賈魯河綜合治理工程防洪影響分析

□于黎雅（鄭州市水利建筑勘測設計院）

賈魯河綜合治理工程防洪影響分析

□于黎雅（鄭州市水利建筑勘測設計院）

賈魯河綜合治理范圍為尖崗水庫至中牟縣大王莊彎道段，治理長度62.77 km，綜合治理工程實施后，沿線新建液壓壩工程使河道形成連續性景觀水面，文章通過對液壓壩過流能力、運行方式、調度方案以及消能防沖的復核，分析新建液壓壩工程對河道的防洪影響。

綜合治理；液壓壩；防洪影響；過流能力

1 項目概況

賈魯河作為鄭州市的一條母親河，發源于新密、滎陽兩市交界處，流經鄭州市西部、北部，在東部出境，環抱著鄭州市區，全市85%洪水匯入賈魯河后，流入沙潁河，全長256 km，流域面積5 896 km2。其中鄭州市境內長137 km，流域面積2 750 km2。

賈魯河綜合治理范圍為尖崗水庫至中牟縣大王莊彎道段，治理長度62.77 km，其中河道綜合治理長49.67 km（包括三段：尖崗水庫至南水北調5.52 km、科學大道至象湖入口32.75 km，農科所橋至隴海鐵路橋11.40 km），河道疏浚長度13.10 km。修建各類配套建筑物91座。河道治理防洪標準：尖崗水庫至南水北調河段為50 a一遇，科學大道至京港澳高速公路河段為100 a一遇，京港澳高速公路至中牟隴海鐵路河段為50 a一遇。

由于賈魯河現狀防洪除澇標準較低，不滿足鄭州市城市防洪的要求，兩岸生態環境效果差，不滿足全國水生態文明城市建設的要求，鄭州市實施開展了鄭州市賈魯河綜合治理工程，主要建設任務：一是按照防洪標準對賈魯河尖崗水庫至中牟隴海鐵路橋段進行綜合治理，綜合治理長度49.67 km；二是為了減輕下游防洪壓力，開挖賈魯濕地、祥云濕地、圃田澤濕地等3處濕地湖泊；三是為使汛期洪水平穩下泄，對隴海鐵路橋至大王莊彎道段河槽進行疏挖，長13.10 km。

2 液壓壩工程布置情況

2.1 總體布置

為使尖崗水庫至南水北調河段、科學大道至隴海鐵路橋河段形成連續的景觀水面及兩座壩之間滿足游船通行要求，最小水深≥1.20 m。尖崗水庫至南水北調河段較陡，為保持水面連續，減少攔蓄水建筑，在上游河道適當位置設跌水；科學大道至隴海鐵路段應滿足游船通行要求，在適當位置修筑攔水壩，以滿足其功能要求，設計在賈魯河新建攔蓄水建筑物共14座。

2.2 京港澳高速下液壓壩工程布置

文章以京港澳高速下液壓壩為例進行分析計算。液壓壩位置處河道底寬105 m，河道主槽邊坡1∶3，壩長105 m，液壓升降壩高為4.30 m，壩長105 m，順水流方向由上游鋪蓋段、控制段、消能段、海漫段、防沖槽段5部分組成，全長68.80 m。上游正常擋水位為83.62 m，下游正常水位為80.52 m，壩上、下游設計河底高程均為79.12 m。

3 防洪分析計算

3.1 正常蓄水位過流能力復核計算

3.1.1 壩頂過流

液壓升降壩高4.30 m，上游正常擋水位為83.62 m，下游正常水位為80.52 m，壩上、下游設計河底均為79.12 m。薄壁堰出流流量計算公式為：

式中：m0—包括行近流速影響的薄壁堰流量系數；B—溢流寬度；H—壩前堰上水頭；公式中流量系數m0可采用下列經驗公式計算：

該京港澳高速下液壓升降壩壩頂過流能力計算見表1。

3.1.2 局部開啟出流

按三角堰進行計算。

3.1.3 塌壩過流

設定液壓升降壩運行最大水位達0.50 m，當壩頂水頭達0.50 m時，采用浮標開關控制自動塌壩，實現信息化操作，達到無人管理。

3.1.4 汛期塌壩情況下設計標準時過流能力復核

液壓壩完全塌壩時，壩體完全坍平，可視作寬頂堰,流量系數m=0.33～0.36，取m=0.35。過流能力計算公式：

表1 液壓升降壩壩頂過流能力計算表

經計算，液壓壩完全塌壩時，50 a一遇堰上水頭為5.67 m，對應50 a一遇水位為84.76 m，根據賈魯河綜合治理工程實施方案成果，該位置處50 a一遇水位為84.87 m，京港澳高速下液壓壩（樁號46+700）完全塌壩時，計算流量為1 215 m3/s，滿足50 a一遇洪水1 050 m3/s的要求。

主管部門就液壓壩的運行調度方案予以重視，在液壓壩附近建設水位流量觀測站，更好的控制壩前蓄水位、不同塌壩歷時、不同塌壩方案時液壓壩的過流量，以便來洪時對液壓壩塌壩高度做嚴格的控制。

3.2 閘門控制運行方式和調度方案

當壩上水位高于0.50 m時，液壓升降壩開始倒伏泄流，6聯一起倒伏，全部倒伏時間約2 min，全部倒伏時成為平行于河底的一個低坎，由于門板厚僅0.02 m，對河道泄流阻礙不大。

當壩頂水頭達0.50 m時，采用浮標開關控制自動塌壩，實現信息化操作，達到無人管理。

上游來水Q〈51.38 m3/s時，通過壩頂溢流，維持水位在84.12 m以下；上游來水Q〉51.38 m3/s時，液壓升降壩塌壩運行。

為控制液壓壩塌壩泄流流量，避免對下游河道造成大的沖刷，液壓壩塌壩時，正常情況下應控制壩上溢流水頭＜0.30 m，特殊情況下，壩上溢流水頭≤0.50 m。

為確保液壓壩及上下游河道堤防安全，根據洪水分析，確定非汛期、汛期的壩前限制水位（壩前蓄水高程）如下：

汛期（6月1日至10月31日）來臨前，應塌壩運行，塌壩順序自下游末端液壓壩開始，逐級向上游塌壩。塌壩時通過控制堰上水頭來控制液壓壩泄量，根據下游現狀卡口段過流能力復核，下游現狀河道最大過流能力為50 m3/s，通過控制液壓壩最大泄量，避免形成人造洪峰對河道下游產生危害。監測壩上下游水位，若上游液壓壩下游水位（壩下游河底高程+0.30 m）時，上游液壓壩可以逐步開啟，但最大泄量不能超過50 m3/s，依此類推對上游液壓壩進行塌壩處理。經計算項目區14座液壓壩全部塌壩時長為3.94 d，汛期來臨前至少提前4 d開始自下游逐步向上游塌壩運行。

非汛期（11月1日至次年5月31日）當出現下列情況之一時，液壓壩進行塌壩運行：液壓壩壩前水位超過液壓壩0.30 m時；根據天氣預報或上游來水情況適時控制水位（壩頂高程+ 0.30 m）；壩上游流量達到50 m3/s時（通過壩上游流量計監測）；嚴格按制定的運行調度方案進行塌壩，避免瞬時塌壩，造成人為洪峰對河道下游產生危害；出現危及液壓壩安全的其他情況。

3.3 對消能防沖計算復核

根據液壓壩設計，消能防沖計算按最不利工況：壩頂水深0.50 m、下游無水、突然塌壩，跌流后將產生水躍，按底流消能計算消力池深度及長度。上游水位為84.12 m，下游水位80.52 m。單寬流量0.64 m3/（s·m）。

池深計算：

躍后水深h2為躍前水深h1的共軛水深。躍后水深計算采用下式：

式中：h1—躍前水深（m）；h2—躍后水深（m）；q—單寬流量；φ—水躍淹沒系數，1.05；E0—消力池底以上總能頭；P—跌差；h上—上游水深；V上—上游臨界流速，（m/s）；Α—流速系數，0.95。

消力池池深d計算：

式中：σj—水躍淹沒系數，σ=1.05；h2—躍后水深；h下—下游水深；Δz—出池水面跌落；D—消力池深度。經計算，消力池深度0.80 m，液壓壩消力池深度取1 m。

池長計算：

式中：L0—水流跌落射程；Lj—自由水躍長度；Lk—消力池長度；M—流量系數，0.42。

計算得：消力池Lk為14.55 m，根據賈魯河綜合治理實施方案該消力池布置，長度為15 m，消能防沖滿足要求。

4 結論及建議

鄭州市賈魯河綜合治理工程沿線液壓壩的實施，使治理段河道形成連續景觀水面，通過對液壓壩過流能力的分析、運行方式和調度方案的控制，以及對消能防沖計算的復核，鄭州市賈魯河綜合治理工程液壓壩的實施滿足河道防洪的要求。

TV213.4

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1673-8853（2017）06-0073-02

2017-03-09

編輯：劉長垠 韋詩佳

于黎雅（1981-），女，工程師，主要從事水利工程設計工作。