江安護坡工程對航道水流結(jié)構(gòu)影響分析

王文偉

摘要：以江安縣物流中心護坡工程為例，采用二維水流數(shù)學(xué)模型對護巖工程施工前后工程河段流速、水位的變化進(jìn)行計算。通過水面比降、近岸流速、主流流速以及流速變化影響范圍等方面進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)表明，修建工程后施工河段的右岸附近流態(tài)明顯得到改善。

關(guān)鍵詞：護坡工程航道水流結(jié)構(gòu)

江安縣隸屬于四川宜賓市，位于四川南部長江干流的宜賓和瀘州之間。有著名的國家級風(fēng)景區(qū)、重點文物保護單位，省級重點文物保護單位、森林公園等自然人文景觀。江安縣按“長江經(jīng)濟帶”發(fā)展規(guī)劃，啟動江安城市配送中心項目建設(shè)。項目選址位于江安鎮(zhèn)大橋附近，緊鄰長江和省道308北側(cè)。項目建成后將成為川南地區(qū)重要物流節(jié)點，有效改變江安現(xiàn)有物流企業(yè)基礎(chǔ)薄弱，整體發(fā)展水平不高的現(xiàn)狀，對全縣物流產(chǎn)業(yè)也將形成有力支撐。

因物流中心護坡工程涉及少量填土，占據(jù)部分有效過水面積，將對河道水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。隨著理論與計算技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)學(xué)模型已廣泛應(yīng)用于工程上。在實際工作中，由于工程建設(shè)對水流的影響不是特別大，一維數(shù)學(xué)模型計算只能體現(xiàn)在斷面水位、流量等水流因素，而無法反映平面形態(tài)上的特性。而二維水流數(shù)學(xué)模型，可以對工程附近的水位、流速、流態(tài)等水流情況在工程前后的變化更為直觀清晰。

工程概況

工程具體位置為四川省宜賓市江安縣江安長江大橋下游約1.5km河道右岸，工程占據(jù)陸域岸線長約780m。涉及工程范圍坡腳線高程基本在246-251m，只涉及少量不規(guī)則岸線基巖以內(nèi)的填土工程。根據(jù)施工規(guī)劃方案，填土區(qū)域范圍盡量順應(yīng)了河勢方向，所填土區(qū)域基本位于岸邊基巖控制線以內(nèi)的易產(chǎn)生回流的不規(guī)則部位。圖1為工程不規(guī)則岸線凹岸內(nèi)擬填土工程示意圖。

為了預(yù)測擬建工程對該河段航道水流條件的影響，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，通過計算修建工程后的施工河段與未修建工程時河段的航道水流條件，對比分析物流中心護坡工程建設(shè)對該段航道水流結(jié)構(gòu)的影響。選取計算區(qū)域為牛角壩-怡樂鎮(zhèn)河段共長約10.0km的河段。數(shù)模在計算域內(nèi)共布置392×250個網(wǎng)格點。計算區(qū)域范圍為10000×5000m。網(wǎng)格沿x方向間距一般30m，沿Y方向間距一般為20m。該工程的枯、中水期與洪水期典型流量為：2980m3/s、6710m3/s、30500m3/s。

利用2009年8月實測的工程河段河道的實測水面線進(jìn)行驗證。水位計算值與實測值最大不超過0.05m?？傮w上該數(shù)學(xué)模型計算水位與實測值基本吻合，說明計算具有一定可靠性，可進(jìn)行工程實際研究。

工程對航道水流結(jié)構(gòu)影響

1、河道水面比降的變化

一般由于工程的束流作用，通常表現(xiàn)為工程上游河段及工程段水位壅高、工程下游河段水位降低，這種水位壅高或降低將在上游或下游一定范圍內(nèi)逐漸消失。數(shù)模計算成果表明，計算河段的水位變化主要取決于物流中心護坡工程少量填土對河道過水面積的影響。工程所占據(jù)的河道面積愈大，阻水作用愈強，其相應(yīng)的水位變化越大。護坡工程對河道水位影響較小，工程修建后河道最大水位壅高值約0.06m。表1給出了工程河段代表流量下河道最大水面比降及其變化。

計算表明，選取洪水期與中、枯水期工程河段的水面比降進(jìn)行對比：各級流量下最大水面比降略有增加，增大幅度最大為0.03‰。

2、河道近岸流速的變化

圖2為對比工程河段，建設(shè)前、后洪水期河道二維平面流速分布。從圖中可以看出，原河道在岸邊基巖有部分回流，填土后主流速基本順直于河道，對岸邊形成沖刷作用的橫向流速明顯減少。流態(tài)相較于原來未修建工程前的回流等不利流態(tài)有明顯改善，說明沿河岸基巖以內(nèi)填土將原有不規(guī)則邊岸進(jìn)行規(guī)整，有利于該段整體流場的穩(wěn)定以及斜流作用的減弱。

中、枯水期典型代表流量下施工河段在修建工程后的流場如圖3、圖4，從圖中可知在中水期該段流場整體較為平順，沿河心方向，斜流顯著減少，未出現(xiàn)明顯的不利流態(tài)（回流、泡漩），在進(jìn)入黑石磧段后流態(tài)相對仍保持較為穩(wěn)定狀態(tài)。枯水期代表流量下流場分布與中水期基本一致，流態(tài)相對較為穩(wěn)定。

修建工程后施工河段的右岸附近流態(tài)較未修建前更為穩(wěn)定，保持順河而下，未出現(xiàn)回流以及泡漩等不利流態(tài)。由于填土區(qū)域占據(jù)河道過水面積對河道起到一定的束窄作用，因而流速略有增加，并且流速沿主流方向，橫向流速減少。

3、河道主流流速的變化

工程河段為山區(qū)河流的順直段，河道形態(tài)變化在枯水期對主流影響更為明顯。因而，選取枯水期施工區(qū)域的三個典型斷面，通過對斷面流速分布進(jìn)行未修建前與修建后的變化對比，分析工程對該河段的主流流速影響（見圖5）：

圖5工程河段施工前后典型斷面枯水期流速分布變化對比

斷面1流速分布變化：擬建工程后主流速帶略有向河心偏移，說明填土后流速主流帶有稍微的調(diào)整（圖5（a））。

斷面2流速分布變化：由于填土工程，右岸附近流速顯著減少，主流速有一定的提高，說明束窄作用使得流速略有提高（圖5（b））。

斷面3流速分布變化：擬建工程后原有右岸附近流速明顯降低，主流速整體向河心稍有偏移，最大流速基本維持原有水平，未出現(xiàn)顯著的增加（圖5（c））。

4、河道流速變化影響范圍

洪水期及中、枯水期的流速僅在施工水域略有增加，增加幅度最大僅為0.03m/s（枯水期），而其影響范圍最大幅度發(fā)生在枯水期。根據(jù)前述分析選取枯水期擬建工程前后的流場變化影響范圍進(jìn)行分析，圖6為修建前后流場相對變化等值線圖。

由圖可知：工程施工區(qū)域的流場變化主要集中于工程附近，其上游約200m以及下游約200m內(nèi)范圍，隨后影響逐漸減小為0。擬建工程對黑石磧段流場改變較弱，等值線逐漸減少為趨于0，因此，工程修建后對河段的流場影響范圍對其上下游的影響不明顯。

結(jié)論

本文采用正交貼體平面二維水流數(shù)學(xué)模型，分析江安縣物流中心護坡工程因涉及少量填土占據(jù)部分有效過水面積所導(dǎo)致的河道水流結(jié)構(gòu)變化。選取洪、中、枯三級典型流量過程進(jìn)行計算，從河道水面比降、近岸流速、主流流速以及流速變化影響范圍等方面進(jìn)行分析研究。

結(jié)果表明，工程建設(shè)后河道最大水位壅高值約0.06m，洪水期及中、枯水期的流速僅在施工水域略有增加，增加幅度最大僅為0.03m/s（枯水期）。因回填土將原有不規(guī)則邊岸進(jìn)行規(guī)整，有利于該段整體流場的穩(wěn)定以及斜流作用的減弱，使得修建工程后施工河段的右岸附近流態(tài)較未修建前更為穩(wěn)定，保持順河而下，未出現(xiàn)回流以及泡漩等不利流態(tài)。在枯水期流速影響范圍大致在上下游400m范圍內(nèi)。

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