托克遜縣阿拉溝水庫下游段河道洪水復(fù)核分析計算

柴 揚(yáng)

(吐魯番市清源水利水電勘測設(shè)計院有限公司，新疆 吐魯番 838000)

1 項目所在地理位置

本次分析河段位于阿拉溝水庫下游，分析河段長度為1.6 km 。

阿拉溝水庫位于新疆維吾爾自治區(qū)托克遜縣境內(nèi)，水庫所在位置距阿拉溝出山口以上3.6 km，距托克遜縣縣城75.3 km，距烏魯木齊市235.3 km，距南疆鐵路魚爾溝車站5.2 km。水庫壩址處的地理坐標(biāo)為E87°49′20.07″，N42°49′24.74″ 。

圖1 地理位置示意圖

2 工程所在區(qū)域基本情況

2.1 流域概況

阿拉溝河流呈東西走向，最后注入艾丁湖。流域地形西北高、東南低，土壤從河源到出山口依次為高山寒漠- 高山草甸土- 栗鈣土-棕鈣土。

阿拉溝河艾丁湖水系發(fā)源于阿拉溝山北側(cè)及天格爾山南側(cè)，海拔4 400 m。阿拉溝水系有冰川69條，冰川儲量0.597 5 km3，冰川面積17.10 km2。阿拉溝水文站海拔881.3 m，集水面積1 842 km2。測站阿拉溝河上游段有三大支流于鐵克阿門處交匯，形成阿拉溝干流，三大支流分別為烏拉斯臺溝、阿拉溝、夏爾格溝。上游段雨量豐沛，植被長勢相對較好，是阿拉溝徑流的主要形成區(qū)。中段為水庫壩址區(qū)，即鐵克阿門與阿拉溝水文站之間，本段山勢普遍偏低，雨水減少，無較大支流匯入，每當(dāng)遭受較大降雨時，特別容易發(fā)生泥石流、山洪等自然災(zāi)害。下段由水文站至白楊河間、同時與阿拉溝匯合口之間，水文站以下河流沿途由艾維爾溝、祖魯木圖溝以及烏斯通溝流水匯入后進(jìn)入灌區(qū)，本段河流坡降平緩，泥沙沉積，含沙量減少，以上河長100 km，河道坡度38.7‰，流域平均高程3 080 m。

阿拉溝水庫壩址位于阿拉溝水文站下游約800 m處，控制集雨面積1 851 km2。

2.2 氣象概況

阿拉溝河主要?dú)夂蛱卣鳛榇禾鞖鉁鼗厣^快，有風(fēng)天氣較多；夏季溫度較高，最高氣溫近50℃；秋季溫度降低較快，天氣晴天較多；冬季短暫、干冷、風(fēng)小、雪稀。工程所在位置的氣溫、降雨量、蒸發(fā)量等要素統(tǒng)計均采用壩址下游的阿拉溝水文站提供的觀測資料，其它要素借用托克遜縣氣象站觀測資料，如濕度、風(fēng)、日照等特征值，主要特征值見表1。

表1 主要?dú)庀筇卣鞅?/p>

3 計算水面線推理

3.1 計算原理及方法

本次分析計算采用 HEC-RAS 進(jìn)行，主要用于非穩(wěn)定流一維水力、河道系統(tǒng)穩(wěn)定流水力計算，可進(jìn)行如防洪堤、水庫、橋梁、涵洞的涉水建筑物水面線分析計算，同時可生成分析圖表，如復(fù)式河道三維斷面圖、橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線等[1]。

HEC-RAS計算方法主要是把涉水建筑物分為3部分，來計算分析所引起的能量損失。這3部分分別為：①建筑物占用過流斷面時，收縮上游水流斷面引起的能量損失；②水流斷面收縮時，水流在經(jīng)過建筑物后，擴(kuò)散引起的能量損失；③各種形式、排列、形狀的建筑物本身所造成的能量損失。

在使用程序計算分析時，要考慮到水位變化時糙率的變化；同時縱向及橫向的糙率對灘地、主河道等的流量分配；還需要同步計算各種形式、排列、形狀的建筑物本身所造成的各種局部阻力。此類方法在實(shí)際工程案例中使用較廣，運(yùn)用比較成熟。能量方程各要素示意圖見圖2。

圖2 能量方程各要素示意圖

根據(jù)能量守恒定律推算[2]，公式如下：

式中：Z2、Z1分別為上下斷面河底高程；Y2、Y1分別為上下斷面水深；V2、V1分別為上下斷面平均流速；α2、α1分別為動能校正系數(shù)；g為重力加速度；he為水頭損失。

局部損失和摩阻損失兩項組成水頭損失he，計算公式如下：

式中：L為按流量加權(quán)長度；Sf為摩阻坡度；C為斷面擴(kuò)張或收縮系數(shù)。

L為流量加權(quán)長度，采用下式計算：

式中：Llob、Qlob為左岸灘地距離與流量；Lch、Qch為主河道距離與流量;Lrob、Qrob為右岸灘地距離與流量。

α為動能校正系數(shù)，采用下式計算：

式中：At為斷面總面積；Kt為總流量模數(shù)；Alob為左岸灘地，Ach為主河道，Arob為右岸灘地面積；Klob為左岸灘地，Kch為主河道，Krob為右岸灘地流量模數(shù)。

Sf為摩阻坡度 ，采用下式計算：

式中：Q為流量，m3/s；R為水力半徑，m；n為糙率。

3.2 計算邊界條件

3.2.1 橫斷面

此次計算分析河段的資料為2021年5月實(shí)測河道橫斷面，其中包含1.6 km的治理段，布置15個斷面，斷面平均間距106.7 m，最大間距163 m，最小間距50 m。推算水面線的基本依據(jù)以實(shí)測現(xiàn)狀橫斷面為準(zhǔn)，斷面布置詳細(xì)內(nèi)容見表2。

表2 斷面布置情況表

3.2.2 河床糙率

植被、平面形態(tài)及水流流態(tài)、河床組成及床面特性、岸壁特性等因素是影響河道粗糙系數(shù)的重要因素，根據(jù)外業(yè)實(shí)地查勘，并結(jié)合《水力計算手冊》(武漢大學(xué))、流域相關(guān)水利工程設(shè)計資料中的糙率取值，確定水庫下游河道糙率值為0.037，河灘地河道糙率值為0.042[3]。

3.2.3 起推水位

水面線計算采用分析河段末端的 CS15 斷面作為相應(yīng)河段起始斷面，由 CS15 斷面水位流量關(guān)系曲線中相應(yīng)頻率的洪水水位進(jìn)行由下至上的水面線推求。結(jié)合工程實(shí)地勘測和斷面數(shù)據(jù)，采用曼寧公式計算可以得出該斷面的水位及流量關(guān)系。CS15 斷面水位流量關(guān)系曲線見圖3。當(dāng)河段洪峰流量為633.95 m3/s時，相應(yīng)洪水位為829.70 m。

圖3 CS15斷面水位流量關(guān)系

3.3 水面線計算成果

3.3.1 水面線成果

阿拉溝水庫下游分析河段水面線成果見圖4、表3。

圖4 分析河段P=1%水面線圖

表3 設(shè)計水面線成果

3.3.2 合理性分析

分析河段水面線基本走勢與深泓線一致，斷面CS3處水面線受到河道收縮及橋梁雍水影響，水位上漲；斷面CS3至斷面CS7之間 ，受兩岸地形影響，河道整體上較窄，水位呈上升趨勢；斷面CS7至斷面CS8之間，地形陡然發(fā)生變化；斷面CS7 以后河道擴(kuò)張，河段洲灘發(fā)育，河道斷面變寬，水位逐步下降。水面線變化情況符合河道實(shí)際情況，因此本次計算水面線成果基本合理[4]。

4 結(jié)果分析

4.1 洪水對下游河段影響分析

本次分析范圍為水庫大壩下游1.6 km河段。設(shè)計洪水工況下(百年一遇洪水)，阿拉溝水庫最大下泄流量為633.95 m3/s，下游河道兩岸地面基本不會被洪水淹沒。但在 K0+240 處左岸堤防僅比水面線高出0.21 m，K1+172處右岸堤防僅比水面線高出0.17 m，易產(chǎn)生安全風(fēng)險。洪水對河床及有堤防河段沖刷影響較小，對自然岸坡及河內(nèi)洲灘沖刷影響顯著，易引起岸坡崩岸、滑塌[5-6]。

4.2 沖刷分析

阿拉溝水庫下泄洪水中泥沙含量較低、流速大，設(shè)計工況下，下游洪水流速達(dá)4～5 m/s，洪水沖刷能力顯著。由于下游河道河床主要為卵礫石，厚度一般為10～20 m，抗沖能力較好，洪水對河床沖刷影響較小。本次分析范圍內(nèi)，部分河段未修建堤防，為自然岸坡，抗沖能力較差，且植被覆蓋度較差，受到?jīng)_刷易發(fā)生崩岸、滑塌；部分河段修建了堤防，抗沖能力較好；對河內(nèi)洲灘沖刷影響顯著 。

5 結(jié) 論

本次對阿拉溝水庫下游段河道(K0+000～K1+600)進(jìn)行洪水復(fù)核分析計算，通過采用HEC-RAS水面線計算軟件包，對河道系統(tǒng)穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流一維水力計算。建議對高度不足的防洪堤進(jìn)行加高，減輕風(fēng)險，建立水情監(jiān)控機(jī)制，確保安全。結(jié)合下游段防洪堤的實(shí)施，該分析計算的成果是可靠的。