罗营口水电站船闸航道清淤疏浚工程洪水影响评价

党 建，杨云飞，林佩颖

(广东源丰水务有限公司，广东 河源 517000)

罗营口水电站船闸航道是东江航道的重要组成部分，东江航道是广东省航道新格局的重要组成部分，由于长期未曾进行清淤疏浚维护，碍航程度非常严重，对各水利枢纽航道，包括罗营口水电站船闸航道进行清淤和疏浚，确保满足通航条件及航运规划要求，势在必行[1]。根据相关法律法规，在河道管理范围内进行非防洪项目建设，应就建设项目对防洪可能产生的影响作出评价，并提出防御措施[2-3]。因此，在罗营口水电站船闸航道清淤疏浚工程开工之前，首先应进行洪水影响分析评价[4]。本文采用水文水利设计计算软件(Hydrolab)、经验公式、Mike21模型分别计算评价河段的水面线、冲刷以及流场，以分析罗营口水电站船闸航道清淤疏浚工程的洪水影响。

1 工程概况

1.1 罗营口水电站概况

罗营口水电站位于广东省和平县东水镇澄村，坝址位于浰江河口下游约6km的东江干流上，是发电为主、兼顾航运的水电站工程。坝址以上流域面积为7360km2，多年平均径流量64.21亿m3。正常蓄水位为77.744m，设计洪水位79.674m，校核洪水位81.264m[5]。罗营口水电站现状船闸规模按Ⅱ级设计，船闸通航吨级为300t。电站主体建筑物由发电厂房及变电站、泄洪建筑物、通航建筑物、两岸连接建筑物等组成。建筑物级别及洪水标准见表 1。

表1 各建筑物级别及洪水标准

1.2 清淤疏浚工程

罗营口水电站航道船闸清淤疏浚工程主要对船闸上下游引航道和连接段进行清淤疏浚，具体内容如下：上游引航道长约140m，清挖至高程71.744m，现状施工平台场地高程为79.044～79.544m；下游引航道长约245m，清挖至高程68.844m，现状施工平台场地高程为73.144～75.744m。

清淤工程范围及控制断面布设如图1所示。清淤工程的评价范围为罗营口电站上下游1.54km的河段，即断面DJ0+000-DJ1+540河段。

图1 清淤范围及控制断面位置示意图

2 研究方法

本文主要对评价河段的壅水情况、冲刷与淤积情况、流场变化进行模拟计算，从而评价清淤疏浚工程的洪水影响。

2.1 水面线计算

河道水位与河道的行洪能力直接相关，河道水面的高低关系到堤防高度的确定，正确推求河道水面线对河道两岸防洪安全有重要意义[6-7]。由于研究河段河道较顺直，无较大支流汇入汇出，流量沿程基本无变化，底坡为顺坡且不变，本文采用水文水利设计计算软件(Hydrolab)中的水面线计算模块推求水面线。该模块将河道水流概化为明渠恒定均匀流，基于伯努利能量方程来进行相关计算[8]，方程如下：

(1)

式中，Z1、Z2—上下游河底高程，m；H1、H2—上下游河道水位，m；v1、v2—上下游断面的平均流速，m/s；α1、α2—上下游的流量系数；△h—上下游断面之间的水头损失，m。

本次评价采用1985国家高程系统，对东江干流河道的横断面进行了实地测量。实测长度为6km，并对罗营口水电站上下游共1540m进行了加密测量。为了较好反映河道走势及断面变化，本次模拟根据东江河流特性，共布设模拟断面9个，各断面位置及桩号如图1所示。

对坝址上游、下游评价河段分别推求水面线。坝址下游评价河段(DJ0+000-DJ0+940)的起推断面为DJ0+000，该断面处的水位为下游评价河段的起推水位；坝址上游河段(DJ1+020-DJ1+540)的起推断面为罗营口电站坝址(DJ1+020)，罗营口电站坝址处的水位为上游评价河段的起推水位。综合各种实际条件，上游评价河段的综合糙率为0.04；下游评价河段的综合糙率为0.038。确定流量及起推水位后，可计算各断面的水位。

2.2 冲刷与淤积计算

清淤疏浚增加了河床过水断面，引起航道附近流速变化，河水挟沙能力也相应发生改变，破坏原有的输沙平衡[9]，对河槽的冲刷也发生了变化。航道清淤疏浚工程的冲刷主要体现为一般冲刷；依据地质勘察报告，评价河床为黏性土，根据JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》，黏性土河床冲刷按下式计算：

(2)

式中，Qt—工程处断面河槽部分通过的设计流量，m3/s；hmt—工程处断面河槽最大水深，m；htq—工程处断面河槽平均水深，m；Bt—工程处断面河槽部分桥孔过水净长，m；IL—冲刷范围内黏性土样的液性指数，取值范围为0.16～1.19，根据研究区的实际情况，本文取0.16。

2.3 流场计算

本文基于Mike21构建二维水流模型，分析工程河段的流速变化情况。Mike21是丹麦水力研究所(简称DHI)开发的系列水动力学软件之一，模型基于浅水方程，用ADI法求解[5]。

(1)模型构建

对罗营口水电站坝址上游评价河段、下游评价河段按照工程是否进行分别建立四个二维模型，其中，工程前及工程后的坝址上游模型模拟范围一致，模拟范围上至断面DJ1+540，下至断面DJ1+020，分别剖分网格7130、7235个；工程前及工程后坝址下游模型模拟范围一致，模拟范围上至断面DJ0+940，下至断面DJ0+000，分别剖分网格31694、16560个。将外业工作获取的实测高程数据导入Mike21中进行网格插值。四个模型的模拟范围及高程如图2所示。根据研究区的实际情况，坝址上游模型的糙率n为0.04，坝址下游模型的糙率n为0.038。

图2 二维模型模拟范围及地表高程

(2)边界条件

二维模型的上游计算边界为流量，下游计算边界为水位。坝址上游模型、下游模型的流量边界分别为DJ1+540断面、DJ0+940断面不同频率下的设计洪水，DJ0+940断面为罗营口电站坝址，DJ1+540断面与DJ0+940断面相距600m，因此坝址上游模型、下游模型的流量边界均为罗营口电站坝址处不同频率下的设计洪水。坝址上游模型、下游模型的水位边界分别为DJ1+020断面、DJ0+000断面处不同频率设计洪水对应的水位。

3 结果分析

3.1 壅水分析

壅水分析主要是指壅水高度及长度，需确定流量及起推水位以求各断面的水位。根据罗营口水电站工程主要建筑物、次要建筑物、船闸规模的设计标准[3]，本文分别计算遭遇10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇洪水时的河道水位情况；根据曼宁公式法[4]可计算得到下游河段起推断面(DJ0+000)处10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇洪水对应的水位；根据罗营口水电站的水位流量关系可知下游河段起推断面(罗营口电站坝址断面DJ1+020)处10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇洪水对应的水位，各频率下设计洪水及上下游评价河段起推水位见表 2。

表2 各频率下设计洪水及上、下游河段起推水位

动能修正系数α取1，根据Hydrolab的计算结果可得各频率下各断面的水位，见表 3。各断面清淤前后水位变化(清淤后水位减清淤前水位)如图3所示。

表3 各频率各断面水位 单位：m

图3 各断面清淤前后水位变化

由图3可知，在遭遇50年、30年、20年、10年一遇洪水时，上游评价河段的清淤典型断面水位降低了0～0.03m，下游评价河段的清淤典型断面水位降低了0～0.06m；项目清淤后，河道过水面积增加，清淤疏浚范围内水位整体降低。

3.2 冲刷与淤积分析

选DJ0+710、DJ1+100分别作为上游评价河段、下游评价河段的典型断面，以分析工程前后冲刷及变化情况。计算成果见表 4，冲刷为负值代表该河道断面表现为淤积。

表4 各频率下工程前后冲刷变化表 单位：m

可表 4可知，在遭遇10年、20年一遇的洪水时，DJ0+710、DJ1+100处清淤前后均表现为淤积，清淤前淤积深度为0.37～0.89m，清淤后淤积深度为1.05～1.35m；在遭遇30年一遇的洪水时，DJ0+710、DJ1+100处清淤前表现为冲刷，冲刷深度为0.09～0.11m，清淤后表现为淤积，淤积深度为0.58～0.064m；在遭遇50年一遇的洪水时，DJ0+710、DJ1+100处清淤前后均表现为冲刷，清淤前冲刷深度为0.71～0.95m，清淤后冲刷深度为0.12～0.48m。可知清淤后在遭遇50年一遇的洪水时河槽受到的冲刷减小，在遭遇30年、20年、10年一遇洪水时河槽的淤积增大。

3.3 河势影响分析

由于二维计算结果数据庞大，为了便于分析，在清淤疏浚工程各个断面均设置采样点。各个模型的流量、水位边界见表 2，则根据Mike21的模拟结果，可得到各频率下各个断面清淤前后的流速，见表 5，清淤前后各洪水频率下流速变化(清淤后流速减清淤前流速)如图4所示。

表5 各频率评价河段各断面流速 单位：(m/s)

由图4可知，在遭遇50年、30年、20年、10年一遇洪水时，上游评价河段的清淤典型断面流速降低了0～0.24m/s，下游评价河段的清淤典型断面水速降低了0～0.31m/s；项目清淤后，评价河段的各断面流速较清淤前流速减小，但减小的幅度非常小。

图4 各频率评价河段各断面流速变化

4 结论

(1)各洪水频率条件下，清淤典型断面水位降低了0～0.06m，航道疏竣工程能增加河道过水面积，降低河道洪水位，对河道行洪起着积极的作用。

(2)在遭遇低频率洪水时，典型断面均表现为淤积且清淤工程会使淤积增大；在遭遇高频率洪水时，典型断面均表现为冲刷且清淤工程可使河槽受到的冲刷减小；总体上清淤工程的实施对河床冲刷与淤积影响不大。

(3)各洪水频率条件下，流速变化范围为0～0.31m/s，清淤疏浚工程主要导致清淤范围内局部水域的流场发生变化。工程对评价范围内河段的水流流态、整体河势影响较小。