張善亮 吳子曄 夏智淵

一、概述

泰順縣仕陽(yáng)溪位于東南沿海山區(qū)，常遭受臺(tái)風(fēng)侵襲，暴雨匯流時(shí)間短，洪水來(lái)勢(shì)迅猛暴漲暴落，由于上游缺少調(diào)蓄空間，能采用的防洪措施十分有限。在泰利、桑美、莫拉蒂臺(tái)風(fēng)中，仕陽(yáng)溪沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受較大洪水災(zāi)害，其中仕陽(yáng)鎮(zhèn)在泰利臺(tái)風(fēng)中最大淹沒水深達(dá)1.7m。經(jīng)調(diào)查，在仕陽(yáng)鎮(zhèn)下游河道較窄處有一座多孔拱橋跨河而建，該橋?qū)樗惶绊戄^大。為給仕陽(yáng)鎮(zhèn)防洪規(guī)劃提供可靠技術(shù)支撐，在水動(dòng)力模型中，通過(guò)涵洞概化阻水橋梁，有效模擬河道及卡口的阻水橋梁，并通過(guò)研究不同防洪措施，分析相應(yīng)治理效果。

二、河道模型簡(jiǎn)介

在河道工程設(shè)計(jì)中，為得到滿足設(shè)計(jì)要求的河道水面線，可采用基于圣維南方程的一、二維水動(dòng)力模型，常用軟件有MIKE11、MIKE21、HEC-RAS等。Szyd owski 采用有限體積法的顯式格式，求解了描述非定常自由表面流的沿水深平均的N-S方程即二維淺水方程，能較準(zhǔn)確地得到河道中的橋墩附近水流結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。Ghostine等分別采用一維和二維模型對(duì)河道干支匯流進(jìn)行研究，支持一維模型在給出某些參數(shù)時(shí)需依賴于經(jīng)驗(yàn)且適用范圍有限。王圓圓等采用MIKE21模型模擬了施工導(dǎo)流圍堰工程，并通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，給出施工導(dǎo)流圍堰的優(yōu)化方案。Bhallamudi等采用MacCormack格式對(duì)變換坐標(biāo)系中求解二維水動(dòng)力方程，可較為準(zhǔn)確地計(jì)算河道超臨界和次臨界混合流。Ladopoulos利用現(xiàn)代奇異積分方程方法，在通過(guò)有限差分法確定了特殊明渠過(guò)渡段的自由表面輪廓及水流的水力特性。二維計(jì)算常用軟件有MIKE21、SMS等。

1. 計(jì)算原理

針對(duì)山溪河道特性，采用率定過(guò)的一維模型能獲取較為準(zhǔn)確的洪水位、流速等水力要素，與二維模型相比一維模型建立更為便捷，計(jì)算速度更快。對(duì)于山區(qū)城鎮(zhèn)防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)而言，河寬往往比河長(zhǎng)小的多，主要關(guān)注河道的洪水位、流速等水力要素，因此多采用一維模型進(jìn)行分析計(jì)算。用于描述一維河道模型的圣維南方程組：

式中： Q為流量（m3/s），A為斷面面積（m2），q為旁側(cè)入流單寬流量（m2/s），α為動(dòng)量校正系數(shù)，g為重力加速度（m/s2）， h為水位（m），C為謝才系數(shù)，R為水力半徑（m）。

利用Abbott六點(diǎn)隱式差分格式求解圣維南方程，求解時(shí)，將河道離散成水位、流量相間的計(jì)算點(diǎn)。將橋梁壅水公式中計(jì)算出的Δh轉(zhuǎn)化為圣維南公式中動(dòng)能方程組的追趕系數(shù)的改變，最后求解線性差分方程組。

2. 橋梁壅水計(jì)算方法

在MIKE11中，對(duì)于橋梁壅水計(jì)算推薦采用涵洞加堰的方式，其中涵洞可以模擬任何形狀的橋孔，并可適用于所有水流條件，包括完全淹沒流、部分淹沒流、臨界流、孔流、自由出流等。一般而言小流量不會(huì)造成用水，只有當(dāng)流量到達(dá)一定量級(jí)以上，才會(huì)因?yàn)闃蛄鹤杷畬?dǎo)致上游水位顯著壅高。

三、計(jì)算案例

1. 防洪現(xiàn)狀分析

泰順縣仕陽(yáng)鎮(zhèn)地處山區(qū)，暴雨匯流時(shí)間短，洪水來(lái)勢(shì)迅猛暴漲暴落，上游缺少調(diào)蓄空間。仕陽(yáng)溪仕陽(yáng)鎮(zhèn)段通過(guò)多年來(lái)的治理，防洪安全得到了有效改善，但局部河段仍存在一定的防洪安全隱患，需要對(duì)鎮(zhèn)區(qū)河道的防洪安全進(jìn)行全面的梳理，見圖1。在河道下游建有石龍橋，見圖2，該橋采用敞肩拱，在大拱兩側(cè)各加上三個(gè)小拱，增加泄洪能力，可減輕洪水對(duì)橋的沖擊力。石龍橋處為河道最窄處，河道斷面本身存在過(guò)水能力不足的問(wèn)題，而在該處建造了石拱橋，即便采用敞肩拱，拱圈的阻水作用仍然很明顯，導(dǎo)致河道行洪能力不足，影響了洪水期洪水順暢下泄，容易引發(fā)洪水向兩岸漫溢。石龍橋斷面阻水為造成該河段防洪安全隱患的主要原因。為準(zhǔn)確模擬石龍橋阻水作用，將實(shí)測(cè)石龍橋斷面概化為若干個(gè)大小不一的涵洞，見圖3，其中最大的涵洞（主孔）與河道斷面形成的閉合圈，其余7個(gè)小涵洞分別表示石龍橋的1#至7#橋洞。

圖1 仕陽(yáng)鎮(zhèn)防洪現(xiàn)狀圖

圖2 石龍橋

圖3 石龍橋概化圖

2. 參數(shù)率定

一維模型通過(guò)歷史洪水的率定，可提高模型參數(shù)的可靠度。2005年泰利臺(tái)風(fēng)期間，仕陽(yáng)鎮(zhèn)發(fā)生一場(chǎng)較大洪水，通過(guò)洪水調(diào)查獲得沿線主要控制斷面洪痕。同時(shí)根據(jù)同期實(shí)測(cè)短歷時(shí)暴雨推算洪水過(guò)程，作為模型邊界條件，對(duì)仕陽(yáng)鎮(zhèn)主要河段進(jìn)行參數(shù)率定。通過(guò)調(diào)整斷面綜合糙率和涵洞概化橋梁的水頭損失系數(shù)，對(duì)驗(yàn)證洪水位成果進(jìn)行逐步逼近，最終獲得模擬水位與洪調(diào)水位差值在0.02m以內(nèi)?？梢姴捎煤锤呕瘶蛄旱姆绞接?jì)算河道水面線阻水效應(yīng)是合適的。

表1 模擬水位與洪調(diào)水位對(duì)比表

3. 規(guī)劃方案

仕陽(yáng)溪下游規(guī)劃有龜湖水電站，電站回水對(duì)仕陽(yáng)的防洪形式有一定影響的。龜湖水電站近期正常蓄水位為255.00m，遠(yuǎn)期正常蓄水位為285.00m。為分析橋梁阻水成因及回水影響，主要考慮兩種典型工況：近期工況，即龜湖水電站正常蓄水位為255.00m，龜湖水電站回水對(duì)仕陽(yáng)溪仕陽(yáng)鎮(zhèn)段的無(wú)影響；遠(yuǎn)期工況，龜湖水電站正常蓄水位為285m對(duì)仕陽(yáng)溪仕陽(yáng)鎮(zhèn)段影響較大。

（1）近期方案

由現(xiàn)狀水面線的計(jì)算結(jié)果可知，仕水矴步下游至新建下沙港大橋下游不滿足20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。淹沒范圍如圖4所示，由于淹沒區(qū)房屋密集，居民比較多，應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施，經(jīng)分析石龍橋是該河段主要阻水建筑物，由于該座橋梁為公益橋，拆除難度極大，結(jié)合實(shí)地考察，擬在石龍橋下開挖一條泄槽，泄槽寬度為43m，泄槽深度約為4m，泄槽底高程為277m。而下游的河道高低不平，河道底高程為280.87～283.12m不等，因此需要對(duì)下游河道進(jìn)行疏浚，河道底高程疏浚至277m，見圖5。故近期只考慮開槽方案。近期開槽方案工程投資較少。

圖4 仕陽(yáng)鎮(zhèn)現(xiàn)在20年一遇洪水淹沒范圍示意圖

圖5 近期開槽方案示意圖

近期因龜湖水電站正常蓄水位為255.00m，龜湖回水對(duì)仕陽(yáng)鎮(zhèn)沒有影響，故不考慮龜湖水電站的影響。近期方案為開槽方案。

（2）遠(yuǎn)期方案

遠(yuǎn)期工況因龜湖水庫(kù)正常蓄水位285.00m，開槽方案采用的工程措施在285m高程以下進(jìn)行，對(duì)降低水位沒有明顯效果，故遠(yuǎn)期工況不考慮開槽方案。

為降低仕水矴步下游洪水位，保護(hù)全國(guó)重點(diǎn)保護(hù)文物矴步的防洪安全。擬定分洪方案，將仕陽(yáng)溪上游楊梅嶺處分洪650m3/s至下游漈頭仔。

仕陽(yáng)鎮(zhèn)近、遠(yuǎn)期方案20年一遇規(guī)劃水面線計(jì)算成果見下圖。通過(guò)實(shí)施近期方案，可使得仕陽(yáng)溪仕陽(yáng)鎮(zhèn)石龍橋以上20年一遇水位最多降低1.85m，防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足20年一遇。遠(yuǎn)期受回水影響，采用分洪措施，可使得石龍橋以上20年一遇水位最大降低1.13m，防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足20年一遇。

圖6 仕陽(yáng)溪規(guī)劃水面線成果圖

通過(guò)該案例，得到受回水影響阻水橋梁的防洪措施分析方法：當(dāng)橋下為非淹沒出流時(shí)，橋梁上游高水位主要原因?yàn)闃蛄哼^(guò)水面積縮窄造成壅水，因此通過(guò)橋下開槽方式可增加過(guò)水面積較大程度降低上游洪水位；當(dāng)橋下為淹沒出流時(shí)，橋梁上游高水位是由回水頂托和橋梁壅水共同影響，而回水頂托為主要因素，因此采用開槽增加過(guò)水面積的方式對(duì)降低上游洪水位作用有限，需通過(guò)分洪措施減少洪水水面線的比降，整體降低防護(hù)河段水面線。

四、結(jié)果與討論

采用多孔涵洞概化拱橋，并結(jié)合歷史洪水率定參數(shù)，能較準(zhǔn)確便捷地模擬敞肩型拱橋的壅水效果，對(duì)提出防洪改進(jìn)措施有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用，對(duì)受水庫(kù)回水影響造成的橋孔淹沒出流情況亦可獲得較合理的結(jié)果。通過(guò)水面線分析可以發(fā)現(xiàn)造成橋梁上游高水位的主要問(wèn)題，繼而提出經(jīng)濟(jì)合理有針對(duì)性的防洪措施。