堰闸布置方案对天然分汊河道水流特性的影响

刘韶华

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006)

随着人类生产、生活水平的提高，自然状态下各河流分支的流量往往不能满足人类的需求，河道分流建筑在保障下游河道两岸防洪安全以及控制洪水期支流流量方面发挥的效果愈发显著[1]。但近年来河道分流建筑的弊病也逐渐增多，分流堰的分流效果优劣不一以及支汊河道逐年淤积萎缩等问题严重阻碍水利工程的安全运行，修建合适的分流堰能够有效解决困扰河道两岸人类与环境协同发展的难题[2]。国内学者对天然分汊河道水流特性做了大量研究，文经纬[3]等人对不同的河道类型进行了归纳总结，提出了不同河型的形成是地质情况、边界条件以及河道比降等共同作用的结果；徐芳[4]等人利用室内试验对分汊河道的地质构造以及局部耐冲节点间的关系进行了研究，得到了造成分汊型河流的主要因素；杨玲霞[5]等将水流流态划分为稳速区、潜流加速区以及滞留区等8个区域，并对各区域大小和形成原因等进行了分析研究，得到了分流比与相对流速间的关系。本文对不同分流堰闸的分布方式以及河道水流的特性进行了系统的研究，以辽宁社河河道为试验研究对象，对堰闸方案进行了设计，并对各方案堰闸布置对分汊河道水流特性的影响进行了对比研究，得到了较优的建堰方案，并针对模型试验中出现的问题对方案进行了优化，为今后河道建筑的发展奠定基础。

1 堰闸布置方案

1.1 堰闸布置方案

基于分流建筑物水毁机理及天然河道的水流特性，设计了两种堰闸建筑物方案[6-7]。

1.1.1方案1：原址堰闸建筑物设计方案

保留原有的过水土坝两侧堤防，拆除现有的“U”型槽及下游消能建筑，设计堰顶高程为13.05m，水闸底板高程7.12m，闸室长15.00m，门高5.20m，单孔宽9.25m并在顶部设置胸墙。沿社河干流上游至下游525m加固土堤，新建WES实用堰，两侧堤顶宽5m，高程19.36m，堰面为钢筋混凝土。堰前左岸布置高程为15.1m的戗台，与堰后修建的混凝土挡墙及石笼护岸共同作用，削弱横向水流。支汊下游左岸考虑斜向水流作用，选用底流消能的方式修建消能工，消力池深3m，长45m，海漫长40m，斜向设计与堰轴线呈35°夹角。

1.1.2方案2：新址堰闸建筑物设计方案

将堰闸建筑物移至支汊下游550m位置处，将原有的上游堰体拆除，迎水面石笼防护，布置河道分汊点分水导流戗台，减小进入支汊的流量，缩小进水断面。新址堰闸位于原堰体下游600m处，设计堰顶高程为12.68m，堰上设5.00m宽工作桥，堰面铺设钢筋混凝土，堰闸右侧为净宽为12m的3孔墙式水闸，左侧为WES新型实用堰，堰闸上游铺盖长15m，下游选用底流消能方式修建消能池，池深2m，池长45m。堰闸的闸室长15.00m，门高6m，闸底板顶高程5.60m，顶部设胸墙。

1.2 试验测点布置

1.2.1方案1：原址堰闸建筑物设计方案测点布置

试验将整个河道划分为两个主系列桩号，支汊为一系列桩号，范围为支0+000—1+000；干流及主汊为一系列桩号，范围为干0+000—干2+400。选取支汊8个关键断面，干流12个关键断面，对河床的各个水力要素进行测量，各断面分别截取5～9个断面测位，测速时，各测位由水深状况布置1～5个垂向测点[8-9]。堰闸附近布置5个测量断面，并沿堰轴向方向布置2个水闸测位，8个溢流堰测位。

1.2.2方案2：新址堰闸建筑物设计方案测点布置

试验选取河床支汊与干流各12个关键断面，对各项水力要素进行测量，并根据断面宽度，截取5～9个断面测位，测量流速时，根据水深情况布置1～5个垂向测点。堰闸附近布置5个测量断面，沿堰轴线方向选取5个溢流堰测位，3个水闸测位。

2 堰闸布置方案对天然分汊河道分流比的影响

2.1 方案1分流比分析

方案1主支汊分流情况如图1所示。由图1可知，主支汊分流比随着干流流量的增大而逐渐趋于一致。当分流堰未过流，即西支堰前水位未超过堰顶时，西支过流量仅由闸口控制。当干流流量由1500m3/s增大至5000m3/s时，闸后的流速增大，堰前的水位升高，此时，需要减小闸门的开度，以确保消力池后不出现二次水跃等水力现象。干流流量由5000m2/s增大到15000m3/s时，随着干流流量的增大，支汊分流比逐渐增大，分流堰对流量的控制作用减弱，总流量增大至17000m3/s时，主支汊分流比相差较小。通过增加堰高可达到减小支流流量的目的，但增加堰高又会对上游防洪的要求增高，增大了工程投资。

图1 方案1主支汊分流情况

2.2 方案2分流比分析

方案2主支汊分流如图2所示。由图2可知，随着干流流量的增大，主支汊分流比逐渐趋于一致。当干流流量大于4700m3/s时，随着干流流量的增大，分流堰对流量的控制作用逐渐减小，支流的分流比逐渐增大。支流流量为6000m3/s时，超过限制流量不足1%，通过闸门开度的有效配合，能够很好地控制支流流量，堰高基本满足限流要求。

图2 方案2主支汊分流

2.3 各方案分流比综合分析

图3为天然河道与两方案分流比的对比图，由图可知，当干流流量低于10000m3/s时，两方案的分流比相差不大；随着干流流量的增大，两方案的支汊分流比都呈现逐渐增大的趋势，且方案1的增长幅度较大。当流量大于16000m3/s，小于18000m3/s时，与天然无河道的支流分流比相较，方案1仅仅降低了3%；当流量大于18000m3/s时，方案1支汊分流比约为45%，而方案2的支汊分流比约为35%，降低了10%，较天然河道下降了13%。可见，方案2的限流功能更加明显，堰闸的最佳布置位置为支汊进口下游，此时调节分流比的效果最优。

图3 分流比对比图

3 堰闸布置方案对天然分汊河道水位计过流能力的影响

3.1 河道水位及流速分析

图4为两方案干流断面平均水位折线图，由图可知，当流量低于6000m3/s时，两方案的水位沿桩号的变化基本相同。分汊口上游水面坡度与河道坡降抑制，受地形因素影响较大。当流量大于6000m3/s，小于12000m3/s时，水位壅高现象明显，河道坡降大于水面坡度。桩号1+000到1+700间均为支汊口门断面，壅水作用明显，两方案存在明显的水面坡降。当来流流量较大时，方案1的支汊分流堰壅水作用更加明显，水面壅高，使得1+300—1+500区域出现明显的水位升高状况。方案2的分流堰建于支汊口下游，并未出现局部水位升高的现象，受壅水作用影响较小。

图4 两方案干流断面平均水位图

由图5两种方案支汊断面平均水位折线图可知，两方案的建堰存在较大差异，方案2建于支汊口断面下游550m处，方案1分流堰建于支汊口断面处，两方案的水面跌落位置不同。当流量较小时，两方案的堰前水位保持一致，随着流量的增大方案1的堰前水位增大速率更大，受到河水的壅水作用较大。

图5 两方案支汊断面平均水位图

3.2 过流能力分析

由图6两方案干流断面平均流速折线图可知，桩号0+300—0+500区域断面流速增大，受社河大桥桥墩影响较明显。河水进入支汊后，分流建筑物的壅水作用降低，使得流速增大河道变窄。桩号1+300之后，流速的增幅减小；在桩号1+500断面位置，方案1的平均流速在2.15～3.21m/s范围内变化，方案2的平均流速在2.92～3.66m/s范围内波动。随着桩号的延伸，流量逐渐下降并趋于稳定。受地形、建筑物以及分汊河口的影响，方案1在堰前区域受壅水作用影响较大，流速波动范围较小。

图6 两方案干流断面平均流速图

方案1堰前水位与流量关系见表1，由表1可知，支汊流量随着堰前水位的增大而增大，当干流流量为7000.00m3/s时，闸孔流量为148.56m3/s，支汊流量为836.24m3/s。受孔数限制以及闸门开度的影响，随着支汊流量的增加，堰顶溢流流量与闸孔流量虽有所增加，但增幅较小。当支汊流量为8210.65m3/s时，受实用堰过流能力的影响，闸孔流量仅为584.62m3/s。

方案2堰前水位与流量的关系见表2，由表2可知，支汊流量随着堰前水位的增高而增大，且速率也逐渐变大。当干流流量为700.00m3/s时，闸孔流量仅为101.35m3/s，支汊流量为725.52m3/s，当支汊流量为6123.87m3/s时，闸孔流量仅为554.01m3/s。实用堰的过流能力，影响着堰闸体系的过流能力。随着支汊流量的增加，由于受到堰闸孔数以及闸门开度的影响，堰顶溢流及闸孔流量增加幅度较小。

表1 方案1水位—流量关系

表2 方案2水位—流量关系

4 结语

以天然分汊河道分流堰为原型，以辽宁社河分流堰为例，通过设计的两种堰闸建筑方案，系统的研究了堰闸布置方案对天然分汊河道水流特性的影响，对比分析得到了以下结论：

(1)由主支汊分流比对比可知：当堰闸轴线位于方案1位置时，随着流量的增大，支汊分流比可达到45%，基本失去调节水流的能力；而堰闸轴线位于支汊下游550m处时，支汊分流比为35%，堰闸调节分流的能力更强。

(2)当堰闸轴线位于方案1中所处位置，即原址支汊口时，主支汊水流的壅水作用更加明显，对下游河床及河道建筑物存在着较大的威胁；当堰闸处于支汊下游550m，即方案2中所处位置时，各流量下水流流速分布较为平均，消能效果较好。

(3)原址堰闸综合流量系数为0.39～0.52，有较大的过流能力，而新址堰闸方案中，堰前流量系数仅为0.31～0.40，对比说明，下游新址堰闸方案能够更好地控制支汊的过流量。