周庆连，刘贵明，李成功，李亚楠

（连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222006）

范埠闸水电站位于石梁河水库下游，始建于20 世纪70年代，共2 孔，底板驼峰顶高程为15 m，单孔净宽4.0 m，净高6.0 m；设计流量124 m3/s，采用明槽无压进水，主要承担石安河的泄洪及下游灌溉任务。电站大多数设备从投运发电至今已运行40 多年，设备陈旧、老化严重、效率低下、损耗量大，大部分设备属淘汰型产品，无备件更换，严重影响设备的安全运行，造成电站弃水量大，水资源利用率低，应对其拆除重建。本文主要针对范埠闸的设计流量及水位进行计算。

1 工程概况

范埠闸位于连云港市东海县牛山街道境内，范埠河与石安河交汇处。范埠闸主要承担石安河的泄洪及下游灌溉任务。两岸均通乡村道路，工程区域内有323 省道通过，交通便利。

工程区位于连云港市西北部，气候湿润，四季分明，年平均气温13.7 ℃，多年平均降水量为939.6 mm，年内降水量分配不均，6 月～8 月降水量占全年总降水量的63%。

多年平均降水日数为94.4 天，7 月份降水日数最多，平均达15 天，1 月份最少，平均为4 天，多年平均年蒸发量为1250 mm。全年平均风速为3.1 m/s，4 月～8 月及10 月多吹东南风，其余月份多静风或东北偏北风。

全年空气湿润，相对湿度在最热月为80%以上，最冷月为66%。日照充足，平均每天近7 个小时，5 月、6 月每天均在8 小时以上。

2 范埠闸设计流量、水位

2.1 水利计算数学模型

2.1.1 水利计算方法

本次范埠闸设计规模根据石安河的设计洪水、沿线各泄洪口门规模及其调度规则等综合确定，采用非定常水动力学模型的控制方程一维非定常水动力学模型，使用丹麦水力科学研究所（DHI）开发的Mike11（V2012 版）计算软件建立了水利计算模型。

一维非恒定流动方程组如下[1]：

式中：Z（x,t）为断面平均水位，m；Q（x,t）为断面流量，m3/s；A（x，t）为断面面积，m2；u(x，t)为断面平均流速，m/s；C 为谢才系数；qi为单位河长上的支流流量。

定解条件包括水流的初值与边界值。

水流初始条件：

边界条件：

当x=0 时，Z(x,t)=Z(0,t)；当x=L 时，Z(x,t)=Z(L,t)。

2.1.2 模型参数及边界条件

（1）模型设定参数

模拟设定参数主要包括模拟时间步长、模拟起止时间等。本次计算时间步长取2 min，模拟起止时间取一次洪水涨落过程。

（2）河网参数

河道长度根据东海县地形图量算。整个模型河网总长55.45 km，模型计算中涉及到的计算水位断面共560 个，平均间距约100 m，

模型河网概化图见图1。

图1 河道水利计算模型河网概化图

（3）河道断面参数

石安河断面参数采用《东海县石安河治理工程（富辰桥～张庄闸段）初步设计报告》中成果，具体见表1。

表1 石安河河道断面参数表

（4）水力参数

河道为土坡，根据《水力计算手册》，断面糙率取0.0225。石安河汛限水位取18.0 m。

（5）建筑物参数

石安河主要分洪闸即青湖闸、埝河闸、范埠闸按照模型中的可控建筑物处理，其规模按现状情况设置，见表2。

表2 石安河各分洪闸现状规模情况表

根据东海县防洪预案，石安河汛期控制水位18.0 m，警戒水位19.0 m，最高洪水位19.7 m。洪水调度原则：当石安河水位超过18.0 m，安峰山水库低于汛限水位时，先开薛埠闸满足补库；如薛埠闸分洪补库不及视河水位上涨情况，可开青湖闸经磨山河排入新沭河，青湖闸在开、关闸时须提前1 小时通知黄川灌区管理所及时开、关磨山河闸；如水位超过19.0 m 再依次开启范埠闸、埝河闸分洪。

本次青湖闸、埝河闸、范埠闸调度规则设置结合东海县防洪预案及《东海县石安河治理工程（富辰桥～张庄闸段）初步设计报告》确定，当石安河水位超过18 m 时，青湖闸开闸泄洪，并控制泄洪流量不大于原设计流量660 m3/s；当石安河水位继续上涨至19 m 时，开启范埠闸、埝河闸，并控制范埠闸分洪50 m3/s、埝河闸分洪25 m3/s；当石安河水位继续上涨至接近其防洪设计水位时，加大范埠闸、埝河闸泄洪，并控制范埠闸泄洪流量不大于原设计流量124 m3/s、埝河闸泄洪流量不大于原设计流量240 m3/s。根据《东海县石安河治理工程（富辰桥～张庄闸段）初步设计报告》，埝河闸、范埠闸处防洪设计水位（20年一遇）分别为20.38 m、20.93 m，本次模型计算得到埝河闸、范埠闸处20年一遇水位分别为20.29 m、20.74 m（结果见表3），综合二者结果，本次埝河闸、范埠闸加大泄洪控制水位分别取20.3 m、20.75 m。

（6）边界条件

1）外部边界：主要定义河流的自由端点处。

石安河：其外部边界主要涉及南部的安峰山水库及北部的石梁河水库。根据石安河现状调度情况，其南端薛埠闸主要在安峰山水库低于汛限水位时开闸补库，本次计算不考虑薛埠闸的泄洪；石安河水位一般较石梁河水库低、不向石梁河水库泄洪，因此模型中将石安河与安峰山水库、石梁河水库连接处均设置成闭合边界。

其他河道：青湖闸、埝河闸、范埠闸下游河道水位一般较石安河相差较大，三座水闸泄流时均为无淹没自由出流，闸下水位对其泄流影响较小，为简单起见，本次青湖闸、埝河闸、范埠闸下游河道末端边界均设置成开边界并定义水深0.1 m 相应的水位。

2）内部边界：本次计算中模型内部边界主要为石安河西侧流域汇流。根据水文计算成果，将各汇水区设计洪水在相应汇水区位置以分布流边界形式加入模型中。

2.2 水利计算结果及分析

根据河网模型计算成果，当发生20年一遇设计洪水时，石安河沿线最高水位为18.20 m～20.77 m；当发生50年一遇设计洪水时，石安河沿线最高水位为19.32 m～21.23 m；不同工况下青湖闸、埝河闸、范埠闸闸上最高水位及最大下泄流量结果见表3。

表3 不同工况下青湖闸、埝河闸、范埠闸分洪结果

根据《东海县石安河治理工程（富辰桥～张庄闸段）初步设计报告》，石安河在青湖闸、埝河闸、范埠闸处防洪设计水位分别为18.0 m、20.38 m、20.93 m，本次河网模型计算结果较其偏低。分析其原因，主要是由于河网模型考虑了河道的调蓄作用，而《东海县石安河治理工程（富辰桥～张庄闸段）初步设计报告》采用天然河道明渠恒定非均匀流的计算方法推算石安河水位，没有考虑河道本身的调蓄作用，故而本次河网模型计算结果较低。因此，本次模型计算结果较为可靠。

3 结语

范埠闸拆建工程是以社会效益为主、公益性很强的项目。本次范埠闸设计标准为50年一遇，当发生50年一遇设计洪水时，模型计算石安河沿线最高水位为19.32 m～21.23 m，虽高于石安河沿线防洪设计水位，但比石安河沿线堤防高程（20.4 m～23.8 m）低0.7 m 以上，能够满足石安河堤防安全加高（0.6 m）的要求。

因此，本次设计范埠闸按原闸孔规模拆建，能满足石安河50年一遇泄洪要求。