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        黃河入東平湖分洪通道工程底寬研究

        2020-12-22 07:45:06侯龍?zhí)?/span>譚樂(lè)彥
        山東水利 2020年11期
        關(guān)鍵詞:分洪湖區(qū)寬度

        侯龍?zhí)?,譚樂(lè)彥

        (山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東 濟(jì)南 250014)

        東平湖是黃河下游重要的蓄滯洪區(qū),黃河分洪入湖通道工程,擬在老湖區(qū)分洪閘與金山壩之間新辟規(guī)模為3 500 m3/s 的分洪道,以解決現(xiàn)狀分洪必淹戴廟鎮(zhèn)的問(wèn)題。為科學(xué)合理地確定分洪道寬度,使其滿(mǎn)足黃河分洪入湖要求,又少占用耕地,本次構(gòu)建了平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對(duì)不同底寬的分洪道流態(tài)進(jìn)行模擬,得出在老湖區(qū)不同水位條件下,不影響黃河分洪入湖的理論最小寬度,為分洪道左堤線(xiàn)路布置提供依據(jù)。

        1 基本情況

        分洪通道長(zhǎng)約7 km,南側(cè)利用現(xiàn)有二級(jí)湖堤。北側(cè)新筑堤防,在十里堡分洪閘下游頂沖位置設(shè)置反弧段,引導(dǎo)水流折向西南,與林辛閘分洪水流匯合。匯合點(diǎn)以下左堤與二級(jí)湖堤基本一致。在彎道較多的地方,將堤線(xiàn)適當(dāng)平順。

        林辛分洪閘和十里堡分洪閘為黃河向東平湖老湖區(qū)分洪的進(jìn)湖閘,建于河湖兩用堤上,側(cè)向分洪[1]。其中:林辛分洪閘,15 孔,每孔凈寬 6 m,設(shè)計(jì)分洪流量1 500 m3/s;十里堡分洪閘,10 孔,每孔凈寬9.7 m,設(shè)計(jì)分洪流量2 000 m3/s。分洪閘設(shè)計(jì)分洪水位均為51.00 m,為滿(mǎn)足分洪流量要求,兩座分洪閘閘后洪水位應(yīng)不高于50.90 m。

        為提高雨洪水利用率,緩解山東水資源供需矛盾,擬提高東平湖設(shè)計(jì)洪水位至46.5 m。為避免分洪道內(nèi)常年蓄水增加兩岸浸沒(méi),同時(shí)不改變林辛、十里堡下游運(yùn)行條件,在分洪道穿金山壩處設(shè)金山進(jìn)洪閘。設(shè)計(jì)流量3 500 m3/s,共19 孔,單孔凈寬16.0 m。

        2 模型構(gòu)建

        分洪道水面寬度遠(yuǎn)大于水深,流速沿水深方向變化不大,本次采用沿垂向平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型MIKE 21 進(jìn)行模擬分析。模擬范圍以黃河右堤、二級(jí)湖堤、金山壩、規(guī)劃分洪道左堤為界,模擬區(qū)域長(zhǎng)6.5 km,寬約1 km。

        2.1 地物處理

        規(guī)劃分洪道范圍內(nèi),現(xiàn)狀有十里堡、林辛莊、孫莊、西戴廟等多個(gè)村莊。黃河入湖分洪道工程實(shí)施后,將對(duì)分洪道內(nèi)村莊進(jìn)行搬遷,對(duì)阻水房屋、村臺(tái)等建筑物清除、平整。在模型中,對(duì)上述阻水建筑網(wǎng)格高程進(jìn)行修正。

        2.2 糙率

        由于分洪道啟用幾率較小,難免有作物耕作現(xiàn)象存在,本次參考《水力計(jì)算手冊(cè)》“汛期灘地漫流”中“已熟成行莊稼”對(duì)應(yīng)的糙率,即0.025~0.045[2],模型中選用中間值0.035。

        2.3 邊界設(shè)置

        以金山壩進(jìn)洪閘為模型下邊界,設(shè)置為水位邊界,選取不同的東平湖特征水位進(jìn)行計(jì)算。將十里堡分洪閘、林辛分洪閘設(shè)置為模型上邊界,以?xún)砷l設(shè)計(jì)流量作為給定分洪流量。

        2.4 計(jì)算方案

        對(duì)老湖區(qū)不同特征水位、不同分洪道底寬進(jìn)行組合,得到各計(jì)算方案。

        1)選取的老湖區(qū)特征水位如下:增容后最高防洪運(yùn)用水位為46.5 m?,F(xiàn)狀最高防洪運(yùn)用水位為46.0 m;考慮大汶河中小洪水與黃河洪水遭遇時(shí)的湖水位為44.5 m。

        2)分洪道寬度。從底寬400 m 起算,若計(jì)算的分洪閘閘下水位低于50.8 m,便認(rèn)為不影響分洪閘分洪。隨后將分洪道寬度減小,再次計(jì)算,直至計(jì)算出滿(mǎn)足分洪要求且流速適當(dāng)?shù)淖钚挾取_x取的分洪道底寬分別為400 m、300 m、250 m、200 m、235 m。

        3 計(jì)算成果及分析

        3.1 老湖區(qū)增容后最高防洪運(yùn)用水位

        3.1.1 分洪道設(shè)計(jì)底寬250 m

        1)水位。該方案情況下,分洪道最高水位出現(xiàn)在十里堡分洪閘下游頂沖回流區(qū),為50.64 m。兩股水流匯合點(diǎn)上游,水面比降較緩,接近平坡。匯合點(diǎn)以下至金山壩分洪閘上游0.8 km 處,水面比降約為1/1800;金山閘上游0.8 km 至入湖口,比降增大為1/600。

        2)流速分布。該方案分洪水流匯合點(diǎn)下游平均流速約2.18 m/s。最大流速出現(xiàn)在金山壩入湖閘上游附近,達(dá)3.40 m/s;十里堡分洪閘出口附近流速次之,接近2.75 m/s。分洪水流匯合點(diǎn)上游1 km 范圍內(nèi),流速較低,平均為0.75 m/s。

        3)分洪閘出流條件分析。十里堡分洪閘、林辛閘閘下水位分別為50.47 m、50.46 m,低于50.80 m 的安全出流水位,出流條件良好,不影響兩分洪閘運(yùn)用。分洪道底寬尚有一定的束窄空間。

        3.1.2 分洪道不同設(shè)計(jì)底寬計(jì)算成果匯總

        老湖區(qū)水位為增容后的最高防洪運(yùn)用水位46.5 m 時(shí),不同設(shè)計(jì)底寬對(duì)應(yīng)的分洪道最高水位、平均流速、最大流速、閘下水位見(jiàn)表1,各設(shè)計(jì)底寬水面線(xiàn)成果見(jiàn)圖1。

        從表1 可以看出,當(dāng)分洪道設(shè)計(jì)底寬400 m時(shí),分洪道最高水位48.86 m,分洪水流匯合點(diǎn)下游平均流速1.8 m/s,十里堡進(jìn)洪閘與林辛閘閘下水位分別為48.85 m、48.66 m,低于50.80 m 的安全出流水位,不影響分洪。

        表1 計(jì)算成果匯總表(老湖區(qū)水位46.5 m)

        圖1 不同設(shè)計(jì)底寬水面線(xiàn)對(duì)比

        隨著分洪道寬度縮窄,分洪道最高水位增加,平均流速增大。當(dāng)分洪道設(shè)計(jì)底寬減小到235 m 時(shí),最高水位50.83 m,下游平均流速2.20 m/s,十里堡進(jìn)洪閘與林辛閘閘下水位分別為50.75 m、50.76 m,接近50.80 m 的安全出流水位,不影響兩分洪閘運(yùn)用。

        當(dāng)分洪道底寬為230 m 時(shí),相應(yīng)的十里堡分洪閘、林辛閘閘下水位分別為50.92 m、50.93 m,高于50.80 m 的安全出流水位,不滿(mǎn)足分洪要求。因此,在最不利條件下,即東平湖水位為增容后的最高防洪運(yùn)用水位46.5 m 時(shí),不影響黃河分洪入湖的分洪道最小寬度理論值為235 m,對(duì)應(yīng)的工程永久占地260 hm2。

        3.2 老湖區(qū)不同起推水位計(jì)算成果匯總

        老湖區(qū)不同起推水位情況下,不同分洪道設(shè)計(jì)底寬對(duì)應(yīng)的分洪道最高水位、平均流速、分洪閘閘下水位等成果見(jiàn)表2。

        從表2 可以看出,當(dāng)老湖區(qū)水位為增容后的最高防洪運(yùn)用水位46.5 m(最不利情況)時(shí),不影響黃河分洪3 500 m3/s 入老湖區(qū)的分洪道最小寬度為235 m。

        若老湖區(qū)水位低于46.5 m,在235 m 的設(shè)計(jì)底寬下,老湖區(qū)不同水位時(shí),分洪道均可滿(mǎn)足黃河分洪入湖要求,但分洪道的平均流速有一定區(qū)別,表現(xiàn)為老湖區(qū)水位越低,分洪道流速越大,其中,老湖區(qū)為汛限水位42.0 m 時(shí),分洪道平均流速為2.37 m/s。

        表2 計(jì)算成果匯總表

        4 結(jié)論與建議

        本次采用二維水流數(shù)學(xué)模型,對(duì)老湖區(qū)不同水位條件下,滿(mǎn)足黃河分洪3 500 m3/s 入東平湖的分洪道最小理論寬度進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)分析,在老湖區(qū)達(dá)到增容后的最高防洪運(yùn)用水位時(shí),不影響黃河入湖分洪閘正常運(yùn)用的分洪道寬度為235 m。

        通過(guò)模擬結(jié)果還可以看出,分洪道底寬235 m時(shí),不同起推水位對(duì)應(yīng)的分洪道平均流速達(dá)2.2~2.39 m/s,局部流速超過(guò)3.0 m/s。因此,在進(jìn)行分洪道工程設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分重視工程防沖問(wèn)題。

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