河道沿岸土體崩塌阻塞水流的影響研究

贠元璐 李曉夢 尹飛翔

摘要：本文利用 CCHE-2D 數(shù)值模型軟件仿真探討A溪遭到崩塌土石阻塞后，在不同重現(xiàn)期的來水及來砂量下，對河道左岸生態(tài)環(huán)境的影響。經(jīng)模型軟件檢定及驗證后，進行崩塌土石阻塞河道程度的情境模擬。

Abstract： This paper uses CCHE-2D numerical simulation software to simulate the impact of the collapsed earth and stone in Lasai Creek on the left bank of the river bank in different return periods and the amount of incoming sand. After the verification and verification by the model software， a simulation of the situation of the degree of river blockage by collapsed earth and rock was performed.

關(guān)鍵詞：不同阻塞程度；CCHE-2D，情境模擬

Key words： different degrees of obstruction；CCHE-2D；situational simulation

中圖分類號：TV147+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）27-0257-03

1 研究目的

河岸邊坡土體崩塌而阻塞全部或部分通洪斷面而擠壓水流，造成流路偏向改變，洪水泛濫成災(zāi)，危及沿岸保全對象?？紤]以往研究多著重于堰塞湖及泥石流問題，故本研究以探討水流流路因遭崩落土石擠壓而產(chǎn)生流路變動致災(zāi)的機理和模擬為主軸，提供溪流防災(zāi)與治災(zāi)的參考。

2 研究方法

本研究選定A溪 DS32 大規(guī)模崩塌地為研究對象，應(yīng)用二維水理動床輸砂模式 CCHE-2D 仿真 DS32 大規(guī)模崩塌地在降雨過程中發(fā)生崩塌時，探討不同崩塌量對A溪的阻塞程度，對沿岸保全對象可能危害情形。

2.1 數(shù)值模式選擇

本研究采用二維模式分析河床橫向水流變化的問題。一維模式主要分析河床縱向沖淤變化現(xiàn)象，二維模式多用于分析橫向水流特征明顯的河段，如寬河處的流路偏流等特性。本研究擬模擬崩塌后堆積河道土體對河道水流流路的影響，因此建議采用二維模式進行分析。

2.2 CCHE-2D 模式理論及數(shù)值方法

CCHE-2D模式利用隱式時間有效元素法，水理模組采用交錯網(wǎng)格求解連續(xù)方程式的水位，特別的速度校正法來求解系統(tǒng)方程式；變亮流模擬利用隱式時間推進法求解，干濕點問題處理利用移動邊界法；紊流模式除兩種方程渦粘滯模式，另有？資-？著紊流模式；懸浮載傳輸利用非平衡輸砂方程式，并考慮底床坡度與彎道二次流效應(yīng)。

2.2.1 水理模式理論

明渠流多為淺水波問題，垂直方向運動通常可忽略，水深積分的二維控制方程式通常允許合理及有效的使用。

在 CCHE-2D 模式中采用兩種方法計算渦粘滯系數(shù)，第一種方式為使用水深積分拋物線渦粘滯系數(shù)公式：

2.2.2 輸砂模式理論

總載對輸砂模式來講，可分為推移載及懸浮載，或依泥砂來源分類，可分為河床質(zhì)載及沖洗載。因此 CCHE-2D 模式使用兩種概念計算總載輸砂行為，其一為分離推移載與懸浮載，其二合并為河床載，前者的控制方程式如下所示。

懸浮載對流傳輸方程式：

CCHE-2D模式中有四種輸砂公式可計算C*k及qb*k。此四種輸砂公式由數(shù)十種經(jīng)由實驗及現(xiàn)場資料檢定驗證而得，可考慮非均勻輸砂的各種效應(yīng)，此四種輸砂公式亦可寫成以下一般化形式：

床質(zhì)粒徑分布通常沿垂直方向變化，因此不沖刷層以上的河床可再切割為數(shù)層，最上層定義為混合層，此層與移動的泥砂直接參與交換，在混合層中粒徑分布可以下式計算：

2.2.3 二次流機制

自然河道中常出現(xiàn)彎曲段及蜿蜒型態(tài)，當水流流經(jīng)不同曲率彎道時，水流受到離心力影響產(chǎn)生二次流。二次流在水深上半部指向外岸，在水深下半部指向內(nèi)岸，造成泥砂由外岸向內(nèi)岸橫向運移。底床改變后水流狀態(tài)隨之改變，兩者互相影響，二次流主導(dǎo)彎曲段河道底床變化，因此模擬彎曲河道時不能忽略二次流造成的底床變化。

目前CCHE-2D模式中使用 Engelund （1974）提出的公式推估：

式中的r為縱向格網(wǎng)的曲率半徑。根據(jù) Engelund （1974）的研究成果，此推估公式的誤差為3%。泥砂在底床橫向坡度？茁的底床因重力作用往下游移動，而二次流則是趨向與底床橫向坡降不同方向。當兩者互相抵消達到平衡后泥砂隨主流移動，決定縱向的運移路徑。

2.3 研究區(qū)域

本研究 DS32 崩塌地位于A溪右岸，崩塌面積約79公頃，上游1公里處亦有一大型崩塌地，崩塌面積約108公頃，兩崩塌地皆曾在風災(zāi)期間發(fā)生崩塌，崩塌土石下移造成A溪匯流口處回淤嚴重，若再次發(fā)生大規(guī)?；瑒?，將影響岸邊居民的安全。

3 模式檢定

3.1 參數(shù)設(shè)定

3.1.1 流量歷線

利用三角形單位歷線法推估流量歷線。各參數(shù)的設(shè)定值分別為：Qp為洪峰流量（m3/s）211.22，A為集水區(qū)面積（km2）38.70，Tp為歷線開始至洪峰流量發(fā)生時間（hr）0.38；D為單位降雨延時（hr）0.00625，Tc為集流時間（hr）0.58；Tp為歷線基期（hr）0.38，L為溪流長度（km）9.64。

3.1.2 水理相關(guān)參數(shù)

大部分水理參數(shù)依現(xiàn)有數(shù)據(jù)或考慮模擬現(xiàn)象進行設(shè)定，如卡門常數(shù)0.41、重力加速度9.8m/s2、運動粘滯系數(shù)0.000001m2/s，河床糙度0.028，紊流模式為混合流模式，紊流粘性系數(shù)1，干濕點分界0.15m。

3.1.3 土砂相關(guān)參數(shù)

CCHE-2D模式中，輸砂參數(shù)主要檢定輸砂公式、調(diào)適長度Lb及混合層厚度。調(diào)適長度830m、混合層厚度為0.2、施密特數(shù)為1.0、時間步長調(diào)節(jié)流量為1、沖蝕/淤積限制為0.01、最大沖刷厚度-90m、最大淤積厚度+90m。

3.2 模式檢定

Yalin（1972）提出Lb值可用于河道寬的6.3倍，或Van Rijn（1984），即約流動深度的7.3倍。本研究因流動深度難取得，故使用Yalin（1972）提出河道寬的6.3倍約830米作為參數(shù)檢定分析。當Lb值減小時，其土砂會集中在入流口造成淤砂高度增加，且下游呈現(xiàn)沖刷趨勢；反之，若Lb增大時，淤砂長度延長，且淤砂高度減緩?？芍狶b值是影響河床形狀及沖淤程度的重要參數(shù)。本研究利用前述的四種公式模擬，模擬結(jié)果與2015年河道測量高程接近，適用于本研究。四種公式以2015年實測地形進行模擬，并將其模擬值與2015年實測值進行比對，比對結(jié)果如表1 所示。

3.3 小結(jié)

綜合以上檢定分析結(jié)果，采用 SEDTRA module 公式，Lb為830，混和層厚度為0.2進行模擬，較符合本河段的沖淤變化特性。

4 崩塌阻塞河道模擬分析

4.1 無堵塞

DS32 崩塌地未發(fā)生崩塌，河道未遭土石阻塞、重現(xiàn)期Q1.1距時模擬結(jié)果為：水深最大深度約為7.9m，未對居民造成危害；重現(xiàn)期距Q10時模擬結(jié)果為：最大水深為8.6m，未對居民造成危害；重現(xiàn)期距Q50時模擬結(jié)果為：最大水深為8.1m，水流經(jīng)由居民區(qū)東、西兩側(cè)溢淹至居民區(qū)，淹水面積約為1.86 km2，占46.97%。

4.2 阻塞河幅均寬1/3

DS32 崩塌地發(fā)生崩塌遭土石阻塞河幅均寬1/3、重現(xiàn)期距Q1.1時模擬結(jié)果：水深最大深度約為9.4m，未對居民造成危害；重現(xiàn)期距Q10時模擬結(jié)果：最大水深為8.8m，未對居民造成危害；重現(xiàn)期距Q50時模擬結(jié)果：最大水深為 7.7m，水流經(jīng)由居民區(qū)東、西兩側(cè)溢淹至居民區(qū)，淹水面積約為 2.03 km2，占51.26%。

4.3 阻塞河幅均寬1/2

阻塞河幅均寬1/2、重現(xiàn)期距Q1.1時模擬結(jié)果：最大水深為 7.73m，且水流經(jīng)由居民區(qū)西側(cè)溢淹至居民區(qū)，淹水面積約為 1.22 km2，占30.81%。

4.4 阻塞河幅均寬2/3

阻塞河幅均寬2/3、重現(xiàn)期距Q1.1時，模擬結(jié)果：最大水深為7.7m，且水流經(jīng)由居民區(qū)西側(cè)溢淹至居民區(qū)，淹水面積約為1.76 km2，占34.34%。

4.5 綜合比較說明

綜合上述模擬結(jié)果，無阻塞河道及阻塞河道平均寬度1/3時，皆在重現(xiàn)期距Q50時由居民區(qū)東、西兩側(cè)溢淹至居民區(qū)；阻塞河道平均寬度1/2及阻塞河道平均寬度2/3時，皆在重現(xiàn)期距Q1.1即從居民區(qū)西側(cè)溢淹，造成居民區(qū)淹水。

5 結(jié)束語

本研究檢定得出，在CCHE-2D眾多參數(shù)中，混合層厚度、調(diào)適長度及四種輸砂公式影響模擬結(jié)果最為顯著。當無土石阻塞河道與遭土石阻塞河幅均寬1/3，在重現(xiàn)期距Q50時，水流由居民區(qū)東、西兩側(cè)地勢較低道路溢淹至居民區(qū)；而當河道遭土石阻塞河幅均寬1/2及2/3時，皆在重現(xiàn)期距Q1.1條件下，即從居民區(qū)西側(cè)溢淹，造成居民區(qū)內(nèi)淹水。

參考文獻：

[1]胡呈維，余明輝，魏紅艷，吳松柏.沖刷過程中岸坡條件對塌岸淤床交互作用影響的試驗研究[J].工程科學(xué)與技術(shù)，2017，49（2）.

[2]舒安平，周星，余明輝，段國勝，朱福楊.岸坡崩塌條件下彎道環(huán)與水流剪切力的變化特征[J].水利學(xué)報，2018，49（3）.