金子嵩

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

1 前言

大凌河是遼寧省境內(nèi)的一條主要河流，于盤山縣東郭鎮(zhèn)南井子村入渤海，河道全長(zhǎng)453 km。為攔蓄大凌河淡水，防止海水倒灌，為兩岸經(jīng)濟(jì)區(qū)提供水源，擬在大凌河河口附近修建一攔河防潮閘。攔河閘壅水分析多采用傳統(tǒng)閘堰淹沒(méi)公式進(jìn)行，但計(jì)算結(jié)果僅通過(guò)考慮閘堰的阻水面積、水頭損失等來(lái)計(jì)算單一斷面的水位壅高值，無(wú)法全面反映復(fù)雜工程不同位置具體的流場(chǎng)變化情況。入?？诟浇拥懒鲌?chǎng)通常受潮汐作用，建筑物對(duì)河道流態(tài)的影響需要用二維模型反映。二維水力計(jì)算模型可模擬河段平面流場(chǎng)及河床的細(xì)部變化情況，得到二維平面范圍內(nèi)各離散點(diǎn)的可視化計(jì)算結(jié)果[1]。為明確工程建設(shè)對(duì)河道水位、流速、流向等具體參數(shù)的影響大小及影響范圍，且工程位于入海口附近，為潮汐影響范圍，因此應(yīng)采用二維模型進(jìn)行計(jì)算。本文以該攔河防潮閘工程為例，建立適當(dāng)?shù)亩S水力計(jì)算模型，進(jìn)行攔河防潮閘對(duì)大凌河河口段河道水位、流速、流向等水力特性及行洪安全的影響分析。

2 工程概況

該攔河防潮閘為傳統(tǒng)平板閘，位于大凌河河口無(wú)堤段，距入?？? km。閘址處河道右岸緊鄰濱河公路，公路后多為耕地及葦田，左岸為耕地，河底較平坦，平均高程為-1.00 m，主河槽寬約90.00 m。本段河道兩岸較為平坦，屬無(wú)堤段，無(wú)規(guī)劃堤線。攔河防潮閘寬度與主河槽寬度一致，垂直主河槽布置，閘室總寬97.2 m。平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面布置圖

3 河道壅水計(jì)算

3.1 計(jì)算范圍

本工程位于大凌河凌海水文站以下，大凌河凌海水文站以下段受潮汐作用明顯，同時(shí)為準(zhǔn)確反映攔河防潮閘工程局部流態(tài)的變化，采用二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。為減小模型邊界選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本次計(jì)算范圍確定為凌海水文站到大凌河河口，河長(zhǎng)9.55 km。

3.2 計(jì)算方案

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2017)和《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 256-2016)的規(guī)定，結(jié)合本工程的具體特點(diǎn)，并類比其他工程，確定本工程規(guī)模為小(1)型，工程等別為IV等，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇[2]，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。本工程位于大凌河白石水庫(kù)以下農(nóng)村段，本河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

因此，本次水力計(jì)算大凌河計(jì)算頻率P需包括5%、2%。

3.3 計(jì)算方法

本項(xiàng)目計(jì)算采用由丹麥DHI水工所開(kāi)發(fā)的Mike21軟件的三角形網(wǎng)格水動(dòng)力模塊(HD模塊)[3]，該模塊在國(guó)內(nèi)外工程項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛，模塊計(jì)算成果得到大量驗(yàn)證，受到業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)同。

MIKE21軟件的水動(dòng)力學(xué)模塊(HD模塊)基于水流運(yùn)動(dòng)控制方程——淺水方程進(jìn)行計(jì)算[4]，離散方法為有限差分法，計(jì)算方法采用ADI(Alternating Direction Implicit)和DS(Double Sweep)格式。

垂向平均二維淺水方程：

(1)

(2)

(3)

質(zhì)量守恒方程：

(4)

動(dòng)量方程：

(5)

(6)

式中：h為水深；ζ為水面高程；p、q為x、y方向的單寬流量，其中p=uh，q=vh，u、v分別為x、y方向上沿水深的平均流速；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度；f為風(fēng)摩擦系數(shù)；V、Vx、Vy為風(fēng)速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω為柯氏力參數(shù)，s-1；Pa為大氣壓強(qiáng)，kg/(m/s2)；ρω為水的密度；S、Six、Siy為源匯項(xiàng)及在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

3.4 模型概化

本次水力計(jì)算采用的地形資料為：2019年實(shí)測(cè)工程附近1∶500地形圖、凌海水文站至河口河道大橫斷圖，及2019年谷歌衛(wèi)星底圖。

本模型由三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格構(gòu)成。網(wǎng)格按主槽和灘地分別進(jìn)行處理，由于本河段灘地主要為耕地、葦田、魚塘等，無(wú)村莊，地勢(shì)開(kāi)闊，故本次計(jì)算灘地網(wǎng)格尺寸在1500 m2～2000 m2之間，主槽網(wǎng)格尺寸在500 m2～1000 m2之間；為了更好地反映攔河防潮閘工程建設(shè)對(duì)河道流態(tài)的影響，將工程位置局部網(wǎng)格加密。

本次攔河防潮閘工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，洪水期阻水建筑主要包括7道閘室墻以及閘兩岸連接段填土。為盡可能準(zhǔn)確反映每道閘室墻及填土附近流場(chǎng)的變化，將閘室墻、閘兩岸填土均做不過(guò)水處理。概化后地形見(jiàn)圖2，攔河防潮閘處網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

圖2 概化后地形示意圖

圖3 攔河防潮閘處網(wǎng)格示意圖(圖中中間為閘室墻，兩側(cè)為填土)

圖4 P=5%條件下工程后水位影響范圍

圖5 P=2%條件下工程后水位影響范圍

3.5 邊界條件及水文

(1)起點(diǎn)水位。本次大凌河水力計(jì)算起點(diǎn)水位采用大凌河口相應(yīng)頻率設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線，起點(diǎn)水位成果見(jiàn)表1。

表1 大凌河口設(shè)計(jì)潮高

(2)水文條件。P=5%、2%條件下洪峰流量分別為11387 m3/s、11882 m3/s。

3.6 糙率確定

Mike21 FM模型在計(jì)算前，需要設(shè)定的糙率參數(shù)如下：計(jì)算區(qū)域的糙率用曼寧系數(shù)表示。大凌河屬于多沙河流，河床具有洪沖枯淤的特性，綜合考慮河道內(nèi)主槽及灘地內(nèi)植被、建筑物等情況，參照《水力計(jì)算手冊(cè)》中的“天然河道糙率”表[5]，并參考水文刊印本中實(shí)測(cè)糙率成果及凌海市下游以往所做的結(jié)果。綜合考慮后白石下游段主槽糙率主要在0.014～0.020之間，灘地糙率在0.025～0.04之間。

3.7 計(jì)算成果及分析

P=5%、2%條件下工程后水位影響范圍見(jiàn)圖4、圖5，流速影響范圍見(jiàn)圖6、圖7。P=2%條件下工程前后流場(chǎng)見(jiàn)圖8、圖9。

圖6 P=5%條件下工程后流速影響范圍

圖7 P=2%條件下工程后流速影響范圍

圖8 P=2%條件下工程前局部流場(chǎng)

圖9 P=2%條件下工程后局部流場(chǎng)

從圖4、圖5中可以看出，P=5%、2%條件下，攔河防潮閘位置局部水位壅高值均在0.05 m左右，攔河防潮閘的建設(shè)對(duì)水位的影響范圍大致到閘上游200 m以內(nèi)，影響范圍較小?？紤]到本段河道兩岸均為無(wú)堤段，設(shè)計(jì)洪水條件下過(guò)流寬度較大，因此水位壅高值及水位影響范圍均較小，即攔河防潮閘的建設(shè)對(duì)河道行洪影響較小。

從圖6～圖9中可以看出由于攔河防潮閘的建設(shè)導(dǎo)致上游局部水位壅高，流速較工程前減小，最多減小0.7 m/s左右，其中P=5%條件下流速影響范圍到工程位置上游300 m左右，P=2%條件下流速影響范圍到工程位置上游500 m左右，影響范圍較小。從流場(chǎng)圖中還可看出，受閘兩側(cè)翼墻及填土阻水作用的影響，水流在該處形成繞流，導(dǎo)致翼墻下游背水面局部流速減小。

4 結(jié)論

(1)大凌河河道中新建的攔河防潮閘對(duì)閘上游水位、流速的影響范圍較小，僅工程局部流場(chǎng)的水位、流速、流向變化較大，因此對(duì)其一定距離以外的河道行洪及水利工程正常運(yùn)行無(wú)影響。

(2)大凌河本段河道為平原型河道，灘槽分界不明顯，洪水期大量灘地參與過(guò)流。洪水期過(guò)流面積較大的情況下，該攔河防潮閘工程自身阻水面積較小，因此造成的壅水值及對(duì)河道流場(chǎng)的影響均較小，對(duì)河道行洪的影響亦較小。

(3)大凌河本段河道具有北方大部分入海河流的特性，攔河防潮閘也是常見(jiàn)于入海河流的建筑物，本次水力計(jì)算模型的選取、建立以及對(duì)河流水力特性及行洪安全的影響分析對(duì)類似工程有較為普遍的參考價(jià)值。