浅析拦河闸对大凌河水力特性的影响

金子嵩

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

1 前言

大凌河是辽宁省境内的一条主要河流，于盘山县东郭镇南井子村入渤海，河道全长453 km。为拦蓄大凌河淡水，防止海水倒灌，为两岸经济区提供水源，拟在大凌河河口附近修建一拦河防潮闸。拦河闸壅水分析多采用传统闸堰淹没公式进行，但计算结果仅通过考虑闸堰的阻水面积、水头损失等来计算单一断面的水位壅高值，无法全面反映复杂工程不同位置具体的流场变化情况。入海口附近河道流场通常受潮汐作用，建筑物对河道流态的影响需要用二维模型反映。二维水力计算模型可模拟河段平面流场及河床的细部变化情况，得到二维平面范围内各离散点的可视化计算结果[1]。为明确工程建设对河道水位、流速、流向等具体参数的影响大小及影响范围，且工程位于入海口附近，为潮汐影响范围，因此应采用二维模型进行计算。本文以该拦河防潮闸工程为例，建立适当的二维水力计算模型，进行拦河防潮闸对大凌河河口段河道水位、流速、流向等水力特性及行洪安全的影响分析。

2 工程概况

该拦河防潮闸为传统平板闸，位于大凌河河口无堤段，距入海口5 km。闸址处河道右岸紧邻滨河公路，公路后多为耕地及苇田，左岸为耕地，河底较平坦，平均高程为-1.00 m，主河槽宽约90.00 m。本段河道两岸较为平坦，属无堤段，无规划堤线。拦河防潮闸宽度与主河槽宽度一致，垂直主河槽布置，闸室总宽97.2 m。平面布置见图1。

图1 工程平面布置图

3 河道壅水计算

3.1 计算范围

本工程位于大凌河凌海水文站以下，大凌河凌海水文站以下段受潮汐作用明显，同时为准确反映拦河防潮闸工程局部流态的变化，采用二维数学模型进行计算。为减小模型边界选取对计算结果的影响，本次计算范围确定为凌海水文站到大凌河河口，河长9.55 km。

3.2 计算方案

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2017)和《水闸设计规范》(SL 256-2016)的规定，结合本工程的具体特点，并类比其他工程，确定本工程规模为小(1)型，工程等别为IV等，主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级，工程设计洪水标准为20年一遇[2]，校核洪水标准为50年一遇。本工程位于大凌河白石水库以下农村段，本河段防洪标准为50年一遇。

因此，本次水力计算大凌河计算频率P需包括5%、2%。

3.3 计算方法

本项目计算采用由丹麦DHI水工所开发的Mike21软件的三角形网格水动力模块(HD模块)[3]，该模块在国内外工程项目中应用广泛，模块计算成果得到大量验证，受到业内人士普遍认同。

MIKE21软件的水动力学模块(HD模块)基于水流运动控制方程——浅水方程进行计算[4]，离散方法为有限差分法，计算方法采用ADI(Alternating Direction Implicit)和DS(Double Sweep)格式。

垂向平均二维浅水方程：

(1)

(2)

(3)

质量守恒方程：

(4)

动量方程：

(5)

(6)

式中：h为水深；ζ为水面高程；p、q为x、y方向的单宽流量，其中p=uh，q=vh，u、v分别为x、y方向上沿水深的平均流速；C为谢才系数；g为重力加速度；f为风摩擦系数；V、Vx、Vy为风速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω为柯氏力参数，s-1；Pa为大气压强，kg/(m/s2)；ρω为水的密度；S、Six、Siy为源汇项及在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量。

3.4 模型概化

本次水力计算采用的地形资料为：2019年实测工程附近1∶500地形图、凌海水文站至河口河道大横断图，及2019年谷歌卫星底图。

本模型由三角形非结构化网格构成。网格按主槽和滩地分别进行处理，由于本河段滩地主要为耕地、苇田、鱼塘等，无村庄，地势开阔，故本次计算滩地网格尺寸在1500 m2～2000 m2之间，主槽网格尺寸在500 m2～1000 m2之间；为了更好地反映拦河防潮闸工程建设对河道流态的影响，将工程位置局部网格加密。

本次拦河防潮闸工程结构较为复杂，洪水期阻水建筑主要包括7道闸室墙以及闸两岸连接段填土。为尽可能准确反映每道闸室墙及填土附近流场的变化，将闸室墙、闸两岸填土均做不过水处理。概化后地形见图2，拦河防潮闸处网格见图3。

图2 概化后地形示意图

图3 拦河防潮闸处网格示意图(图中中间为闸室墙，两侧为填土)

图4 P=5%条件下工程后水位影响范围

图5 P=2%条件下工程后水位影响范围

3.5 边界条件及水文

(1)起点水位。本次大凌河水力计算起点水位采用大凌河口相应频率设计潮位过程线，起点水位成果见表1。

表1 大凌河口设计潮高

(2)水文条件。P=5%、2%条件下洪峰流量分别为11387 m3/s、11882 m3/s。

3.6 糙率确定

Mike21 FM模型在计算前，需要设定的糙率参数如下：计算区域的糙率用曼宁系数表示。大凌河属于多沙河流，河床具有洪冲枯淤的特性，综合考虑河道内主槽及滩地内植被、建筑物等情况，参照《水力计算手册》中的“天然河道糙率”表[5]，并参考水文刊印本中实测糙率成果及凌海市下游以往所做的结果。综合考虑后白石下游段主槽糙率主要在0.014～0.020之间，滩地糙率在0.025～0.04之间。

3.7 计算成果及分析

P=5%、2%条件下工程后水位影响范围见图4、图5，流速影响范围见图6、图7。P=2%条件下工程前后流场见图8、图9。

图6 P=5%条件下工程后流速影响范围

图7 P=2%条件下工程后流速影响范围

图8 P=2%条件下工程前局部流场

图9 P=2%条件下工程后局部流场

从图4、图5中可以看出，P=5%、2%条件下，拦河防潮闸位置局部水位壅高值均在0.05 m左右，拦河防潮闸的建设对水位的影响范围大致到闸上游200 m以内，影响范围较小。考虑到本段河道两岸均为无堤段，设计洪水条件下过流宽度较大，因此水位壅高值及水位影响范围均较小，即拦河防潮闸的建设对河道行洪影响较小。

从图6～图9中可以看出由于拦河防潮闸的建设导致上游局部水位壅高，流速较工程前减小，最多减小0.7 m/s左右，其中P=5%条件下流速影响范围到工程位置上游300 m左右，P=2%条件下流速影响范围到工程位置上游500 m左右，影响范围较小。从流场图中还可看出，受闸两侧翼墙及填土阻水作用的影响，水流在该处形成绕流，导致翼墙下游背水面局部流速减小。

4 结论

(1)大凌河河道中新建的拦河防潮闸对闸上游水位、流速的影响范围较小，仅工程局部流场的水位、流速、流向变化较大，因此对其一定距离以外的河道行洪及水利工程正常运行无影响。

(2)大凌河本段河道为平原型河道，滩槽分界不明显，洪水期大量滩地参与过流。洪水期过流面积较大的情况下，该拦河防潮闸工程自身阻水面积较小，因此造成的壅水值及对河道流场的影响均较小，对河道行洪的影响亦较小。

(3)大凌河本段河道具有北方大部分入海河流的特性，拦河防潮闸也是常见于入海河流的建筑物，本次水力计算模型的选取、建立以及对河流水力特性及行洪安全的影响分析对类似工程有较为普遍的参考价值。