大溪治理提升工程建桥一维水动力模拟分析

江政儒,陈家豪,潘 勇,李东风

(1.丽水市水利局，浙江 丽水 323000；2.宁波天成水利水电设计有限公司，浙江 宁波 315100； 3.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

在河道工程治理规划和设计中，都需要对河道水流进行非均匀流计算，以掌握河流流速和水位水面线等水动力要素数据，从而为工程设计、洪水预报、水库调度、溃坝洪水演进计算等提供科学依据[1-2]。一维河道恒定均匀流水力计算，可进行各种涉水建筑物，如桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、块状阻水建筑物等河道的水面线分析计算，同时可绘制横断面形态图、流量以及水位过程曲线，从而满足工程需要。河道恒定流计算和水动力模拟分析是河道规划设计的基础，越来越受到规划设计工程师的重视[3-4]。

为满足工程设计的要求，丽水大溪治理提升改造工程河道设计需要通过一维恒定非均匀流进行河道水力计算[5-6]。

1 基本概况

瓯江发源于庆元、龙泉交界的洞宫山脉百山祖西北麓，流经小梅、龙泉、紧水滩、石塘、均溪、大港头、碧湖、丽水、青田、温州等地，注入东海，流域面积18 100 km2，河长384 km，河道比降3.4‰，总落差1 800 m。丽水大溪治理提升改造工程上游起于玉溪电站大坝，下游止于开潭电站大坝，河段全长约42 km，河宽230～800 m，河道比降0.86‰。范围内主要有松阴溪、宣平溪、小安溪(又称太平港)、好溪四条较大支流汇入。另外还有十二条较小支流汇入，其中最大的桐岭溪集水面积44.53 km2，其余支流集水面积均<30 km2。本河段沿岸分布小片平原与盆地。一是碧湖平原，集水面积138 km2，其中平原面积51 km2，山丘面积87 km2；二是丽水盆地(主城区集水面积40 km2)，其中平原面积24 km2，山丘面积16 km2。

2 模型水文边界条件分析

2.1 暴雨洪水特性

(1)暴雨特性

丽水市地处瓯江流域，丽水市主要有梅雨和台风雨两种雨型。春夏季节(4月中旬—7月中旬)，太平洋副热带高压逐渐加强，与南下的冷空气相遇，一旦静止锋徘徊，即形成持续时间较长的锋面雨，俗称梅雨，主雨峰一般发生于5—6月份。夏秋季节(7月中旬—10月中旬)，受太平洋副热带高压控制，热带风暴和台风活动频繁，影响到本地区时便有短历时大暴雨发生，称为台风雨；此时期若受热带风暴和台风影响较少，则易造成高温干旱。冬春时期(10月中旬—4月中旬)，受北方冷空气影响，天气寒冷干燥，基本少雨，为非汛期。

(2)洪水特性

瓯江流域洪水的成因主要为梅雨和台风暴雨，因受水汽输送的方向、路径、地形和地势等因素的影响，暴雨洪水有明显的地区差异。流域西部以梅雨洪水为主，东部和南部以台风雨洪水为主。从上游至下游而言，则先以干流上游地区的梅雨为主逐渐向下游地区的台风雨为主转变，中部地区为过渡区。

瓯江干流大洪水的主要特点是：峰高量大、水量集中、涨落较快，洪水过程的主要时段一般集中于3 d左右。梅雨形成的洪水过程线形状较胖，且复峰较多。台风雨形成的洪水过程稍瘦，单峰居多。梅雨大洪水出现于5—6月份较多，而台风雨大洪水多数发生在8—9月间。

2.2 径流

瓯江流域径流主要由降水形成。其丰枯变化与降水量的年际、年内变化基本同步。据均溪水文站径流资料分析，多年平均年径流深1 019.7 mm，最丰年1 652.8 mm(1954年)，最枯年484.0 mm(1971年)，丰、枯水年径流之比为3.4 ∶1。径流多年平均年内分配呈单峰型，主要由梅雨和春雨形成。自3—7月的5个月径流量占年总量的78.5%，其中最大月为6月份，该月份径流占全年的22.6%。枯水期通常在10—2月之间，这5个月的径流总量占全年的15.1%，其中12月份仅占全年的2.3%。

根据有关测站实测径流资料统计分析，考虑降雨修正，按水文比拟法计算，算出瓯江大溪各控制断面多年平均径流量，成果(见表1)。

表1 工程区各控制断面多年平均径流量成果表

2.3 设计洪水

本次计算对五里亭站和靖居口站洪水系列延长到了2015年，延长系列后，五里亭站和靖居口站流量均值均略有减小，减少幅度约1%，其余统计参数一致。考虑延长系列后洪水统计参数变化不大，偏安全起见，本次设计仍推荐采用《瓯江流域防洪规划》(2001年)中各水文站洪水分析成果。工程区设计洪水成果(见表2)。

表2 工程区设计洪水成果表(紧水滩起调水位182m)

注：好溪洪水已考虑潜明水库滞洪削峰影响。

3 大溪治理提升改造工程河道恒定流模型

3.1 基本理论

一维恒定流水力模型基本计算公式为：

式中：Z1、Z2—上、下游断面深泓高程，m；

Y1、Y2—上、下游断面最大水深，m；

he—能量损失，包括沿程损失及局部损失；

L—上、下游断面间距，m；

C—局部阻力系数；Q—断面流量，m3/s；

K—流量模数，m3/s；n—糙率；

A—过水断面面积，m2；

g—重力加速度，取9.81 m/s2。

3.2 边界条件

丽水大溪治理提升改造工程一维恒定流水力模型上边界为玉溪流量边界，下边界取用开潭水利枢纽水位边界。大溪自玉溪电站下游开始在大港头左纳松阴溪，流经碧湖平原于石牛街左纳宣平溪，小白岩处左纳小安溪，穿过丽水市城区至古城左纳好溪，至本次水面线计算下边界开潭水利枢纽。

本次计算依据2014年工程区实测资料《玉溪至三溪口河道现状横断面测量总图》中的纵横断面资料(含部分桥涵要素资料)，无桥涵要素桥梁借用其他相似桥涵要素参数，断面平均间距为555 m，水流变化及控制性的断面进行了加测，测量成果能控制河道变化，基本可满足本次水面线计算工作要求。

大溪水利计算模型干流河道全长42 km，共77个断面，平均断面间距约555 m；支流松阴溪水利计算模型河道全长1.41 km，共5个断面，平均断面间距约352 m；支流好溪水利计算模型河道全长5.42 km，共13个断面，平均断面间距约452 m。

由于桥墩束窄了河道的过流面积，使桥位上游水位抬高，产生桥前壅水现象，推算水面线时必须考虑桥梁壅水影响。建立水力模型时将桥梁要素输入模型中同步生成涉水建筑物模型，运行计算后可直接得到受桥梁壅水影响的设计洪水水面线。

3.2.1 上边界设计洪水成果

《瓯江流域综合规划》(2015年)中，第5章防洪减灾第20条流域防洪调度规则如下：开潭水电站坝址断面、青田水利枢纽工程断面作为瓯江干流洪水控制断面。规划控制开潭水电站坝址断面20年一遇流量不超过9 900 m3/s，50年一遇不超过11 900 m3/s；规划控制五云镇缙云水文站断面50年一遇流量不超过2 000 m3/s。

根据《瓯江流域综合规划》中防洪调度规则，本次瓯江大溪段洪水采用紧水滩水库起调水位182 m时设计洪水成果、好溪考虑潜明水库滞洪削峰影响后洪水成果，作为本次工程设计的依据；施工期洪水以各水文控制断面的非汛期5年一遇设计洪水作为工程施工导流工程设计依据。工程区设计洪水成果(见表3)；工程区非汛期设计洪水成果(见表4)。

表3工程区设计洪水成果表(紧水滩起调水位182m)

控制断面集水面积/km2各频率洪峰流量/(m3/s) 2% 5%松阴溪汇入口上游3 4357 1684 274石牛(宣平溪汇入口上游约4 km)5 5639 4007 200小安溪汇入口上游6 52510 1508 000好溪汇入口上游7 12211 0009 000开潭坝址8 54411 9009 900松阴溪河口1 9814 9704 089好溪河口1 3403 8403 210

注：好溪洪水已考虑潜明水库滞洪削峰影响。

表4瓯江干流部分水文控制断面非汛期设计洪水成果表

断面集水面积/km2各频率洪峰流量/(m3/s)5%10%20%33.3%松阴溪汇入口上游5 4161 3291 1771 013882石牛(宣平溪汇入口上游约4 km)5 4802 6422 2751 9051 615小安溪汇入口上游6 5253 2522 8052 3371 974好溪汇入口上游7 1223 6213 1182 5922 183开潭坝址8 5444 4623 8323 1732 660

注：已考虑上游紧水滩水库的调蓄作用。

3.2.2 下边界起始水位确定

本次规划河段末端为开潭电站大坝。受开潭水库回水的影响，工程末端处水位流量关系已非天然河流的单一状态，因此，干流设计流量对应的下边界水位依据《瓯江流域综合规划》中洪水调度原则确定。

根据《瓯江流域综合规划》，下边界开潭电站大坝坝前50年一遇起推水位为50.26 m，20年一遇起推水位为49.19 m。根据《2017年丽水开潭水利枢纽工程水库控制运用计划》，入库流量>2 000 m3/s且<4 000 m3/s时，坝前水位降至47 m，通过调整泄洪闸开度，按来多少泄多少控制。由工程区施工期洪水计算成果表可知，工程区末端5年一遇非汛期洪水洪峰流量为3 173 m3/s，因此下边界开潭电站大坝坝前5年一遇施工期洪水起推水位为47.00 m。

瓯江干流与支流洪水的频率遭遇具有较大的随机性。支流回水段水面线成果取干流、支流各自计算50年一遇干支流交汇口处设计洪水水面线外包线，作为支流水面线最终成果。

由于缺少松阴溪、好溪入大溪河口处实测洪水水力坡降资料，下边界条件利用汇入口局部河段平均比降代替水力坡降，经过试算判定各个控制断面水流流态，水流为缓流的以正常水深时水位作为起始水位，非缓流时以临界水深时水位作为起始水位，以此推算不考虑干流洪水顶托影响下的设计水面线。

3.2.3 河道断面资料

本次计算根据2014年工程区实测资料《玉溪至三溪口河道现状横断面测量总图》中的纵横断面资料(含部分桥涵要素资料)，无桥涵要素桥梁借用其他桥涵要素参数，断面平均间距为555 m，水流变化及控制性的断面进行了加测，测量成果能控制河道变化，基本可满足本次水面线计算工作要求。水力计算模型断面布设示意图(见图1)。

图1 河道测量断面位置示意图

3.2.4 模型参数

根据工程区内及附近已批复的《瓯江治理工程丽水市大溪治理工程(市本级段)初步设计报告》(2013年)、《瓯江治理工程丽水市大溪治理工程(莲都段)初步设计报告》(2013年)等报告中的河道糙率取值，综合糙率取值为0.030～0.035，本次选取该成果作为模型初始参数。

3.2.5 模型验证

为了能较好地模拟流域的洪水，使计算模型符合流域实际，选择“2014年8月20日”实测洪水进行验证，模型验证时考虑金丽温高铁大溪特大桥施工栈桥阻水因素影响。通过验证计算，检查水文分析成果是否符合实际，河道概化是否切实反映流域特性，检查采用的计算断面是否具有代表性，河道糙率等计算参数是否合理。经过模拟分析验证，综合糙率取值为0.032～0.035。洪水验证成果(见表3)，从表5中可以看出，模型计算得到的水位与洪痕基本吻合，说明所建立的大溪水利计算模型是基本合理的。

根据前述确定的糙率、起始水位、实测断面以及计算方法，水面线由下游往上游起推，同时考虑桥梁壅水对水面线的影响。

4 跨河建筑物河流水动力模拟分析

根据上述边界条件对设计及施工期洪水水面线进行了计算，计算成果(见图2—4)。

表5 洪水验证计算最高水位对比表

图2 瓯江大溪段50年、20年、5年(施工分期洪水)一遇洪水位水面线图

图3 松阴溪河口段50年、20年一遇洪水位水面线图

图4 好溪河口段50年、20年一遇洪水位水面线图

本项目区大溪干流治理河段上共建有10座桥梁，大溪支流好溪治理河段上共建有2座桥梁，桥梁要素特征(见表6)。

在设计洪水情况下桥梁将产生一定的壅水现象，本次水面线计算采用HEC-RAS软件建立一维恒定流水力模型推算，建立水力模型时将桥梁要素输入软件中同步生成涉水建筑物模型，运行计算后可直接得到受桥梁壅水影响的设计洪水水面线。

工程区桥梁过洪能力复核成果(见表6)。

表6 P=2%设计洪水桥梁壅水高度及桥梁净空计算成果表

对于跨度超过规划堤距，而且桥下净空满足规范要求，不影响河道行洪的桥梁予以保留，对跨度小于规划堤距、桥下净空达不到规范要求的跨河桥梁，如果在城市道路规划桥梁位置的，可结合道路规划要求及防洪要求予以改建，其余的则予以拆除。

根据以上处理原则，对比水面线结果，大溪干流及好溪支流上的12座桥梁桥底板高程均高于设计洪水位，且净空高度>0.5 m，跨度和高度都满足防洪要求。

5 结 论

对丽水大溪治理提升改造工程进行了水动力模拟分析，建立了大溪河道一维恒定非均匀流数学模型，并对模型进行了验证计算，利用软件对大溪河道水面线进行了计算，对比水面线结果，大溪干流及好溪支流上的12座桥梁桥底板高程均高于设计洪水位，且净空高度>0.5 m，跨度和高度都满足防洪要求，为河道设计提供了依据。