分析了多種水位組合后確定以對工程防洪作用意義較大的設(shè)計(jì)水位為典型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)上游水位為 81.92m，相應(yīng)下游水位為79.0m，河道和建筑物邊界采用無滑移邊界。

圖3 建橋前計(jì)算模型

由于該工程在空間上相對比較規(guī)則，網(wǎng)格劃分選擇一般結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，上、下游河道和建筑物均采用立方體網(wǎng)格，溢流壩、水閘網(wǎng)格長度為0.25m，上、下游河道網(wǎng)格長度為1m，網(wǎng)格總數(shù)約1170萬個(gè)。

4.3.4 水力模擬輸出結(jié)果

本次數(shù)值模擬采用的是整體水利樞紐模型，可以得出各個(gè)建筑物在不同重現(xiàn)期時(shí)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，其中50a一遇洪水時(shí)各建筑物數(shù)值模擬輸水能力見表1。

表1 各建筑物數(shù)值模擬輸水能力對比

由表1可知，雖然建橋后各個(gè)建筑物輸水能力有不同程度的衰減，但衰減率均小于3%，因此仍能滿足原設(shè)計(jì)過流能力要求。

5 綜合分析

將溢流壩公式計(jì)算、非均勻流計(jì)算以及數(shù)值模擬計(jì)算輸水能力進(jìn)行對比分析，見表2。

表2 溢流壩公式計(jì)算、非均勻流計(jì)算及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對比

常規(guī)水力計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于所得數(shù)值具有普遍性，但該工程溢流壩輸水流量常規(guī)水力計(jì)算值是在假設(shè)將橋梁修建在溢流壩上計(jì)算的，其結(jié)果只能作為對其他計(jì)算方法的參考。

按非均勻流計(jì)算溢流壩輸水能力時(shí)，其堰上水頭來源有理論依據(jù)，但其水頭不能滿足一般堰流計(jì)算的要求，尚缺少理論支撐，其結(jié)果亦只能作為參考。

水動(dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算相當(dāng)于采用數(shù)值方法進(jìn)行了一次模擬試驗(yàn)，計(jì)算區(qū)域相對較大，邊界條件與實(shí)際情況更為接近。數(shù)值模擬結(jié)果大于公式計(jì)算結(jié)果、小于非均勻流計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為將其作為設(shè)計(jì)依據(jù)更加合理。

根據(jù)已建好的數(shù)值模型及其邊界條件，繼續(xù)研究了在溢流壩上游不同位置（0、4、8、12m）建橋時(shí)對溢流壩輸水能力的影響，結(jié)果見表3。

可見，在溢流壩上游0m建橋時(shí)，橋墩減小了過流面積，輸水流量變化較大；在溢流壩上游4、8、12m建橋時(shí)，對輸水流量的影響逐漸減弱，在溢流壩前12m建橋?qū)σ缌鲏芜^流能力的影響最小。

表3 不同橋位下溢流壩過流能力數(shù)值模擬結(jié)果

6 結(jié) 語

鲇魚山灌區(qū)取水樞紐原設(shè)計(jì)閘墩、底板配筋不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，當(dāng)發(fā)生小頻率洪水時(shí)，易發(fā)生回水倒灌，淹沒樞紐上游2.6 km處河道右岸地勢較低的農(nóng)田、道路，樞紐建筑物之間缺少檢修維護(hù)交通橋。除險(xiǎn)加固選擇對進(jìn)水閘、沖沙閘進(jìn)行拆除重建，為解決發(fā)生低頻率洪水時(shí)出現(xiàn)回水倒灌的問題，提出了新建左岸泄洪閘，同時(shí)新建檢修交通橋。根據(jù)鲇魚山灌區(qū)渠首樞紐除險(xiǎn)加固的實(shí)際情況，對樞紐建筑物輸水能力進(jìn)行了研究。分析表明：雖然建橋后各個(gè)建筑物的輸水能力都有不同程度的衰減，但衰減率均小于3%，因此仍能滿足原規(guī)劃過流能力要求；在溢流壩前12 m位置建橋?qū)Υ笮凸鄥^(qū)樞紐溢流壩的過流能力影響最小。