船闸施工围堰对水位影响的数值模拟

张善亮，余鸿慧

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.国网新源水电有限公司富春江水力发电厂，浙江 桐庐 311504）

1 问题的提出

船闸建造过程需修建围堰，在施工期一定程度上改变了水域的水流特性，从而引起工程河段水位的变化，特别是大型综合利用水库的船闸改造，影响对象众多，直接影响周边人民的生命安全、生态环境等。因此，研究船闸施工期围堰对水位的变化具有重要意义。

以富春江船闸扩建改造工程施工期围堰为例，吴启和[1]采用三维模型研究过水围堰近坝消能区水流特性；张善亮[2]利用二维模型分析施工围堰附近水流特性。利用MIKE11一维水动力模型对施工围堰附近流场进行概化，分析围堰对富春江电站坝下水位的影响，进而提出合理的围堰运行方案，可为区域防洪减灾研究提供参考。

2 工程概况

富春江船闸扩建改造工程是复兴钱塘江航运、打通富春江船闸碍航“瓶颈”、建设“港航强省”的重要举措。该工程施工期修建围堰包括纵向围堰和横向围堰。纵向围堰上接老船闸左侧，下接唐家洲洲头，平行于河岸布置；横向围堰连接唐家洲中部与富春江右岸沿江道路，垂直于河岸布置。施工期围堰为过水围堰，洪水期水位超出围堰堰顶高程，洪水进入基坑，施工区域可参与行洪。施工围堰布置见图1。

图1 施工围堰布置图

3 水动力模型建立

采用丹麦水利研究所（DHI）研制的MIKE11水动力模型进行水利计算。MIKE11河流模型系统是模拟一维水流、泥沙和水质的国际化工程软件，适合于包括复杂平原河网在内的一维非恒定流计算， 是一个经过大量工程实践验证的模型工具[3-5]。

3.1 水动力模型

一维非恒定流模型为圣维南明渠非恒定流偏微分方程组：

式中：B为水面宽（m）；Z为水位（m）；Q为流量（m3/s）；q为旁侧入流（m3/s）；v为断面平均流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；A为过水断面面积（m2），K为过水断面的流量模数；t为时间（s）；S为距离（m）。MIKE11利用Abbott六点隐式差分格式求解圣维南方程，求解时，将河道离散成水位、流量相间的计算点。将桥梁壅水公式中计算出的Δh转化为圣维南公式中动能方程组的追赶系数的改变，最后求解线性差分方程组。

3.2 研究范围和边界条件的确定

一维模型计算范围为富春江坝址下游至航道疏浚末端桐庐分水江口的河道，计算范围河道总长度约11 km，计算范围内包括4座桥梁（杭新景高速公路富春江大桥、渡济大桥、富春江大桥以及富春江二桥）。上边界为富春江坝下，采用流量边界；下边界为桐庐分水江口，采用水位边界。

3.3 模型概化

一维模型概化见图2。

图2 一维模型概化图

一维模型采用主槽和引航道2条平行河道。中间纵向施工围堰采用一排link channel连接，link chanel即连接渠道，就是一条短河流用于连接主槽和引航道，连接渠道不需要断面，因此比正常的河道而言更简捷。在模拟过程中，连接渠道可以看做是一个带有建筑物的河流或有阻力、固定长度的溢流堰。高水漫过堰，低水受围堰阻挡水流沿主槽流动。横向施工围堰在引航道设置宽顶堰。

3.4 模型率定和验证

模型验证根据富春江围堰建成后的2场洪水进行洪水过程分别进行率定和验证。

因计算针对上游不同下泄流量级，对应不同水深，所以拟合一条糙率 — 水深关系线。其函数为n = a×Db，式中n为糙率，D为水深（m），a为线性常数，b为指数常数。其中a与b，根据恒定流实测水位率定分析，低水采用糙率要大于高水，故b值为负值。率定结果a = 0.060，b = -0.206，糙率n的取值范围n＜0.048。糙率与水深曲线见图3。

图3 糙率与水深曲线图

2014年6月和2014年8月是富春江船闸改造工程开工以来经历的2次较大洪水。2014年6月洪水过程分1 530 m3/s和9 000 m3/s流量级进行率定，其计算值与实测值相差较小，水位过程和实测基本吻合（见图4、图5），精度评价参数R分别达到0.967和0.979。2014年8月洪水流量为7 680 m3/s，验证情况见图6，精度评价参数R达到0.993。

图4 流量为1 530 m3/s时计算值与实测值对比图

图5 流量为8 970 m3/s时计算值与实测值对比图

图6 流量为7 680 m3/s时计算值与实测值对比图

3.5 计算工况

模型计算工况根据围堰不同高度分别进行计算。富春江船闸扩建工程围堰布置，一期主围堰为过流围堰，过流标准为10 a一遇洪水。主围堰总长1 548 m，由顶冲围堰、纵向围堰、唐家洲、下游横向围堰4个部分组成，其中顶冲段堰体长130 m，纵向围堰长728 m，唐家洲周体利用长639 m，下游横向围堰长121 m；二期围堰为在主围堰堰顶设子围堰。顶冲围堰一期围堰顶高程为8.50 m，二期围堰堰顶高程为12.50 m，纵向围堰一期围堰堰顶高程为9.50 m，二期围堰顶高程为12.50 m，横向围堰一期围堰堰顶高程为8.70 m，二期围堰堰顶高程为12.50 m。考虑子围堰是否溃堰，计算3种不同工况（见图7）。

图7 各计算工况围堰形态及高程图

工况1：顶冲围堰堰顶高程为8.50 m， 纵向围堰堰顶高程为9.50 m，横向围堰堰顶高程为8.70 m（即横纵向围堰子围堰均溃堰）；

工况2：横纵围堰堰顶高程均为12.50 m；

工况3：顶冲围堰堰顶高程为8.50 m，纵向围堰堰顶高程为9.50 m，横向围堰堰顶高程为12.50 m（即纵向围堰子围堰溃堰，横向围堰子围堰未溃）。

4 成果及分析

4.1 工况1计算成果

工况1计算成果见表1。由表1可知，船闸施工期围堰造成坝下壅高为0.26 ~ 0.29 m，与围堰建成前相比对行洪影响不大。

表1 工况1计算成果表

4.2 工况2计算成果

工况2计算成果见表2。由表2可知，满发流量下，由于围堰造成的坝下水位壅高为0.29 m；对于大流量级别洪水，由于围堰造成的坝下水位壅高值为0.57 ~ 0.60 m。

表2 工况2计算成果表

4.3 工况3计算成果

工况3计算成果见表3。由表3可知，满发流量下，由于围堰造成的坝下水位壅高为0.29 m；对于大流量级别洪水，由于围堰造成的坝下水位壅高值为0.41 ~ 0.45 m。

表3 工况3计算成果表

4.4 成果分析

由表1、2、3可知，流量为3 070 m3/s流量级别下，在3种不同工况下坝下水位是一致的。主要因为小流量下水位小于9.50 m，未能翻过主围堰（高程为9.50 m）。所以围堰高程的变化对其水位没有影响。大流量级别洪水：工况1横纵向围堰高程均为9.50 m，所以当水位达到9.50 m水位差达到最大，水位大于9.50 m后，洪水翻过横纵围堰，水位差保持为0.25 ~ 0.30 m；工况2横纵向围堰高程均为12.50 m，所以当水位达到12.50 m水位差达到最大，水位大于12.50 m后，洪水翻过横纵围堰，水位差基本为平行线；工况3横向围堰12.50 m，纵向围堰高程为9.50 m，所以当水位达到9.50 m时水位差达到最大，其水位差介于工况1和工况2之间。主要因为水位达到9.50 m后翻过纵向围堰，但未能翻过横向围堰，只有水位达到12.50 m后，洪水翻过横纵围堰。对于工况1、工况2、工况3围堰建成后比围堰建成前分别雍高0.26 ~ 0.29 m，0.29 ~0.60 m，0.29 ~ 0.45 m。

5 结 语

（1）利用MIKE11水动力模型，对富春江船闸扩建改造工程施工期围堰进行概化，研究河流施工围堰对其防洪安全的影响，较为准确地分析围堰对水库坝下水位的影响，确保区域防洪安全。

（2）该方法具有一定的通用性，为库区船闸改建类似工程问题的研究提供了一条有效的分析途径。