赵王新河王村分洪闸闸前堰上水深计算分析

□康亚亭

分洪闸一般建于河道一侧，与主河道存在一定分水角，根据调度规划分泄河道洪水而设。分洪闸在分洪过程中因受分流比的影响，闸前河道水位部分势能转化为动能，分洪口起始断面水位会产生跌落，同时从分洪口至分洪闸前会产生水头损失，通过综合考虑分流比及分洪道水头损失影响，对闸前堰上水深进行计算分析，为分洪闸规模的合理确定提供依据。

1.工程概况

王村分洪闸坐落于廊坊市文安县史各庄镇王村东北、赵王新河右堤上，距白洋淀枣林庄枢纽约18km，是分减赵王新河洪水、控制向文安洼蓄滞洪区分洪的重要工程。

当赵王新河发生100年一遇洪水时，王村分洪闸上游赵王新河水位为8.9m，分洪闸以上赵王新河行洪流量达5860m3/s、以下河道行洪流量3500m3/s，王村分洪闸分洪流量2360m3/s。根据防洪规划调度，改扩建后王村分洪闸分流比相对较大，分洪过程赵王新河与分洪道交口起始断面水位会产生跌落，同时从分洪口至分洪闸前会产生水头损失，因此，闸前堰上水位低于赵王新河河道水位，若闸前堰上水位直接取赵王新河河道水位进行分洪闸规模计算势必会造成计算规模偏小。为保证工程安全，分洪闸闸上水位采用一维分段求和法进行推算分析，并采用二维洪水演进数值模拟结果进行比对。

2.闸前堰上水深计算

2.1 一维分段求和法

2.1.1分洪道起始水深计算

分流比为分洪流量与分洪前河道流量的比值，根据防洪规划调度，改扩建后王村分洪闸分流比40.3%，分流比相对较大，参照《取水输水建筑物丛书—水闸》（中国水利水电出版社），闸上分洪道起始断面水深计算公式如下：

式中：

h0—赵王新河与分洪道交口河道断面水位（m），取h0=8.9m；

k—分流比，根据规划调度，取k=40.3%；

v下—分洪闸下游赵王新河平均流速（m/s），根据赵王新河整治设计成果取值。

经计算，当重现期为100年一遇洪水时，该分洪闸分洪2360m3/s，分洪道与赵王新河交口起始断面水位将跌落4.56cm，相应起始断面水位8.85m、断面流速0.86m/s。

2.1.2分洪道水面线计算

分洪闸上游至赵王新河右堤之间分洪道长度约160m，参照《水工设计手册》（第二版，中国水利水电出版社），分洪闸前堰上水深（计入行进流速）以距闸前3～5倍堰上水头为控制断面。闸前堰上水深根据能量方程采用分段求和法计算，计算公式如下：

式中：

ΔL1-2—分段长度（m）；

h1、h2—分段始、末断面水深（m）；

v1、v2—分 段 始、末 断 面 平 均 流 速（m/s）；

α1、α2—流速分布不均匀系数，取==1.05；

θ—泄槽底坡角度（°）；

n—泄槽槽身糙率系数，取n=0.03；

根据考虑分流比产生水位跌落后确定的起始断面水深，结合上述根据能量方程采用分段求和法计算的100年一遇分洪道水面线成果见表1。

表1 100年一遇分洪道水面线计算成果表

2.2 二维洪水演进法

2.2.1模型采用资料及边界条件

根据王村分洪闸1∶500实测地形图，采用二维洪水演进方法计算堰上水深，计算范围取赵王新河王村闸分洪口所处位置上、下游各1km以及王村闸上游至分洪口的分洪道区域，计算范围内区域综合糙率取0.03，采用MIKE21计算软件建立赵王新河王村闸段数学模型进行数值模拟分析。赵王新河王村闸段洪水演进数学模型见图1。

图1 赵王新河王村闸段洪水演进数学模型

2.2.2计算情况

根据“赵王新河治理工程”河道水面线计算结果，王村闸上游赵王新河100年一遇洪水水位8.91m、下游赵王新河100年一遇洪水水位8.9m，王村闸范围赵王新河水位差别极小，因此100年一遇洪水王村闸范围赵王新河水位均取为8.9m。

考虑到分洪口附近赵王新河左右堤之间有横向水位差，分别推算以分洪口中心断面处左堤为起推水位8.9m时和右堤为起推水位8.9m时的分洪闸闸前分洪道水面线。

2.2.3计算结果

情况一：以赵王新河左堤为起推水位8.9m时分洪道水面线计算结果见图2。

图2 赵王新河左堤为起推水位8.9m时分洪道水面线

情况二：以赵王新河右堤分洪口位置处为起推水位8.9m时分洪道水面线计算结果见图3。

图3 赵王新河右堤为起推水位8.9m时分洪道水面线

经计算，以赵王新河左堤为水位控制断面，推求至闸前控制断面水位降落25.2cm，相应水位8.648m、流速2.005m/s；以 赵 王新 河右堤为水位控制断面，推求至闸前控制断面水位降落19.3cm，相应水位 8.707m、流速1.98m/s。

2.3 一维及二维计算结果比对

将上述一维与二维两种方法得出的闸前分洪道水面线计算结果进行比对，分洪道水面线计算成果比对见表2。

通过上表比对结果可以看出，一维分段求和法计算结果比情况一计算结果略低0.7cm、比情况二计算结果略低6.6cm，情况一与一维分段求和法计算结果较为接近。情况一假定赵王新河左堤处为起推水位8.9m，假定条件考虑了河道横向水位跌落；情况二假定赵王新河右堤处为起推水位8.9m，假定条件忽略了一定程度的河道横向水位跌落，因此情况二推求结果略高于情况一以及一维分段求和法计算结果。本工程考虑到王村分洪闸分洪流量较大、孔数较多、运行调度相对复杂，在王村闸规模设计中采用一维分段求和法水面线计算结果进行闸孔总净宽计算。

3.闸孔总净宽计算

根据上述分析，采用一维分段求和法考虑分流比和分洪道水头损失后的水面线计算结果，100年一遇王村分洪闸分洪流量2360m3/s时闸前堰上水深（计入行进水头）4.889m，闸下水深4.55m，过闸水流淹没度为0.931，为高淹没度出流，根据《水闸设计规范》（SL265-2016）计算所得闸孔总净宽为211m；当不考虑分流比及分洪道水头损失的影响，闸前水位直接采用赵王新河100年一遇洪水位8.9m进行水力计算时，计算所得闸孔总净宽为184m。对于本工程而言，闸前堰上水深直接采用河道水位较考虑水位跌落后计算总净宽减小约12.8%，由此可见，分流比及分洪道水头损失对分洪闸规模计算结果具有不可忽略的影响。

4.结论

分洪闸运用调度复杂，分洪口及闸前水力特性多变，影响因素较多，闸前堰上水位直接取主河道水位进行分洪闸规模计算会造成计算规模偏小。综合考虑分流比及分洪道水头损失影响，采用一维分段求和法对闸前水位进行推求，并采用二维数值模拟法对推求结果进行比对，经分析，两种方法计算结果相差不大，一维分段求和法闸前水位计算基于现行规范和水力计算手册，在工程设计中较易于操作，推求结果在实际工程中得到应用，可为类似工程提供参考。□