李 卿，白 超

(遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

湄潭縣城老城區(qū)香樹灣大橋至湄江中學攔河壩一帶公路、橋梁、居民小區(qū)及相應(yīng)生活配套設(shè)施均沿湄江及兩岸依江而建，湄江老城區(qū)河段的行洪能力有限，且不宜采取河道拓寬及加高防洪墻的措施來解決縣城防洪問題?！顿F州省湄潭縣縣城防洪規(guī)劃(修編)報告(2016-2030)》中針對湄潭縣城防洪存在的問題，提出了“上蓄、中分、下疏”的措施；在上蓄措施和下游疏排措施均未按規(guī)劃實施的情況下，湄江老城區(qū)河段安全行洪流量約700 m3/s，而采取上蓄措施后該河段50 a一遇洪水流量約為1 200 m3/s(區(qū)間流量)；所謂“中分”，即在湄潭縣城上游河段合適的位置修建分洪工程，從湄江干流上分走老城區(qū)河段天然河道行洪能力所余的洪水流量，使老城區(qū)河段現(xiàn)狀行洪能力滿足50 a一遇的洪水標準而采取的工程措施。該工程實施后，近期2020年老城區(qū)河段的防洪標準將達到20 a一遇，屆時在發(fā)生不超過20 a一遇的洪水時將免遭洪水侵襲，對保障老城區(qū)防洪區(qū)域內(nèi)國民經(jīng)濟可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有積極的作用；遠期2030年在湄潭縣城防洪體系中“上蓄(湄江水庫加高擴建工程)”、“下疏”等措施完成后，使湄潭縣城防洪標準提高到50年一遇。結(jié)合上蓄水庫蓄洪削峰后50年一遇洪水安全流量與縣城老城區(qū)河段行洪能力，分洪工程過洪流量需達500 m3/s，才能保證老城區(qū)河段安全行洪。該分洪工程所處位置為縣城規(guī)劃城區(qū)，土地資源寶貴，在滿足分洪渠過流能力的前提下，對分洪方案的優(yōu)化顯得尤為重要。

2 原分洪方案

分洪工程進口位于湄潭縣城規(guī)劃城區(qū)上游的黨家灣附近，進口處湄江干流流域面積860 km2，進口處河床高程751.00～754.30 m，分洪工程出口位于湄潭城區(qū)的楓香灣大橋處，該斷面湄江流域面積950 km2，出口處河床高程751.30 m，主河道河長79.3 km，主河道比降2.13‰，多年平均流量14.8 m3/s。分洪渠全長2 060 m，自黨家灣接出后沿線穿過362縣道后沿362縣道左邊，途經(jīng)變電站、楊柳湖、湄水河至楓香灣大橋接入湄江。湄水河為湄江支流，于縣城萬壽宮附近匯入湄江，流域面積74.9 km2，主河道河長23.5 km，經(jīng)水文計算，其50 a一遇洪峰流量為240 m3/s，湄水河與分洪渠匯合處河床高程753.70 m。楊柳湖位于湄水河北面，湄江老城區(qū)段的東南側(cè)，湖底高程756.60～759.00 m，水域面積約70畝。

根據(jù)縣城防洪規(guī)劃提出的分洪流量和老城區(qū)能夠安全通過的流量，結(jié)合本工程的地形條件，在充分考慮既能分洪，又能兼顧楊柳湖水面景觀需求的前提下，分洪方案采用通過在分洪口下游側(cè)湄江河上修建節(jié)制閘調(diào)節(jié)分洪渠進口水位和控制湄江下泄流量，減小分洪渠斷面，并在楊柳湖處設(shè)置控制閘。分洪時提前將湄江河節(jié)制閘開啟到最大安全下泄流量開度，分洪渠分洪閘全開，確保洪水順利通過。該方案采用不攔斷河流的布置方式，節(jié)制閘壩固定段壩長為75.0 m，壩頂寬3 m。根據(jù)壩基地質(zhì)情況，確定建基面高程為750.00 m，最大壩高12.0 m，閘壩上游側(cè)設(shè)齒槽嵌入基巖強風化線以下，嵌深1.0 m。閘壩兩端為非溢流壩段，非溢流壩段長14.0 m，頂寬3.0 m。節(jié)制制閘壩中部為溢流壩段，總長61.0 m，溢流堰為折線型實用堰，堰頂高程756.00 m，溢流凈寬50.0 m，設(shè)5扇10 m×4 m的平面工作閘門，采用柱塞式液壓式啟閉機啟閉。閘墩長8.0 m，中墩厚2.0 m，邊墩厚為1.5 m，其上工作閘門下游側(cè)布置3.0 m寬工作橋連接左右非溢流壩段。為減小汛期洪水對兩岸的沖刷影響，護坦兩側(cè)均設(shè)C30砼邊墻進行防護，邊墻頂寬1.5 m。

3 水工模型試驗

3.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

整體模型試驗設(shè)計、模型制作安裝、測試儀器和測試方法等按照《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》(SL155-2013)要求執(zhí)行，在河道和分洪渠典型斷面布置了水位測點，用于測量和控制分洪渠水位。

3.2 節(jié)制閘流量率定

根據(jù)本次對分洪工程出口處下游河段的湄江干流河段進行勘察測量，該河段洪水位主要受分洪工程出口下游約510 m處的象山大橋控制。經(jīng)在其上游附近選取控制斷面，根據(jù)象山大橋水位流量關(guān)系反推計算，當上游來流量為1 230 m3/s時，下游斷面控制水位為757.48 m。

試驗中分洪渠不行洪，僅由節(jié)制閘過水。下游水位控制斷面的水位為757.48 m，下游湄水河來流量為240 m3/s。通過調(diào)節(jié)上游流量大小，用水準儀測定節(jié)制閘上下游斷面水深進行節(jié)制閘流量的率定。分洪節(jié)制閘為平底閘，對于下游水位較高的平底閘，過閘水流仍可采用寬頂堰計算，也可采用過閘面積與過閘流速的乘積計算，而過閘流速應(yīng)為上、下游水位差的勢能轉(zhuǎn)化為動能所產(chǎn)生。因此有

(1)

式中：Q為洪峰流量(m2/s)；A為閘室過流斷面面積(m2)；v為流速(m/s)；B為閘寬(m)；φ為流速系數(shù)；H為堰上水頭(m)；ηH為下游水頭；

堰流公式中的H0以堰上水頭H代替，并忽略過閘水流的能量損失，得

(2)

上式即為淹沒度較大時的平底閘流量系數(shù)。平底堰在較大淹沒度時的流量系數(shù)計算結(jié)果如表1所示。

m0為根據(jù)節(jié)制閘全開過不同流量時，所率定的流量系數(shù)，計算公式如下：

(3)

表1 試驗測量節(jié)制閘的流量系數(shù)

3.3 分洪渠過流能力試驗

為了確定分洪渠自身的行洪能力，試驗中節(jié)制閘不過流，僅通過分洪渠行洪。試驗中節(jié)制閘全關(guān)，調(diào)節(jié)上游不同來流量，下游湄水河來流240 m3/s，下游控制斷面水位757.48 m進行試驗。

表2 上游不同來流量時進口水位

節(jié)制閘的正常蓄水位760.00 m，設(shè)計洪水位759.91 m(P=3.33%)、760.30 m(P=2.0%)；校核洪水位760.73 m(P=1.0%)，節(jié)制閘墩頂高程762.00 m。上述試驗可知(見表2)，當上游來流量為312 m3/s時，閘墩處水位為761.30 m，已經(jīng)超過校核洪水位，所以當節(jié)制閘不過流時，分洪渠最大過流量為312 m3/s，不滿足設(shè)計過流量500 m3/s的要求。試驗中分洪渠進口上游附近水流行進流速很小，分洪渠上游進口段出現(xiàn)水面較大的起伏跌落，故需對分洪渠進口體型進行修改。擬將分洪渠進口右岸進行拓寬，右岸圓弧段半徑由50 m為120 m。圖1和圖2分別為分洪渠修改前后的進口平面圖。

圖1 分洪渠進口平面圖 圖2 分洪渠進口體型修改平面圖

3.4 分洪渠進口體型修改后的過流能力

修改體型后，試驗中節(jié)制閘不過流，僅通過分洪渠行洪。試驗中節(jié)制閘全關(guān)，下游湄水河來流240 m3/s，下游控制斷面水位757.48 m，調(diào)節(jié)上游來流量進行試驗。當上游來流量為325 m3/s時，分洪渠道內(nèi)水位平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的水位起伏跌落，但閘墩處水位為761.45 m，超過校核洪水位，故分洪渠最大過流量為325 m3/s，不滿足設(shè)計過流量500 m3/s的要求。

3.5 節(jié)制閘全開，分洪渠過流

試驗中將節(jié)制閘全開，下游湄水河來流240 m3/s，下游控制斷面水位757.48 m，當上游來流量控制在1 178 m3/s，閘門全開，分洪渠過流，進行試驗。

當上游來流為1 178 m3/s流量時，實測上游F1左、右岸水位高程分別為761.03 m、761.03 m。節(jié)制閘閘墩處左、右岸水位為761.10 m、761.09 m。通過節(jié)制閘流量率定可知流量系數(shù)m取0.35(表1)，閘孔寬10 m，堰上水頭H為5.095 m，根據(jù)流量公式：

(4)

計算的Q節(jié)制閘=891 m3/s，此時分洪渠過流Q分洪渠=Q-Q節(jié)制閘=287 m3/s，不滿足設(shè)計過流量500 m3/s的要求。

當上游來流為1 230 m3/s流量時，實測上游F1左、右岸水位高程分別為761.45 m、761.50 m。節(jié)制閘進口斷面左、右岸水位為761.15 m、761.05 m。通過節(jié)制閘流量率定可知流量系數(shù)m取0.35，閘孔寬10 m，堰上水頭H為5.1 m，根據(jù)流量公式：

(5)

計算的Q控制閘=892.3 m3/s，此時分洪渠過流Q分洪渠=Q-Q控制閘=338 m3/s，不滿足設(shè)計過流量500 m3/s的要求。

3.6 分洪渠底寬增加后的過流能力

分洪渠進口體型修改后，從進口附近河道到下游出口水面無明顯跌落，但最大過流能力為338 m3/s，小于設(shè)計要求的500 m3/s。由于下游出口附近的水位較高，分洪渠進出口的水位落差很小，若想增大其過流能力，分洪渠挖深只能略微增大其過流能力。因此，只有加大分洪渠的寬度，才能增加其過流能力。經(jīng)過初步估算，分洪渠底部寬度由15 m增加到20 m，保持兩岸坡度和渠道頂部高程不變。當上游來流量控制在1 230 m3/s，節(jié)制閘全開，下游湄水河流量240 m3/s，下游控制斷面水位757.48 m，測得分洪渠水面高程。分洪渠F1點斷面左、右岸的水面高程分別為760.8 m、761.0 m，節(jié)制閘進口左、右岸的水面高程分別為760.3 m、760.4 m，此時節(jié)制閘的流量為703 m3/s，分洪渠的過流量為527 m3/s，大于500 m3/s。通過觀察分洪渠泄放527 m3/s流量時各部位水流流態(tài)。分洪渠內(nèi)水面沿程緩慢降落，渠內(nèi)有平面轉(zhuǎn)彎引起的沖擊波，但強度很小，涵洞內(nèi)為明流流態(tài)。

4 分洪方案優(yōu)化改進

結(jié)合水工模型試驗研究成果，在湄江節(jié)制閘全關(guān)閉下，分洪渠最大行洪流量為312 m3/s，試驗中觀察到，分洪渠進口上游側(cè)附近水流行進流速很小，通過進口體型調(diào)整，將進口右岸拓寬，采用半徑為120 m的圓弧連接，在湄江節(jié)制閘全開下，分洪渠進口上游來流量為1 230 m3/s時，湄江過流量為892 m3/s，大于設(shè)計控制流量730 m3/s，分洪渠過流量為338 m3/s，小于設(shè)計分洪流量500 m3/s，均不滿足設(shè)計要求。由于受分洪渠進出口地勢的制約，通過深挖對增加分洪渠過流能力效果不明顯，因此只能通過加寬分洪渠才可滿足分洪要求，估算后經(jīng)再次試驗，將分洪渠加寬至20 m。

經(jīng)上述模型試驗的研究和分析論證，擬對分洪方案進行優(yōu)化改進，確定分洪渠兩岸邊坡和底坡不變，將渠底寬度由15 m增加至20 m，取消湄江節(jié)制閘，在分洪渠進口設(shè)控制閘，在楊柳湖處修建控制閘的布置方案，其中分洪渠進口控制閘設(shè)2道10 m×5 m的平面工作閘門，閘頂高程761.50 m，楊柳湖控制閘設(shè)2道10 m×8 m的平面工作閘門，閘頂高程761.50 m，該方案既滿足了分洪要求，又兼顧了楊柳湖水面景觀的需求。

5 結(jié)語

湄潭縣城防洪分洪工程的實施對保障老城區(qū)防洪區(qū)域內(nèi)國民經(jīng)濟可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有積極的不可替代的作用，在湄潭縣城防洪體系中其他措施完成后可使湄潭縣城的防洪標準達到50 a一遇。在分洪工程建設(shè)條件受到制約的情況下，基于水工模型試驗，對湄潭縣城原設(shè)計分洪方案進行了優(yōu)化改進，使工程的施工工期、工程安全、工程投資等方面更為有利。