李亞楠，陸洪亞，周慶連，劉貴明

（連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 連云港 222006）

埝河閘位于石安河與埝河的交匯處,該閘于1966年10月開(kāi)工興建,1967年4月竣工交付使用。埝河閘底板駝峰頂高程為15 m,單孔凈寬4.0 m,凈高4.5 m,設(shè)計(jì)流量240 m3/s。該閘運(yùn)行至今已50 多年,目前閘底板局部受水流沖刷破損、露石、形成坑洞,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音較大,排架砼碳化深度較大,已超過(guò)混凝土的保護(hù)層厚度,經(jīng)安全鑒定,埝河閘評(píng)定為四類(lèi)水閘,需對(duì)其進(jìn)行拆除重建。本文圍繞埝河閘設(shè)計(jì)流量及水位進(jìn)行計(jì)算分析[1]。

1 工程概況

1.1 地理位置

埝河閘位于連云港市東?？h石榴鎮(zhèn),薔薇河、魯蘭河支流埝河上游,座落在石安河?xùn)|堤距離石梁河水庫(kù)約27.30 km處。該閘于1966年10月開(kāi)工興建,1967年4月竣工交付使用。埝河閘主要功能為分洪、灌溉：（1）分洪：遇石安河20年一遇以上洪水開(kāi)閘分洪,流量為240 m3/s,以保證石安河不決堤；（2）灌溉兼發(fā)電：灌溉農(nóng)田15 萬(wàn)畝,并結(jié)合發(fā)電,設(shè)計(jì)年發(fā)電量約6 萬(wàn)kW·h。

1.2 水文、氣象

石安河位于東?？h中部,縱貫縣境南北,北起石梁河水庫(kù),南到安峰山水庫(kù),原為石梁河水庫(kù)的輸水干渠,曾稱石梁河南干渠,全長(zhǎng)55 km,沿18 m 等高線開(kāi)挖,截取50 m～18 m高程之間的大面積嶺地高水,經(jīng)4 處泄洪口門(mén)向下游排泄。4處泄洪口門(mén)分別為：向磨山河泄入新沭河的口門(mén)——青湖閘；向魯蘭河泄洪口門(mén)——埝河閘、范埠閘；向安峰山水庫(kù)泄洪口門(mén)——薛埠閘。

工程區(qū)位于連云港市西北部,氣候濕潤(rùn),四季分明,年平均氣溫13.7℃,多年平均降水量為939.6 mm,年內(nèi)降水量分配不均,6月～8月降水量占全年總降水量的63%。多年平均年蒸發(fā)量為1250 mm。全年平均風(fēng)速為3.1 m/s,4月～8月及10月多吹東南風(fēng),其余月份多靜風(fēng)或東北偏北風(fēng)。全年空氣濕潤(rùn),相對(duì)濕度在最熱月為80%以上,最冷月為66%。日照充足,平均每天近7 個(gè)小時(shí),5月、6月份每天均在8 小時(shí)以上。

2 埝河閘設(shè)計(jì)流量、水位計(jì)算

2.1 水利計(jì)算數(shù)學(xué)模型

（1）水利計(jì)算方法

埝河閘主要功能為分泄石安河洪水入魯蘭河、并兼灌溉發(fā)電,本次埝河閘設(shè)計(jì)規(guī)模根據(jù)石安河的設(shè)計(jì)洪水、沿線各泄洪口門(mén)規(guī)模及其調(diào)度規(guī)則等綜合確定；根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料,本次計(jì)算石安河設(shè)計(jì)洪水時(shí),石安河流域上游水庫(kù)泄洪只考慮橫溝水庫(kù)及昌梨水庫(kù)泄洪；采用非定常水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程一維非定常水動(dòng)力學(xué)模型,使用丹麥水力科學(xué)研究所（DHI）開(kāi)發(fā)的Mike11（V2012 版）計(jì)算軟件建立了水利計(jì)算模型。一維非恒定流動(dòng)方程組如下：

式中：Z（x,t）為斷面平均水位,m；Q（x,t）為斷面流量,m3/s；A（x,t）為斷面面積,m2；u（x,t）為斷面平均流速,m/s；C 為謝才系數(shù)；qi為單位河長(zhǎng)上的支流流量。

定解條件包括水流的初值與邊界值。

水流初始條件：

t=0,Z（x,t）=Z（x,0）,Q（x,t）=Q（x,0）。

邊界條件：

當(dāng)x=0 時(shí),Z（x,t）=Z（0,t）；當(dāng)x=L 時(shí),Z（x,t）=Z（L,t）。

（2）模型參數(shù)及邊界條件

①模型設(shè)定參數(shù)

模擬設(shè)定參數(shù)主要包括模擬時(shí)間步長(zhǎng)、模擬起止時(shí)間等。本次計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取2 min,模擬起止時(shí)間取一次洪水漲落過(guò)程。

②河網(wǎng)參數(shù)

河道長(zhǎng)度根據(jù)東海縣地形圖量算。石安河北起石梁河水庫(kù),南到安峰山水庫(kù),全長(zhǎng)55 km。因青湖閘、埝河閘、范埠閘上下游河道水位相差較大,經(jīng)分析,三座水閘泄流時(shí)均為無(wú)淹沒(méi)自由出流,模型計(jì)算中假定水閘下游河道承泄能力足夠大,即水閘下游河道對(duì)其泄流影響較小,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),本次青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道長(zhǎng)度均設(shè)置成0.15 km。

整個(gè)模型河網(wǎng)總長(zhǎng)55.45 km,模型計(jì)算中涉及到的計(jì)算水位斷面共560 個(gè),平均間距約100 m,模型河網(wǎng)概化圖見(jiàn)圖1。

圖1 河道水利計(jì)算模型河網(wǎng)概化圖

③河道斷面參數(shù)

石安河斷面參數(shù)采用《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中成果,具體見(jiàn)表1。

表1 石安河河道斷面參數(shù)表

④水力參數(shù)

河道為土坡,根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》,斷面糙率取0.0225。石安河汛限水位取18.0 m。

⑤建筑物參數(shù)

石安河主要分洪閘即青湖閘、埝河閘、范埠閘按照模型中的可控建筑物處理,其規(guī)模按現(xiàn)狀情況設(shè)置,見(jiàn)表2。

表2 石安河各分洪閘現(xiàn)狀規(guī)模情況表

根據(jù)東?？h防洪預(yù)案,石安河汛期控制水位18.0 m,警戒水位19.0 m,最高洪水位19.7 m。洪水調(diào)度原則：當(dāng)石安河水位超過(guò)18.0 m,安峰山水庫(kù)低于汛限水位時(shí),先開(kāi)薛埠閘滿足補(bǔ)庫(kù)；如薛埠閘分洪補(bǔ)庫(kù)不及視河水位上漲情況,可開(kāi)青湖閘經(jīng)磨山河排入新沭河,青湖閘在開(kāi)、關(guān)閘時(shí)須提前1小時(shí)通知黃川灌區(qū)管理所及時(shí)開(kāi)、關(guān)磨山河閘；如水位超過(guò)19.0 m 再依次開(kāi)啟范埠閘、埝河閘分洪。

根據(jù)《東海縣石安河治理工程（埝河閘～富辰橋段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》,石安河堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,為河道堤防安全計(jì),當(dāng)發(fā)生20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),考慮在通過(guò)青湖閘泄洪入新沭河的同時(shí),控制范埠閘及埝河閘的泄流（開(kāi)啟范埠閘向魯蘭河分洪50 m3/s、開(kāi)啟埝河閘分泄橫溝水庫(kù)下泄洪水25 m3/s）。當(dāng)石安河水位超過(guò)18 m 時(shí),青湖閘開(kāi)閘泄洪,并控制泄洪流量不大于原設(shè)計(jì)流量660 m3/s；當(dāng)石安河水位繼續(xù)上漲至19 m 時(shí),開(kāi)啟范埠閘、埝河閘,并控制范埠閘分洪50 m3/s、埝河閘分洪25 m3/s；當(dāng)石安河水位繼續(xù)上漲至接近其防洪設(shè)計(jì)水位時(shí),加大范埠閘、埝河閘泄洪,并控制范埠閘泄洪流量不大于原設(shè)計(jì)流量124 m3/s、埝河閘泄洪流量不大于原設(shè)計(jì)流量240 m3/s。埝河閘、范埠閘處防洪設(shè)計(jì)水位（20年一遇）分別為20.38 m、20.93 m,本次模型計(jì)算得到埝河閘、范埠閘處20年一遇水位分別為20.19 m、20.74 m,綜合二者結(jié)果,本次埝河閘、范埠閘加大泄洪控制水位分別取20.3 m、20.75 m。

⑥邊界條件

a.外部邊界：主要定義河流的自由端點(diǎn)處。

石安河：其外部邊界主要涉及南部的安峰山水庫(kù)及北部的石梁河水庫(kù)。根據(jù)石安河現(xiàn)狀調(diào)度情況,其南端薛埠閘主要在安峰山水庫(kù)低于汛限水位時(shí)開(kāi)閘補(bǔ)庫(kù),本次計(jì)算不考慮薛埠閘的泄洪；石安河水位一般較石梁河水庫(kù)低、不向石梁河水庫(kù)泄洪,因此模型中將石安河與安峰山水庫(kù)、石梁河水庫(kù)連接處均設(shè)置成閉合邊界。

其他河道：青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道水位一般較石安河相差較大,三座水閘泄流時(shí)均為無(wú)淹沒(méi)自由出流,閘下水位對(duì)其泄流影響較小,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),本次青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道末端邊界均設(shè)置成開(kāi)邊界并定義水深0.1 m 相應(yīng)的水位。

b.內(nèi)部邊界：本次計(jì)算中模型內(nèi)部邊界主要為石安河西側(cè)流域匯流。根據(jù)水文計(jì)算成果,將各匯水區(qū)設(shè)計(jì)洪水在相應(yīng)匯水區(qū)位置以分布流邊界形式加入模型中。

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)河網(wǎng)模型計(jì)算成果,當(dāng)發(fā)生20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),石安河沿線最高水位為18.20 m～20.77 m；當(dāng)發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m；不同工況下青湖閘、埝河閘、范埠閘閘上最高水位及最大下泄流量結(jié)果見(jiàn)表3,埝河閘閘前水位變化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

表3 不同工況下青湖閘、埝河閘、范埠閘分洪結(jié)果

圖2 埝河閘閘前水位變化計(jì)算成果圖

根據(jù)《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》,石安河在青湖閘、埝河閘、范埠閘處防洪設(shè)計(jì)水位分別為18.0 m、20.38 m、20.93 m,本次河網(wǎng)模型計(jì)算河道上游水位結(jié)果較其偏低。

2.3 成果分析

根據(jù)上述模擬計(jì)算結(jié)果,主要是由于河網(wǎng)模型考慮了石安河的調(diào)蓄作用,而《東?？h石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》采用天然河道明渠恒定非均勻流的計(jì)算方法由青湖閘處18.0 m 向上游推算石安河水位,沒(méi)有考慮河道本身的調(diào)蓄作用,故而本次計(jì)算河道上游水位結(jié)果較其偏低、埝河閘處水位結(jié)果較其偏高。因此,本次模型計(jì)算結(jié)果較為可靠。

本次埝河閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,當(dāng)發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),模型計(jì)算石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m,雖高于石安河沿線防洪設(shè)計(jì)水位,但比石安河沿線堤防高程（20.4 m～23.8 m）低0.7 m 以上,能夠滿足石安河堤防安全加高（0.6 m）的要求。因此,本次設(shè)計(jì)埝河閘按原閘孔規(guī)模拆建,能滿足石安河50年一遇泄洪要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本次模型計(jì)算結(jié)果較為可靠。當(dāng)發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),模型計(jì)算石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m,能夠滿足石安河堤防安全加高（0.6 m）的要求。埝河閘拆建工程建成后,即可承泄石安河240 m3/s 的洪水,調(diào)節(jié)水位,減少河床沖刷；也可引調(diào)石安河水,發(fā)展灌溉。