基于MIKE21好溪流域杜桥堰设计研究

吴 桐，张海峰，王尖锋

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310000；2.缙云县水利水电建设管理有限公司，浙江 丽水 321400）

1 工程概况

堰坝作为一种壅水建筑物，通过对水位和水量的调节，可以发挥灌溉、调整溪流坡降、固沙防冲等作用[1-5]；同时，能够改善和治理周边生态环境，促进人与自然的和谐发展[6-10]。本工程主要为杜桥堰生态改造项目、堰坝左岸连接段堤防和上游滩地便民通道，位于缙云老城区与新城区交接处，是老城区与新城区连接的纽带。堰坝工程位于五云街道，西侧紧邻330国道线，南侧距鼎湖南路约500 m。杜桥堰为生态固定堰，堰坝左岸上游滩地布置便民通道与上游绿道衔接，道路长332 m，总铺装面积860 m²，两侧景观绿化面积为2971 m²；堰坝左岸下游连接段堤防长162 m，使缙云二桥下游堤防亲水平台与上游杜桥堰以及滩地贯通。杜桥堰位于杜桥村附近缙云二桥上游约100 m 处，堰坝布设在好溪干流河道主槽段，堰体总长112 m，堰顶高程143.5 m，堰高3.3 m。现状堰体为混凝土护面，由于运行时间较久，表面混凝土变色，景观性较差；堰坝结构上下游坡面均较陡，堰底局部被淘空，影响堰体整体稳定。经综合考虑，本次工程从改善水环境、美化生态景观、加固堰体结构等方面出发，对杜桥堰进行拆除重建。

2 堰坝坝址选择

本工程需对杜桥堰进行生态改造，拆除现状老堰，重建生态杜桥堰。根据对工程附近水域及周边环境分析，坝址可选原址重建、上游重建和下游重建3 种方案。上游重建方案即拆除现状杜桥堰，将堰坝坝址向上游移动，选择合适位置重建堰坝；本方案可避免现状河道弯曲及河宽狭窄造成的水流流态不佳等问题，但堰坝上移后，左岸滩地周边水面降低，亲水性降低，无法结合后期滩地滨水生态改造工程打造好溪沿线景观带。下游重建方案即拆除现状杜桥堰，将堰坝坝址向下游移动，选择缙云二桥下游合适位置重建堰坝；本方案可避免现状河道弯曲及河宽狭窄造成的水流流态不佳等问题，但缙云二桥下游属缙云老城区，且两岸堤防现状完好，工程实施政策处理难度大。原址重建方案即拆除现状杜桥堰，在老堰原址上重建堰坝；本方案水流流态及两岸冲刷较老堰维持不变，但该方案既能保证上游左岸滩地滨水生态景观，又无政策处理困难。经综合比较，本阶段在上游及下游重建2种方案建设条件不足的情况下，选定堰坝现状坝址重建，即推荐原址重建方案。

3 堰坝轴线选择

针对堰坝原址重建方案，本工程重建杜桥堰轴线可选2种方案进行比选，即现状轴线和正交轴线2种方案。

3.1 方案1：现状轴线

拆除现状杜桥堰，原址重建堰坝，坝轴线沿老堰轴线布置，堰坝长112.3 m，如图1所示。

图1 杜桥堰平面布置（方案1）

3.2 方案2：正交轴线

拆除现状杜桥堰，原址重建堰坝，堰坝左坝头衔接位置与方案1相同，坝轴线与两岸堤防正交布置，堰坝长85.4 m，如图2所示。

4 数值模型与计算参数

采用MIKE21 中的FM 模块进行杜桥堰流态的二维计算。二维水动力学模型的控制方程包括连续方程和动量方程，其中连续方程为：

动量方程为：

式中：H为水深（m）；Z为水位（m），Z=H+B，B为地面高程（m）；M与N分别为x和y方向的单宽流量（m2/s）；u和v分别为x和y方向上的流速分量（m/s）；n为糙率系数；g为重力加速度（m/s2）；q为源汇项。方程没有考虑科氏力和紊动项的影响。

5 数值结果分析

5.1 流态分析

无堰坝、方案1、方案23 种工况流场，如图3—5所示。

图4 流场（方案1）

图5 流场（方案2）

由3 种工况流场图可知，无堰坝工况流态最佳，若在政策处理允许的前提下，堰坝可向下游平移至合适位置；在堰坝原址重建的情况下，方案1延续了现状老堰的流态，对右岸冲刷较为严重，但现状杜桥堰已运行多年，实践证明右岸堤防满足防冲要求；方案2右岸冲刷减缓，但左岸冲刷加重，左岸为本工程新建堤防和下游老城区堤防连接段，本方案实施将增加新建堤防防冲投资，并影响下游老城区已建堤防的安全。因此，从流态角度分析，在堰坝原址重建的前提下，推荐采用方案1。

5.2 过流能力分析

方案1 满足过流能力时，50 a 一遇洪水位为147.43 m，右岸问渔路路面高程满足防洪要求，左岸西滨南路可通过新建堤防连接段加高路面高程；方案2 满足过流能力时，50 a 一遇洪水位为149.06 m，两岸堤防均不能满足防洪要求，左岸山脚下均被淹没，右岸问渔路外侧居民密集区也被淹没。因此，在满足过流能力的情况下，推荐采用方案1。

6 堰型选择

重建杜桥堰位于老堰堰址，平面上沿用老堰轴线，采用直线型布置，堰体总长112 m，堰顶高程与原堰顶高程保持一致为143.5 m，堰高3.3 m。好溪为山区性河道，根据堰体高度、周边环境及类似工程经验，堰坝型式宜采用有跌水效果的堰型。跌水效果有陡坡跌水和缓坡跌水2种形式，此处针对这2种形式进行堰型比选。

6.1 方案1（缓坡多级跌水）

堰顶宽3～8 m，采用花岗岩贴面，下游边缘线呈波浪形布置；堰体采用C15埋石混凝土，埋石率为20%，堰体外包C25 混凝土面层，堰坝底板厚50 cm，底高程为139.7～139.2 m，渐变段坡比为1∶10，齿墙底高程为139.2～138.2 m，伸入中风化凝灰岩；由于堰体较高，堰坝上游水深较深，考虑落水自救等安全问题，在上游142.7、141.7 m处设2级平台，其中为保证生态景观需求，上游142.7 m平台以上采用花岗岩镶面；下游堰面采用5 朵祥云主题设计，上面3 朵祥云倾斜布置，高程渐变为20～40 cm，下面2朵祥云水平布置，高程分别为141.7、142.1m，5 朵祥云内部均采用内凹结构，方便蓄水营造水景，祥云边缘及内部采用花岗岩镶面，突出白云造型；在5朵祥云间采用多级跌水台阶代替光滑斜面，使水流形态更加多样化，台阶跌水落差为10～50 cm，台阶及下游自然倾斜坝面均采用花岗岩镶面；鱼道设置在堰坝右岸，采用自然弯曲的平面形态，宽度3 m，坡面采用厚50 cm 的C25混凝土堰面镶花岗岩贴面的结构，坡比1∶15，末端至高程140.2 m；在堰坝中段布置1 根直径为1 m的放空管，放空管进口中心高程为141.2 m、出口中心高程为140.7 m。堰坝效果，如图6所示。

图6 杜桥堰效果（方案1）

6.2 方案2（陡坡跌水）

堰顶宽4 m，顶部采用景观石自然曲线布置踏步；堰体采用C15埋石混凝土，埋石率为20%，堰体外包厚50 cmC25 混凝土面层，堰坝底板底高程为138.7 m，伸入中风化凝灰岩；由于堰体较高，堰坝上游水深较深，考虑落水自救等安全问题，在上游142.7、141.7 m处设2级平台，其中为保证生态景观需求，上游142.7 m平台以上采用花岗岩镶面；下游采用大块景观石错落理砌，营造3级跌水的景观效果；鱼道设置在堰坝右岸，采用自然弯曲的平面形态，宽度3～5 m，坡面采用厚50 cm的C25混凝土堰面镶花岗岩的结构，坡比1∶15，末端至高程140.20 m；在堰坝中段布置1 根直径为1 m的放空管，放空管进口中心高程为141.2 m、出口中心高程为140.7 m。堰坝效果，如图7所示。

图7 杜桥堰效果（方案2）

7 综合比选

（1）工程投资方面，方案1 优于方案2。方案1下游坡面为缓坡，且造型较为复杂，埋石混凝土量及混凝土量较大，而方案2 大块景观石采购单价及人工费较高，综合可比投资，方案1 为塑造造型，坝体体量较大，造价较高。

（2）整体稳定性方面，方案1优于方案2。2个方案上游结构相同，下游综合坡比方案1较方案2缓得多，整体结构方案1更稳定。

（3）施工难度方面，方案2 下游大块景观石理砌需设计现场指导施工单位理砌，对设计人员的经验和施工人员的工艺提出了较高的要求；方案1 下游曲线布置施工单位需严格根据设计施工图施工，设计人员也需时常到现场指导，对施工单位的能力要求较高。综上，2种方案施工难度均较大。

（4）后期运行方面，2 个方案堰坝两岸均设置亲水平台，游客及附近居民均可前来戏水，如发生人员落水事件，方案1 下游坡面较缓，安全性较高，不易摔伤，而方案2下游较陡，落差较大，易摔伤；本工程靠近城镇，附近居民较多，后期运行方案1水流声较小，对周边居民生活影响小，而方案2 由于陡坡跌水，水流声较大，对周边居民生活影响较大。

（5）外观方面，方案2 堰型为山区性河道典型堰型，生态自然，但缺乏新意；方案1 提取了五云镇镇名作为堰坝造型的灵魂，通过5 朵白云与缙云当地山水相互呼应，营造出天高水清、蓝天白云的美丽景观，创意新颖，与其他地区堰型迥异，可作为缙云的特色堰型。经综合比较，本工程杜桥堰堰型采用造型美观、运行可靠、整体稳定的方案1。

8 结语

本文以好溪流域杜桥堰为例，采用MIKE21 中的FM 模块进行杜桥堰流态二维计算，得出了不同堰坝设计方案下流态的变化规律。研究结果表明，拆除现状杜桥堰、原址重建堰坝、坝轴线沿老堰轴线布置、堰坝长112.3 m 的方案，延续了现状老堰的流态，虽对右岸冲刷较为严重，但现状杜桥堰已运行多年，实践证明右岸堤防满足防冲要求，在满足过流能力的情况下，推荐采用此方案。