張善亮，余鴻慧

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江 桐廬 311504）

1 問題的提出

船閘建造過程需修建圍堰，在施工期一定程度上改變了水域的水流特性，從而引起工程河段水位的變化，特別是大型綜合利用水庫的船閘改造，影響對象眾多，直接影響周邊人民的生命安全、生態(tài)環(huán)境等。因此，研究船閘施工期圍堰對水位的變化具有重要意義。

以富春江船閘擴建改造工程施工期圍堰為例，吳啟和[1]采用三維模型研究過水圍堰近壩消能區(qū)水流特性；張善亮[2]利用二維模型分析施工圍堰附近水流特性。利用MIKE11一維水動力模型對施工圍堰附近流場進行概化，分析圍堰對富春江電站壩下水位的影響，進而提出合理的圍堰運行方案，可為區(qū)域防洪減災研究提供參考。

2 工程概況

富春江船閘擴建改造工程是復興錢塘江航運、打通富春江船閘礙航“瓶頸”、建設“港航強省”的重要舉措。該工程施工期修建圍堰包括縱向圍堰和橫向圍堰?？v向圍堰上接老船閘左側(cè)，下接唐家洲洲頭，平行于河岸布置；橫向圍堰連接唐家洲中部與富春江右岸沿江道路，垂直于河岸布置。施工期圍堰為過水圍堰，洪水期水位超出圍堰堰頂高程，洪水進入基坑，施工區(qū)域可參與行洪。施工圍堰布置見圖1。

圖1 施工圍堰布置圖

3 水動力模型建立

采用丹麥水利研究所（DHI）研制的MIKE11水動力模型進行水利計算。MIKE11河流模型系統(tǒng)是模擬一維水流、泥沙和水質(zhì)的國際化工程軟件，適合于包括復雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計算， 是一個經(jīng)過大量工程實踐驗證的模型工具[3-5]。

3.1 水動力模型

一維非恒定流模型為圣維南明渠非恒定流偏微分方程組：

式中：B為水面寬（m）；Z為水位（m）；Q為流量（m3/s）；q為旁側(cè)入流（m3/s）；v為斷面平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；A為過水斷面面積（m2），K為過水斷面的流量模數(shù)；t為時間（s）；S為距離（m）。MIKE11利用Abbott六點隱式差分格式求解圣維南方程，求解時，將河道離散成水位、流量相間的計算點。將橋梁壅水公式中計算出的Δh轉(zhuǎn)化為圣維南公式中動能方程組的追趕系數(shù)的改變，最后求解線性差分方程組。

3.2 研究范圍和邊界條件的確定

一維模型計算范圍為富春江壩址下游至航道疏浚末端桐廬分水江口的河道，計算范圍河道總長度約11 km，計算范圍內(nèi)包括4座橋梁（杭新景高速公路富春江大橋、渡濟大橋、富春江大橋以及富春江二橋）。上邊界為富春江壩下，采用流量邊界；下邊界為桐廬分水江口，采用水位邊界。

3.3 模型概化

一維模型概化見圖2。

圖2 一維模型概化圖

一維模型采用主槽和引航道2條平行河道。中間縱向施工圍堰采用一排link channel連接，link chanel即連接渠道，就是一條短河流用于連接主槽和引航道，連接渠道不需要斷面，因此比正常的河道而言更簡捷。在模擬過程中，連接渠道可以看做是一個帶有建筑物的河流或有阻力、固定長度的溢流堰。高水漫過堰，低水受圍堰阻擋水流沿主槽流動。橫向施工圍堰在引航道設置寬頂堰。

3.4 模型率定和驗證

模型驗證根據(jù)富春江圍堰建成后的2場洪水進行洪水過程分別進行率定和驗證。

因計算針對上游不同下泄流量級，對應不同水深，所以擬合一條糙率 — 水深關(guān)系線。其函數(shù)為n = a×Db，式中n為糙率，D為水深（m），a為線性常數(shù)，b為指數(shù)常數(shù)。其中a與b，根據(jù)恒定流實測水位率定分析，低水采用糙率要大于高水，故b值為負值。率定結(jié)果a = 0.060，b = -0.206，糙率n的取值范圍n＜0.048。糙率與水深曲線見圖3。

圖3 糙率與水深曲線圖

2014年6月和2014年8月是富春江船閘改造工程開工以來經(jīng)歷的2次較大洪水。2014年6月洪水過程分1 530 m3/s和9 000 m3/s流量級進行率定，其計算值與實測值相差較小，水位過程和實測基本吻合（見圖4、圖5），精度評價參數(shù)R分別達到0.967和0.979。2014年8月洪水流量為7 680 m3/s，驗證情況見圖6，精度評價參數(shù)R達到0.993。

圖4 流量為1 530 m3/s時計算值與實測值對比圖

圖5 流量為8 970 m3/s時計算值與實測值對比圖

圖6 流量為7 680 m3/s時計算值與實測值對比圖

3.5 計算工況

模型計算工況根據(jù)圍堰不同高度分別進行計算。富春江船閘擴建工程圍堰布置，一期主圍堰為過流圍堰，過流標準為10 a一遇洪水。主圍堰總長1 548 m，由頂沖圍堰、縱向圍堰、唐家洲、下游橫向圍堰4個部分組成，其中頂沖段堰體長130 m，縱向圍堰長728 m，唐家洲周體利用長639 m，下游橫向圍堰長121 m；二期圍堰為在主圍堰堰頂設子圍堰。頂沖圍堰一期圍堰頂高程為8.50 m，二期圍堰堰頂高程為12.50 m，縱向圍堰一期圍堰堰頂高程為9.50 m，二期圍堰頂高程為12.50 m，橫向圍堰一期圍堰堰頂高程為8.70 m，二期圍堰堰頂高程為12.50 m?？紤]子圍堰是否潰堰，計算3種不同工況（見圖7）。

圖7 各計算工況圍堰形態(tài)及高程圖

工況1：頂沖圍堰堰頂高程為8.50 m， 縱向圍堰堰頂高程為9.50 m，橫向圍堰堰頂高程為8.70 m（即橫縱向圍堰子圍堰均潰堰）；

工況2：橫縱圍堰堰頂高程均為12.50 m；

工況3：頂沖圍堰堰頂高程為8.50 m，縱向圍堰堰頂高程為9.50 m，橫向圍堰堰頂高程為12.50 m（即縱向圍堰子圍堰潰堰，橫向圍堰子圍堰未潰）。

4 成果及分析

4.1 工況1計算成果

工況1計算成果見表1。由表1可知，船閘施工期圍堰造成壩下壅高為0.26 ~ 0.29 m，與圍堰建成前相比對行洪影響不大。

表1 工況1計算成果表

4.2 工況2計算成果

工況2計算成果見表2。由表2可知，滿發(fā)流量下，由于圍堰造成的壩下水位壅高為0.29 m；對于大流量級別洪水，由于圍堰造成的壩下水位壅高值為0.57 ~ 0.60 m。

表2 工況2計算成果表

4.3 工況3計算成果

工況3計算成果見表3。由表3可知，滿發(fā)流量下，由于圍堰造成的壩下水位壅高為0.29 m；對于大流量級別洪水，由于圍堰造成的壩下水位壅高值為0.41 ~ 0.45 m。

表3 工況3計算成果表

4.4 成果分析

由表1、2、3可知，流量為3 070 m3/s流量級別下，在3種不同工況下壩下水位是一致的。主要因為小流量下水位小于9.50 m，未能翻過主圍堰（高程為9.50 m）。所以圍堰高程的變化對其水位沒有影響。大流量級別洪水：工況1橫縱向圍堰高程均為9.50 m，所以當水位達到9.50 m水位差達到最大，水位大于9.50 m后，洪水翻過橫縱圍堰，水位差保持為0.25 ~ 0.30 m；工況2橫縱向圍堰高程均為12.50 m，所以當水位達到12.50 m水位差達到最大，水位大于12.50 m后，洪水翻過橫縱圍堰，水位差基本為平行線；工況3橫向圍堰12.50 m，縱向圍堰高程為9.50 m，所以當水位達到9.50 m時水位差達到最大，其水位差介于工況1和工況2之間。主要因為水位達到9.50 m后翻過縱向圍堰，但未能翻過橫向圍堰，只有水位達到12.50 m后，洪水翻過橫縱圍堰。對于工況1、工況2、工況3圍堰建成后比圍堰建成前分別雍高0.26 ~ 0.29 m，0.29 ~0.60 m，0.29 ~ 0.45 m。

5 結(jié) 語

（1）利用MIKE11水動力模型，對富春江船閘擴建改造工程施工期圍堰進行概化，研究河流施工圍堰對其防洪安全的影響，較為準確地分析圍堰對水庫壩下水位的影響，確保區(qū)域防洪安全。

（2）該方法具有一定的通用性，為庫區(qū)船閘改建類似工程問題的研究提供了一條有效的分析途徑。