跨河建筑物修建对大辽河河道行洪安全的影响

2017-04-10孙宇飞

水利规划与设计 2017年2期

关键词：阻水跨河滩地

孙宇飞

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006）

跨河建筑物修建对大辽河河道行洪安全的影响

孙宇飞

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006）

大辽河系指太子河入浑河汇流口三岔河起，至河口止的一段河流。该河段水深较大，且受感潮影响，水流形态较为复杂。本文以大辽河鲍家至赏军河段为例，分析该河段水力特性，对比跨河建筑物修建前后河段水力特性的变化，分析跨河建筑物的修建对该河段行洪安全的影响，为今后类似河段跨河建筑物修建及管理提供经验借鉴。

大辽河；跨河建筑物；行洪安全

1 概述

大辽河系指太子河入浑河汇流口三岔河起，至河口止的一段河流。1958年春外辽河堵截后，仅宣泄浑河、太子河洪水。大辽河先后流经海城市、盘山县、大洼县、大石桥市、营口市区等市县，于营口市郊注入渤海。河道全长96km。

大辽河地处辽河下游冲积平原，曲折多弯，而且多急弯和“对头弯”，历史上记载大辽河有多处自然裁弯的河段，所以旧河道和河叉较多。整个大辽河的流向是向西南，由三岔河经下坎子、石佛、赏军、田庄台、水源，至荣兴农场附近，流向折向东南，经鸭岛进入营口市。

大辽河系感潮河段，河口系不规则半日周潮，潮流速、潮流量随潮水向上游推进而减小，同一次涨潮营口站潮流量最大可达5400m3/s、田庄台站1975m3/s、三岔河站仅462m3/s。

本次分析选择大辽河鲍家至赏军河段，该河段位于大辽河三岔河至田庄台段，具有洪冲枯淤的特性，河道蜿蜒曲折，滩槽分明，是较典型的平原弯曲型河道，造床流量约1000～1200m3/s。该河段既受河水控制又受潮水影响，使弯道凹岸不断上提下挫，造成塌岸，形成多处险工。河岸土质多为均匀分布的亚粘土和沙壤土。

通过对该河段进行二维水力计算，分析该河段水力特性，在二维水力计算模型中通过增加阻水建筑物的方式分析跨河建筑物修建前后河段水力特性的变化。

2 天然情况下河段水力计算

2.1 计算范围

本次水力计算范围为自上游三岔河至下游大辽河河口的大辽河全河段，计算河长96km。大辽河两岸均有连续堤防，1999年大辽河防洪整治工程完成后，大辽河防洪标准可达50年一遇，本次计算以堤防为两岸边界范围。

2.2 地形处理

本次计算地形采用2005年1∶10000平面图和2011年实测横断面资料，计算范围以外地形均做抬高处理，使其在计算中不过流。为反映模型内计算区域的地形特点，对模型中的公路、铁路等进行了高程点加密，以确保网格剖分后高程的连续。

2.3 边界条件

本次计算三岔河组合流量沿用《大辽河防洪工程初步设计》成果，典型年选取1960年。模型出口潮位参照《大辽河防洪工程初步设计》成果，选取历年实测最高潮位3.2m为设计潮位。

2.4 计算参数

（1）计算时段及时间步长

模型采用非恒定流方式计算，计算时长选为153h，时间步长为30s。

（2）计算区域的曼宁值（糙率）

计算区域的曼宁值反映区域内不同地物对水流的阻力作用，采用和地形网格相对应的糙率网格。

本次水力计算参照《大辽河防洪工程初步设计》、《1995年洪水辽河、浑河、大辽河三河水面线验证》及《大辽河行洪能力分析与防汛特征水位确定》，结合现状河道的地形、地貌、河槽组成、水流条件等特性，并考虑近年来河段地貌、植被变化及清障等因素对糙率的影响，最终确定河道糙率。主槽糙率为0.012～0.025，滩地糙率为0.06～0.13。

（3）模型干湿条件

模型干湿度是为了模型在计算二维洪水演进时判断水流在网格间传递的两个参数，低于“干水深”（dryingdepth）洪水不再演进，高于“干水深”低于“洪水深”（floodingdepth）洪水演进但不参与计算，高于“洪水深”洪水演进且参与计算，此参数越大模型越稳定，根据现场查勘对滩面组成的分析，本次计算“干水深”选用0.005m，“洪水深”选用0.05m。

2.5 计算方案

工程所在河段防洪标准为50年一遇，本次对河段50年及100年一遇洪水频率进行计算，以分析相应洪水频率下该河段水力特性。水力计算成果见图1～图4。

图1 天然情况河段5O年一遇水位计算成果图

图2 天然情况河段1OO年一遇水位计算成果图

图3 天然情况河段5O年一遇流速计算成果图

图4 天然情况河段1OO年一遇流速计算成果图

3 跨河建筑物对水力特性影响分析

本河段属蜿蜒型河道，滩地占河道行洪宽度较大，考虑本河段河道特性及跨河建筑物工程建设特点，本次阻水建筑物主要添加于河道两侧滩地之中，分别于计算河段右岸滩地及其下游左岸滩地添加阻水建筑物，右岸滩地添加阻水建筑物6座，左岸滩地添加阻水建筑物2座，阻水建筑物概化为矩形，尺寸为10m×10m，将阻水建筑物概化后添加于网格地形中使其整体不过流，概化后河段模型地形见图5。

图5 阻水建筑物概化后模型地形图（红色节点为添加阻水建筑物位置）

添加阻水建筑物后对该河段进行二维水力计算，并与相同水力条件下天然河道水力计算成果进行对比，成果见图6～图9。

图6 工程修建前后5O年一遇水位差值对比图

图7 工程修建前后1OO年一遇水位差值对比图

图8 工程修建前后5O年一遇流速差值对比图

图9 工程修建前后1OO年一遇流速差值对比图

工程修建前后河段水力特性差值对比分析见表1，由分析成果可见，新建阻水建筑物侵占河道行洪面积，会导致建筑物迎水侧水位壅高，水位壅高值随着距建筑物的距离的增加而逐渐减小，直至与现状情况一致。建筑物背水侧水位会降低，水位降低值随着距建筑物距离的增加降低而逐渐减小。建筑物迎、背水侧由于建筑物阻水流速会降低，相应的建筑物两侧流速会增大，流速变化值随着距建筑物距离增加而逐渐减小。

50年一遇洪水流量下，左岸滩地阻水建筑物位置天然情况下河道水位为4.75m，工程修建后水位为4.75m，右岸滩地阻水建筑物位置天然情况下河道水位为 5.65m，工程修建后河道水位为5.65m，壅水实际影响值为mm级，阻水建筑物最大壅水高度均小于0.01m，壅水最大影响范围为150m，阻水建筑物的建设对河道水位影响不大，不会影响河道行洪。

100年一遇洪水流量下，左岸滩地阻水建筑物位置天然情况下河道左滩水位为5.86m，工程修建后水位为5.86m，右岸滩地阻水建筑物位置天然情况下河道水位为 6.74m，工程修建后水位为6.74m，壅水实际影响值仍为mm级，阻水建筑物最大壅水高度均小于0.01m，壅水最大影响范围为200m，工程的修建对河道水位影响不大，壅水影响范围同样较小，不会影响河道行洪及堤防防洪安全。

阻水建筑物工程修建前后，河道流速大小变化不大，流速分布基本不变。建筑物附近由于工程阻挡，水流形态较天然情况复杂紊乱，建筑物迎流侧和背流侧由于阻水作用流速减小，建筑物两侧增加过流流速增大，但流速变化值均不大。50年一遇洪水条件下，左岸滩地阻水建筑物位置附近主槽最大流速2.2m/s，滩地最大流速0.61m/s，建筑物附近流速变化最大值0.08m/s。右岸滩地阻水建筑物位置附近主槽最大流速1.03m/s，滩地最大流速0.51m/s，建筑物附近流速变化最大值0.06m/s。垂直于流线方向流速最大影响范围为200m。

100年一遇洪水流量下，左岸滩地阻水建筑物位置附近主槽最大流速2.45m/s，滩地最大流速0.73m/s，建筑物附近流速变化最大值0.13m/s。右岸滩地阻水建筑物位置附近主槽最大流速1.75m/s，滩地最大流速0.62m/s，建筑物附近流速变化最大值0.11m/s。垂直于流线方向流速最大影响范围为350m。

表1 工程修建前后计算成果对比表

4 结论

经以上分析可知，由于大辽河为冲积平原河流，河道比降较缓且滩地较宽，只要阻水建筑物修建于滩地之上，工程占河道行洪断面较小且并未挤占河道主槽，阻水建筑物对河道水位及流速影响均相对较小，对该河段行洪能力影响较小，不会对河段行洪安全造成明显不利影响。大辽河为蜿蜒型河段，本文所选河段河道水力特性与大辽河其他河段特性均较为相似，阻水建筑物对河道水力特性的影响对我国北方其他蜿蜒型中下游河段有相对普遍的参考价值。然而，不同跨河建筑物工程型式及特点不尽相同，模型中对相应跨河建筑物概化方式及计算方法仍有待探讨，需进一步予以完善。

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