□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(guò)程中因受分流比的影響，閘前河道水位部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，分洪口起始斷面水位會(huì)產(chǎn)生跌落，同時(shí)從分洪口至分洪閘前會(huì)產(chǎn)生水頭損失，通過(guò)綜合考慮分流比及分洪道水頭損失影響，對(duì)閘前堰上水深進(jìn)行計(jì)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?xiàng)椓智f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(shí)，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(kuò)建后王村分洪閘分流比相對(duì)較大，分洪過(guò)程趙王新河與分洪道交口起始斷面水位會(huì)產(chǎn)生跌落，同時(shí)從分洪口至分洪閘前會(huì)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(jì)算勢(shì)必會(huì)造成計(jì)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(duì)。

2.閘前堰上水深計(jì)算

2.1 一維分段求和法

2.1.1分洪道起始水深計(jì)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(kuò)建后王村分洪閘分流比40.3%，分流比相對(duì)較大，參照《取水輸水建筑物叢書(shū)—水閘》（中國(guó)水利水電出版社），閘上分洪道起始斷面水深計(jì)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(jì)成果取值。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)重現(xiàn)期為100年一遇洪水時(shí)，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(xiàn)計(jì)算

分洪閘上游至趙王新河右堤之間分洪道長(zhǎng)度約160m，參照《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版，中國(guó)水利水電出版社），分洪閘前堰上水深（計(jì)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(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：

ΔL1-2—分段長(zhǎng)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(jì)算的100年一遇分洪道水面線(xiàn)成果見(jiàn)表1。

表1 100年一遇分洪道水面線(xiàn)計(jì)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(shí)測(cè)地形圖，采用二維洪水演進(jìn)方法計(jì)算堰上水深，計(jì)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(jì)算范圍內(nèi)區(qū)域綜合糙率取0.03，采用MIKE21計(jì)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(jiàn)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(jì)算情況

根據(jù)“趙王新河治理工程”河道水面線(xiàn)計(jì)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(shí)和右堤為起推水位8.9m時(shí)的分洪閘閘前分洪道水面線(xiàn)。

2.2.3計(jì)算結(jié)果

情況一：以趙王新河左堤為起推水位8.9m時(shí)分洪道水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 趙王新河左堤為起推水位8.9m時(shí)分洪道水面線(xiàn)

情況二：以趙王新河右堤分洪口位置處為起推水位8.9m時(shí)分洪道水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 趙王新河右堤為起推水位8.9m時(shí)分洪道水面線(xiàn)

經(jīng)計(jì)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(jì)算結(jié)果比對(duì)

將上述一維與二維兩種方法得出的閘前分洪道水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分洪道水面線(xiàn)計(jì)算成果比對(duì)見(jiàn)表2。

通過(guò)上表比對(duì)結(jié)果可以看出，一維分段求和法計(jì)算結(jié)果比情況一計(jì)算結(jié)果略低0.7cm、比情況二計(jì)算結(jié)果略低6.6cm，情況一與一維分段求和法計(jì)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(jì)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(yùn)行調(diào)度相對(duì)復(fù)雜，在王村閘規(guī)模設(shè)計(jì)中采用一維分段求和法水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行閘孔總凈寬計(jì)算。

3.閘孔總凈寬計(jì)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(xiàn)計(jì)算結(jié)果，100年一遇王村分洪閘分洪流量2360m3/s時(shí)閘前堰上水深（計(jì)入行進(jìn)水頭）4.889m，閘下水深4.55m，過(guò)閘水流淹沒(méi)度為0.931，為高淹沒(méi)度出流，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）計(jì)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(jì)算時(shí)，計(jì)算所得閘孔總凈寬為184m。對(duì)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(jì)算總凈寬減小約12.8%，由此可見(jiàn)，分流比及分洪道水頭損失對(duì)分洪閘規(guī)模計(jì)算結(jié)果具有不可忽略的影響。

4.結(jié)論

分洪閘運(yùn)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(jì)算會(huì)造成計(jì)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(duì)閘前水位進(jìn)行推求，并采用二維數(shù)值模擬法對(duì)推求結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)分析，兩種方法計(jì)算結(jié)果相差不大，一維分段求和法閘前水位計(jì)算基于現(xiàn)行規(guī)范和水力計(jì)算手冊(cè)，在工程設(shè)計(jì)中較易于操作，推求結(jié)果在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，可為類(lèi)似工程提供參考?！?/p>