水工模型试验对湄潭县城分洪方案的优化与改进

李 卿，白 超

(遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司，贵州 遵义 563002)

1 工程概况

湄潭县城老城区香树湾大桥至湄江中学拦河坝一带公路、桥梁、居民小区及相应生活配套设施均沿湄江及两岸依江而建，湄江老城区河段的行洪能力有限，且不宜采取河道拓宽及加高防洪墙的措施来解决县城防洪问题。《贵州省湄潭县县城防洪规划(修编)报告(2016-2030)》中针对湄潭县城防洪存在的问题，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规划实施的情况下，湄江老城区河段安全行洪流量约700 m3/s，而采取上蓄措施后该河段50 a一遇洪水流量约为1 200 m3/s(区间流量)；所谓“中分”，即在湄潭县城上游河段合适的位置修建分洪工程，从湄江干流上分走老城区河段天然河道行洪能力所余的洪水流量，使老城区河段现状行洪能力满足50 a一遇的洪水标准而采取的工程措施。该工程实施后，近期2020年老城区河段的防洪标准将达到20 a一遇，届时在发生不超过20 a一遇的洪水时将免遭洪水侵袭，对保障老城区防洪区域内国民经济可持续稳定发展具有积极的作用；远期2030年在湄潭县城防洪体系中“上蓄(湄江水库加高扩建工程)”、“下疏”等措施完成后，使湄潭县城防洪标准提高到50年一遇。结合上蓄水库蓄洪削峰后50年一遇洪水安全流量与县城老城区河段行洪能力，分洪工程过洪流量需达500 m3/s，才能保证老城区河段安全行洪。该分洪工程所处位置为县城规划城区，土地资源宝贵，在满足分洪渠过流能力的前提下，对分洪方案的优化显得尤为重要。

2 原分洪方案

分洪工程进口位于湄潭县城规划城区上游的党家湾附近，进口处湄江干流流域面积860 km2，进口处河床高程751.00～754.30 m，分洪工程出口位于湄潭城区的枫香湾大桥处，该断面湄江流域面积950 km2，出口处河床高程751.30 m，主河道河长79.3 km，主河道比降2.13‰，多年平均流量14.8 m3/s。分洪渠全长2 060 m，自党家湾接出后沿线穿过362县道后沿362县道左边，途经变电站、杨柳湖、湄水河至枫香湾大桥接入湄江。湄水河为湄江支流，于县城万寿宫附近汇入湄江，流域面积74.9 km2，主河道河长23.5 km，经水文计算，其50 a一遇洪峰流量为240 m3/s，湄水河与分洪渠汇合处河床高程753.70 m。杨柳湖位于湄水河北面，湄江老城区段的东南侧，湖底高程756.60～759.00 m，水域面积约70亩。

根据县城防洪规划提出的分洪流量和老城区能够安全通过的流量，结合本工程的地形条件，在充分考虑既能分洪，又能兼顾杨柳湖水面景观需求的前提下，分洪方案采用通过在分洪口下游侧湄江河上修建节制闸调节分洪渠进口水位和控制湄江下泄流量，减小分洪渠断面，并在杨柳湖处设置控制闸。分洪时提前将湄江河节制闸开启到最大安全下泄流量开度，分洪渠分洪闸全开，确保洪水顺利通过。该方案采用不拦断河流的布置方式，节制闸坝固定段坝长为75.0 m，坝顶宽3 m。根据坝基地质情况，确定建基面高程为750.00 m，最大坝高12.0 m，闸坝上游侧设齿槽嵌入基岩强风化线以下，嵌深1.0 m。闸坝两端为非溢流坝段，非溢流坝段长14.0 m，顶宽3.0 m。节制制闸坝中部为溢流坝段，总长61.0 m，溢流堰为折线型实用堰，堰顶高程756.00 m，溢流净宽50.0 m，设5扇10 m×4 m的平面工作闸门，采用柱塞式液压式启闭机启闭。闸墩长8.0 m，中墩厚2.0 m，边墩厚为1.5 m，其上工作闸门下游侧布置3.0 m宽工作桥连接左右非溢流坝段。为减小汛期洪水对两岸的冲刷影响，护坦两侧均设C30砼边墙进行防护，边墙顶宽1.5 m。

3 水工模型试验

3.1 试验模型设计

整体模型试验设计、模型制作安装、测试仪器和测试方法等按照《水工(常规)模型试验规程》(SL155-2013)要求执行，在河道和分洪渠典型断面布置了水位测点，用于测量和控制分洪渠水位。

3.2 节制闸流量率定

根据本次对分洪工程出口处下游河段的湄江干流河段进行勘察测量，该河段洪水位主要受分洪工程出口下游约510 m处的象山大桥控制。经在其上游附近选取控制断面，根据象山大桥水位流量关系反推计算，当上游来流量为1 230 m3/s时，下游断面控制水位为757.48 m。

试验中分洪渠不行洪，仅由节制闸过水。下游水位控制断面的水位为757.48 m，下游湄水河来流量为240 m3/s。通过调节上游流量大小，用水准仪测定节制闸上下游断面水深进行节制闸流量的率定。分洪节制闸为平底闸，对于下游水位较高的平底闸，过闸水流仍可采用宽顶堰计算，也可采用过闸面积与过闸流速的乘积计算，而过闸流速应为上、下游水位差的势能转化为动能所产生。因此有

(1)

式中：Q为洪峰流量(m2/s)；A为闸室过流断面面积(m2)；v为流速(m/s)；B为闸宽(m)；φ为流速系数；H为堰上水头(m)；ηH为下游水头；

堰流公式中的H0以堰上水头H代替，并忽略过闸水流的能量损失，得

(2)

上式即为淹没度较大时的平底闸流量系数。平底堰在较大淹没度时的流量系数计算结果如表1所示。

m0为根据节制闸全开过不同流量时，所率定的流量系数，计算公式如下：

(3)

表1 试验测量节制闸的流量系数

3.3 分洪渠过流能力试验

为了确定分洪渠自身的行洪能力，试验中节制闸不过流，仅通过分洪渠行洪。试验中节制闸全关，调节上游不同来流量，下游湄水河来流240 m3/s，下游控制断面水位757.48 m进行试验。

表2 上游不同来流量时进口水位

节制闸的正常蓄水位760.00 m，设计洪水位759.91 m(P=3.33%)、760.30 m(P=2.0%)；校核洪水位760.73 m(P=1.0%)，节制闸墩顶高程762.00 m。上述试验可知(见表2)，当上游来流量为312 m3/s时，闸墩处水位为761.30 m，已经超过校核洪水位，所以当节制闸不过流时，分洪渠最大过流量为312 m3/s，不满足设计过流量500 m3/s的要求。试验中分洪渠进口上游附近水流行进流速很小，分洪渠上游进口段出现水面较大的起伏跌落，故需对分洪渠进口体型进行修改。拟将分洪渠进口右岸进行拓宽，右岸圆弧段半径由50 m为120 m。图1和图2分别为分洪渠修改前后的进口平面图。

图1 分洪渠进口平面图 图2 分洪渠进口体型修改平面图

3.4 分洪渠进口体型修改后的过流能力

修改体型后，试验中节制闸不过流，仅通过分洪渠行洪。试验中节制闸全关，下游湄水河来流240 m3/s，下游控制断面水位757.48 m，调节上游来流量进行试验。当上游来流量为325 m3/s时，分洪渠道内水位平稳，没有出现明显的水位起伏跌落，但闸墩处水位为761.45 m，超过校核洪水位，故分洪渠最大过流量为325 m3/s，不满足设计过流量500 m3/s的要求。

3.5 节制闸全开，分洪渠过流

试验中将节制闸全开，下游湄水河来流240 m3/s，下游控制断面水位757.48 m，当上游来流量控制在1 178 m3/s，闸门全开，分洪渠过流，进行试验。

当上游来流为1 178 m3/s流量时，实测上游F1左、右岸水位高程分别为761.03 m、761.03 m。节制闸闸墩处左、右岸水位为761.10 m、761.09 m。通过节制闸流量率定可知流量系数m取0.35(表1)，闸孔宽10 m，堰上水头H为5.095 m，根据流量公式：

(4)

计算的Q节制闸=891 m3/s，此时分洪渠过流Q分洪渠=Q-Q节制闸=287 m3/s，不满足设计过流量500 m3/s的要求。

当上游来流为1 230 m3/s流量时，实测上游F1左、右岸水位高程分别为761.45 m、761.50 m。节制闸进口断面左、右岸水位为761.15 m、761.05 m。通过节制闸流量率定可知流量系数m取0.35，闸孔宽10 m，堰上水头H为5.1 m，根据流量公式：

(5)

计算的Q控制闸=892.3 m3/s，此时分洪渠过流Q分洪渠=Q-Q控制闸=338 m3/s，不满足设计过流量500 m3/s的要求。

3.6 分洪渠底宽增加后的过流能力

分洪渠进口体型修改后，从进口附近河道到下游出口水面无明显跌落，但最大过流能力为338 m3/s，小于设计要求的500 m3/s。由于下游出口附近的水位较高，分洪渠进出口的水位落差很小，若想增大其过流能力，分洪渠挖深只能略微增大其过流能力。因此，只有加大分洪渠的宽度，才能增加其过流能力。经过初步估算，分洪渠底部宽度由15 m增加到20 m，保持两岸坡度和渠道顶部高程不变。当上游来流量控制在1 230 m3/s，节制闸全开，下游湄水河流量240 m3/s，下游控制断面水位757.48 m，测得分洪渠水面高程。分洪渠F1点断面左、右岸的水面高程分别为760.8 m、761.0 m，节制闸进口左、右岸的水面高程分别为760.3 m、760.4 m，此时节制闸的流量为703 m3/s，分洪渠的过流量为527 m3/s，大于500 m3/s。通过观察分洪渠泄放527 m3/s流量时各部位水流流态。分洪渠内水面沿程缓慢降落，渠内有平面转弯引起的冲击波，但强度很小，涵洞内为明流流态。

4 分洪方案优化改进

结合水工模型试验研究成果，在湄江节制闸全关闭下，分洪渠最大行洪流量为312 m3/s，试验中观察到，分洪渠进口上游侧附近水流行进流速很小，通过进口体型调整，将进口右岸拓宽，采用半径为120 m的圆弧连接，在湄江节制闸全开下，分洪渠进口上游来流量为1 230 m3/s时，湄江过流量为892 m3/s，大于设计控制流量730 m3/s，分洪渠过流量为338 m3/s，小于设计分洪流量500 m3/s，均不满足设计要求。由于受分洪渠进出口地势的制约，通过深挖对增加分洪渠过流能力效果不明显，因此只能通过加宽分洪渠才可满足分洪要求，估算后经再次试验，将分洪渠加宽至20 m。

经上述模型试验的研究和分析论证，拟对分洪方案进行优化改进，确定分洪渠两岸边坡和底坡不变，将渠底宽度由15 m增加至20 m，取消湄江节制闸，在分洪渠进口设控制闸，在杨柳湖处修建控制闸的布置方案，其中分洪渠进口控制闸设2道10 m×5 m的平面工作闸门，闸顶高程761.50 m，杨柳湖控制闸设2道10 m×8 m的平面工作闸门，闸顶高程761.50 m，该方案既满足了分洪要求，又兼顾了杨柳湖水面景观的需求。

5 结语

湄潭县城防洪分洪工程的实施对保障老城区防洪区域内国民经济可持续稳定发展具有积极的不可替代的作用，在湄潭县城防洪体系中其他措施完成后可使湄潭县城的防洪标准达到50 a一遇。在分洪工程建设条件受到制约的情况下，基于水工模型试验，对湄潭县城原设计分洪方案进行了优化改进，使工程的施工工期、工程安全、工程投资等方面更为有利。