基于MIKE21好溪流域杜橋堰設(shè)計(jì)研究

吳 桐，張海峰，王尖鋒

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000；2.縉云縣水利水電建設(shè)管理有限公司，浙江 麗水 321400）

1 工程概況

堰壩作為一種壅水建筑物，通過對水位和水量的調(diào)節(jié)，可以發(fā)揮灌溉、調(diào)整溪流坡降、固沙防沖等作用[1-5]；同時(shí)，能夠改善和治理周邊生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展[6-10]。本工程主要為杜橋堰生態(tài)改造項(xiàng)目、堰壩左岸連接段堤防和上游灘地便民通道，位于縉云老城區(qū)與新城區(qū)交接處，是老城區(qū)與新城區(qū)連接的紐帶。堰壩工程位于五云街道，西側(cè)緊鄰330國道線，南側(cè)距鼎湖南路約500 m。杜橋堰為生態(tài)固定堰，堰壩左岸上游灘地布置便民通道與上游綠道銜接，道路長332 m，總鋪裝面積860 m2，兩側(cè)景觀綠化面積為2971 m2；堰壩左岸下游連接段堤防長162 m，使縉云二橋下游堤防親水平臺與上游杜橋堰以及灘地貫通。杜橋堰位于杜橋村附近縉云二橋上游約100 m 處，堰壩布設(shè)在好溪干流河道主槽段，堰體總長112 m，堰頂高程143.5 m，堰高3.3 m。現(xiàn)狀堰體為混凝土護(hù)面，由于運(yùn)行時(shí)間較久，表面混凝土變色，景觀性較差；堰壩結(jié)構(gòu)上下游坡面均較陡，堰底局部被淘空，影響堰體整體穩(wěn)定。經(jīng)綜合考慮，本次工程從改善水環(huán)境、美化生態(tài)景觀、加固堰體結(jié)構(gòu)等方面出發(fā)，對杜橋堰進(jìn)行拆除重建。

2 堰壩壩址選擇

本工程需對杜橋堰進(jìn)行生態(tài)改造，拆除現(xiàn)狀老堰，重建生態(tài)杜橋堰。根據(jù)對工程附近水域及周邊環(huán)境分析，壩址可選原址重建、上游重建和下游重建3 種方案。上游重建方案即拆除現(xiàn)狀杜橋堰，將堰壩壩址向上游移動，選擇合適位置重建堰壩；本方案可避免現(xiàn)狀河道彎曲及河寬狹窄造成的水流流態(tài)不佳等問題，但堰壩上移后，左岸灘地周邊水面降低，親水性降低，無法結(jié)合后期灘地濱水生態(tài)改造工程打造好溪沿線景觀帶。下游重建方案即拆除現(xiàn)狀杜橋堰，將堰壩壩址向下游移動，選擇縉云二橋下游合適位置重建堰壩；本方案可避免現(xiàn)狀河道彎曲及河寬狹窄造成的水流流態(tài)不佳等問題，但縉云二橋下游屬縉云老城區(qū)，且兩岸堤防現(xiàn)狀完好，工程實(shí)施政策處理難度大。原址重建方案即拆除現(xiàn)狀杜橋堰，在老堰原址上重建堰壩；本方案水流流態(tài)及兩岸沖刷較老堰維持不變，但該方案既能保證上游左岸灘地濱水生態(tài)景觀，又無政策處理困難。經(jīng)綜合比較，本階段在上游及下游重建2種方案建設(shè)條件不足的情況下，選定堰壩現(xiàn)狀壩址重建，即推薦原址重建方案。

3 堰壩軸線選擇

針對堰壩原址重建方案，本工程重建杜橋堰軸線可選2種方案進(jìn)行比選，即現(xiàn)狀軸線和正交軸線2種方案。

3.1 方案1：現(xiàn)狀軸線

拆除現(xiàn)狀杜橋堰，原址重建堰壩，壩軸線沿老堰軸線布置，堰壩長112.3 m，如圖1所示。

圖1 杜橋堰平面布置（方案1）

3.2 方案2：正交軸線

拆除現(xiàn)狀杜橋堰，原址重建堰壩，堰壩左壩頭銜接位置與方案1相同，壩軸線與兩岸堤防正交布置，堰壩長85.4 m，如圖2所示。

4 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

采用MIKE21 中的FM 模塊進(jìn)行杜橋堰流態(tài)的二維計(jì)算。二維水動力學(xué)模型的控制方程包括連續(xù)方程和動量方程，其中連續(xù)方程為：

動量方程為：

式中：H為水深（m）；Z為水位（m），Z=H+B，B為地面高程（m）；M與N分別為x和y方向的單寬流量（m2/s）；u和v分別為x和y方向上的流速分量（m/s）；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；q為源匯項(xiàng)。方程沒有考慮科氏力和紊動項(xiàng)的影響。

5 數(shù)值結(jié)果分析

5.1 流態(tài)分析

無堰壩、方案1、方案23 種工況流場，如圖3—5所示。

圖4 流場（方案1）

圖5 流場（方案2）

由3 種工況流場圖可知，無堰壩工況流態(tài)最佳，若在政策處理允許的前提下，堰壩可向下游平移至合適位置；在堰壩原址重建的情況下，方案1延續(xù)了現(xiàn)狀老堰的流態(tài)，對右岸沖刷較為嚴(yán)重，但現(xiàn)狀杜橋堰已運(yùn)行多年，實(shí)踐證明右岸堤防滿足防沖要求；方案2右岸沖刷減緩，但左岸沖刷加重，左岸為本工程新建堤防和下游老城區(qū)堤防連接段，本方案實(shí)施將增加新建堤防防沖投資，并影響下游老城區(qū)已建堤防的安全。因此，從流態(tài)角度分析，在堰壩原址重建的前提下，推薦采用方案1。

5.2 過流能力分析

方案1 滿足過流能力時(shí)，50 a 一遇洪水位為147.43 m，右岸問漁路路面高程滿足防洪要求，左岸西濱南路可通過新建堤防連接段加高路面高程；方案2 滿足過流能力時(shí)，50 a 一遇洪水位為149.06 m，兩岸堤防均不能滿足防洪要求，左岸山腳下均被淹沒，右岸問漁路外側(cè)居民密集區(qū)也被淹沒。因此，在滿足過流能力的情況下，推薦采用方案1。

6 堰型選擇

重建杜橋堰位于老堰堰址，平面上沿用老堰軸線，采用直線型布置，堰體總長112 m，堰頂高程與原堰頂高程保持一致為143.5 m，堰高3.3 m。好溪為山區(qū)性河道，根據(jù)堰體高度、周邊環(huán)境及類似工程經(jīng)驗(yàn)，堰壩型式宜采用有跌水效果的堰型。跌水效果有陡坡跌水和緩坡跌水2種形式，此處針對這2種形式進(jìn)行堰型比選。

6.1 方案1（緩坡多級跌水）

堰頂寬3～8 m，采用花崗巖貼面，下游邊緣線呈波浪形布置；堰體采用C15埋石混凝土，埋石率為20%，堰體外包C25 混凝土面層，堰壩底板厚50 cm，底高程為139.7～139.2 m，漸變段坡比為1∶10，齒墻底高程為139.2～138.2 m，伸入中風(fēng)化凝灰?guī)r；由于堰體較高，堰壩上游水深較深，考慮落水自救等安全問題，在上游142.7、141.7 m處設(shè)2級平臺，其中為保證生態(tài)景觀需求，上游142.7 m平臺以上采用花崗巖鑲面；下游堰面采用5 朵祥云主題設(shè)計(jì)，上面3 朵祥云傾斜布置，高程漸變?yōu)?0～40 cm，下面2朵祥云水平布置，高程分別為141.7、142.1m，5 朵祥云內(nèi)部均采用內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，方便蓄水營造水景，祥云邊緣及內(nèi)部采用花崗巖鑲面，突出白云造型；在5朵祥云間采用多級跌水臺階代替光滑斜面，使水流形態(tài)更加多樣化，臺階跌水落差為10～50 cm，臺階及下游自然傾斜壩面均采用花崗巖鑲面；魚道設(shè)置在堰壩右岸，采用自然彎曲的平面形態(tài)，寬度3 m，坡面采用厚50 cm 的C25混凝土堰面鑲花崗巖貼面的結(jié)構(gòu)，坡比1∶15，末端至高程140.2 m；在堰壩中段布置1 根直徑為1 m的放空管，放空管進(jìn)口中心高程為141.2 m、出口中心高程為140.7 m。堰壩效果，如圖6所示。

圖6 杜橋堰效果（方案1）

6.2 方案2（陡坡跌水）

堰頂寬4 m，頂部采用景觀石自然曲線布置踏步；堰體采用C15埋石混凝土，埋石率為20%，堰體外包厚50 cmC25 混凝土面層，堰壩底板底高程為138.7 m，伸入中風(fēng)化凝灰?guī)r；由于堰體較高，堰壩上游水深較深，考慮落水自救等安全問題，在上游142.7、141.7 m處設(shè)2級平臺，其中為保證生態(tài)景觀需求，上游142.7 m平臺以上采用花崗巖鑲面；下游采用大塊景觀石錯(cuò)落理砌，營造3級跌水的景觀效果；魚道設(shè)置在堰壩右岸，采用自然彎曲的平面形態(tài)，寬度3～5 m，坡面采用厚50 cm的C25混凝土堰面鑲花崗巖的結(jié)構(gòu)，坡比1∶15，末端至高程140.20 m；在堰壩中段布置1 根直徑為1 m的放空管，放空管進(jìn)口中心高程為141.2 m、出口中心高程為140.7 m。堰壩效果，如圖7所示。

圖7 杜橋堰效果（方案2）

7 綜合比選

（1）工程投資方面，方案1 優(yōu)于方案2。方案1下游坡面為緩坡，且造型較為復(fù)雜，埋石混凝土量及混凝土量較大，而方案2 大塊景觀石采購單價(jià)及人工費(fèi)較高，綜合可比投資，方案1 為塑造造型，壩體體量較大，造價(jià)較高。

（2）整體穩(wěn)定性方面，方案1優(yōu)于方案2。2個(gè)方案上游結(jié)構(gòu)相同，下游綜合坡比方案1較方案2緩得多，整體結(jié)構(gòu)方案1更穩(wěn)定。

（3）施工難度方面，方案2 下游大塊景觀石理砌需設(shè)計(jì)現(xiàn)場指導(dǎo)施工單位理砌，對設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和施工人員的工藝提出了較高的要求；方案1 下游曲線布置施工單位需嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖施工，設(shè)計(jì)人員也需時(shí)常到現(xiàn)場指導(dǎo)，對施工單位的能力要求較高。綜上，2種方案施工難度均較大。

（4）后期運(yùn)行方面，2 個(gè)方案堰壩兩岸均設(shè)置親水平臺，游客及附近居民均可前來戲水，如發(fā)生人員落水事件，方案1 下游坡面較緩，安全性較高，不易摔傷，而方案2下游較陡，落差較大，易摔傷；本工程靠近城鎮(zhèn)，附近居民較多，后期運(yùn)行方案1水流聲較小，對周邊居民生活影響小，而方案2 由于陡坡跌水，水流聲較大，對周邊居民生活影響較大。

（5）外觀方面，方案2 堰型為山區(qū)性河道典型堰型，生態(tài)自然，但缺乏新意；方案1 提取了五云鎮(zhèn)鎮(zhèn)名作為堰壩造型的靈魂，通過5 朵白云與縉云當(dāng)?shù)厣剿嗷ズ魬?yīng)，營造出天高水清、藍(lán)天白云的美麗景觀，創(chuàng)意新穎，與其他地區(qū)堰型迥異，可作為縉云的特色堰型。經(jīng)綜合比較，本工程杜橋堰堰型采用造型美觀、運(yùn)行可靠、整體穩(wěn)定的方案1。

8 結(jié)語

本文以好溪流域杜橋堰為例，采用MIKE21 中的FM 模塊進(jìn)行杜橋堰流態(tài)二維計(jì)算，得出了不同堰壩設(shè)計(jì)方案下流態(tài)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，拆除現(xiàn)狀杜橋堰、原址重建堰壩、壩軸線沿老堰軸線布置、堰壩長112.3 m 的方案，延續(xù)了現(xiàn)狀老堰的流態(tài)，雖對右岸沖刷較為嚴(yán)重，但現(xiàn)狀杜橋堰已運(yùn)行多年，實(shí)踐證明右岸堤防滿足防沖要求，在滿足過流能力的情況下，推薦采用此方案。