沙潁河三八村切灘段航道整治設(shè)計(jì)及通航條件數(shù)值模擬

高勝，胡應(yīng)苗 （安徽省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230022）

沙潁河發(fā)源于河南省伏牛山，流經(jīng)河南省平頂山、漯河、周口等地市，自界首入安徽省阜陽(yáng)市境內(nèi)，于潁上沫河口入淮河，是淮河的最大支流[1，2]。干流河道全長(zhǎng)620km，總落差665m，流域面積36651km2。三八村等彎道切灘疏浚工程位于潁上閘下游2km，河槽呈“∧”形彎曲，彎道長(zhǎng)度約3.3km。工程航道設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，由于彎道彎曲半徑較小[3，4]，約200m，通航水流條件較差，不滿(mǎn)足Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，本文擬對(duì)工程段進(jìn)行航道整治設(shè)計(jì)，并借助數(shù)學(xué)模型對(duì)整治前后航道通航條件進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 工程概況

1.1 水文條件

沙潁河屬淮河水系，與淮河汛期與雨季一致，夏季雨量充沛，水位高，流量大；冬季降雨稀少，水位低，流量小。沙潁河洪水主要由暴雨形成，漯河以西沙河干流、北汝河、澧河上游是沙潁河流域暴雨中心多發(fā)地區(qū)；沙潁河上游山區(qū)流域坡度陡，集流快，汛期徑流量往往占總徑流量的70%～80%[5]。本工程范圍內(nèi)設(shè)計(jì)最高通航水位為27.05m，對(duì)應(yīng)的最高通航流量為2100m3/s，最低通航水位為17.00m。

1.2 工程地質(zhì)

工程區(qū)域位于淮河以北的平原地帶，河道支流較多，溝渠交錯(cuò)，一般地面高程25m～35m。鉆孔揭示河道兩岸地下水一般為潛水，地質(zhì)以粉土、粉質(zhì)粘土以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主。由于河水流速的變化，沉積環(huán)境發(fā)生很大變化，地層范圍和厚度變化均較大，部分地段分布有粉砂。

1.3 工程等級(jí)

本次航道規(guī)劃等級(jí)為天然及渠化河流Ⅳ級(jí)雙線標(biāo)準(zhǔn)，航道設(shè)計(jì)最高通航水位取10%頻率洪水位（10年一遇洪水位），設(shè)計(jì)最低通航水位取95%保證率水位。航道底寬50m，最小通航水深2.8m，最小彎曲半徑330m。

2 航道整治設(shè)計(jì)

沙潁河為渠化河流，水流造床作用相對(duì)弱小，解決枯水期航道尺度不足問(wèn)題，采用疏浚工程措施是最經(jīng)濟(jì)可行的解決方式，局部彎曲河道通過(guò)采取裁彎取直、削灘、切灘等工程措施改善航行條件[6]。

三八村處河槽呈“∧”形彎曲，彎道彎曲半徑較小，不能滿(mǎn)足Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)要求，采用沿現(xiàn)河槽局部采取切嘴工程措施治理方案。該處彎道受地形條件限制，若航道彎曲半徑按照Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)要求取330m，則切嘴較多，形成小規(guī)模的裁彎，河中將留有一塊小面積的河洲，對(duì)汛期船舶安全航行不利。本次設(shè)計(jì)該處航道彎曲半徑取300m。對(duì)航道底寬作局部加寬處理。根據(jù)計(jì)算，加寬值為18.7m，取19m，該方案航道里程2.7km。工程方案布置圖和彎頂斷面開(kāi)挖圖見(jiàn)圖1。

圖1 工程方案布置圖

3 模型建立

針對(duì)沙潁河三八村段彎曲較大的河道特點(diǎn)，采用建立在三角形網(wǎng)格上的專(zhuān)業(yè)二維模型MIKE 21 FM進(jìn)行模擬計(jì)算，該模型具有邊界適應(yīng)性好，計(jì)算速度快、考慮水動(dòng)力條件全面等特點(diǎn)，并在長(zhǎng)江口深水航道治理、淮河干流劉臺(tái)子航段裁彎等多個(gè)工程得到應(yīng)用，取得了較好的效果，為解決航道整治中遇到的水流問(wèn)題提供了有力的技術(shù)支撐[7-9]。

3.1 水流方程

模型的水流運(yùn)動(dòng)方程為基于Boussinesq假定和靜水壓力假定的垂向平均不可壓縮流體雷諾平均Navier-Stokes方程。

3.1.1 連續(xù)方程

3.1.2 方向動(dòng)量方程

3.1.3 方向動(dòng)量方程

式中，x，y為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時(shí)間；η為水位；d為靜止水深；h=η+d為總水深;u、υ分別為x、y方向上的速度分量，字母上帶橫杠是平均值，例如為沿水深平均的流速，由以下公式定義：是柯氏力系數(shù)，為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；g為重力加速度；ρ為水的密度；分別為輻射應(yīng)力分量；S為源項(xiàng)；為源項(xiàng)水流流速。

式中，A為系數(shù)。

粘滯應(yīng)力梯度項(xiàng)可轉(zhuǎn)換為

式中，Δ為單元面積 (m2)；Cs為系數(shù)，取 0.25～1.0。

3.2 網(wǎng)格劃分和計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程河段特點(diǎn)，選取潁上閘下至三八村彎道出口段全長(zhǎng)約8km河道構(gòu)建水動(dòng)力模型計(jì)水沙數(shù)學(xué)模型。計(jì)算區(qū)域被剖分為25105個(gè)三角形計(jì)算單元，共13090個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。模型網(wǎng)格最小內(nèi)角為15°，最大內(nèi)角為133°，網(wǎng)格區(qū)域變化為0.45，沒(méi)有畸形網(wǎng)格出現(xiàn)，模型網(wǎng)格質(zhì)量良好。其中灘地網(wǎng)格尺度為10m～20m，主槽和航道網(wǎng)格尺度為5m～10m，網(wǎng)格的疏密分布能夠詳細(xì)反映實(shí)際地形的變化，見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)學(xué)模型三八村彎道局部網(wǎng)格剖分

時(shí)間步長(zhǎng)：最小時(shí)間步長(zhǎng)0.01s。

糙率：主槽糙率為 0.025～0.028，河道灘地糙率為0.035～0.04。

紊動(dòng)黏性系數(shù)：采用Smagorinsky公式計(jì)算，取0.28。

3.3 模型率定驗(yàn)證

以2018年汛前（6月27日）為起算地形，配合2018年6月27日～9月24日實(shí)測(cè)水沙資料為進(jìn)出口邊界，對(duì)上述模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。

圖3給出了潁上閘下和碼頭兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證結(jié)果。由圖中可見(jiàn)，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算的水位過(guò)程與實(shí)測(cè)值均吻合較好，誤差一般控制在0.10m以下，說(shuō)明模型對(duì)邊界的處理和糙率的選取是合理的。

圖3 水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

3.4 計(jì)算控制條件

模型共研究?jī)煞N河道地形，即航道整治工程實(shí)施前河道地形和三八村彎道裁彎半徑為300m的竣工后地形。針對(duì)不同的地形，數(shù)學(xué)模型分別制作相應(yīng)的網(wǎng)格文件進(jìn)行分析計(jì)算。

分析新老河槽分流比時(shí)，需要在三八村彎頂附近垂直河道方向劃定分析斷面，斷面對(duì)應(yīng)河道設(shè)計(jì)中心線樁號(hào)約為K164+908。該斷面切灘前現(xiàn)狀河槽定為老河槽，切灘后老河槽右岸灘地新開(kāi)挖部分定為新河槽，新、老河槽流量占上游來(lái)流總流量百分比為其分流比，見(jiàn)圖4。由圖可知，三八村彎道河道整治工程前彎道中部河槽寬度約165m，河道中心線曲率半徑約200m；整治工程（2017年測(cè)）后彎道中部河槽寬度約270m，河道中心線曲率半徑約300m。

圖4 整治工程后局部地形及新老河槽分割示意圖

根據(jù)沙潁河河道整治工程通航水位的設(shè)計(jì)，并對(duì)潁上閘下近年來(lái)水位流量資料的分析，選取3組工況，包括了平灘水位以下、平灘和最高通航水位。具體工況選擇見(jiàn)表1。

模型計(jì)算工況 表1

4 計(jì)算結(jié)果分析

選取最不利工況，即最高通航水位工況進(jìn)行工程模型計(jì)算結(jié)果分析。

4.1 流場(chǎng)、流速分布變化

整治前后工程段流場(chǎng)分布圖見(jiàn)圖5。分析可知：

圖5 整治前、后流速分布圖

①平灘流量以下（600m3/s）：工程前流速最大值位于彎頂下游，最大流速為1.2m/s～1.3m/s，彎頂部位主流偏向于左岸，主流過(guò)于集中、局部流速偏大，流速值在0.5m/s～0.6m/s之間。整治后，彎頂區(qū)主流偏向于右岸新河槽，由于切灘后彎頂主槽過(guò)流斷面面積變大，使得彎頂斷面流速相比較切灘工程前有所減小，彎頂位置主流過(guò)于集中、局部流速偏大的情況明顯改變，切灘上下游流速分布更加均勻，通航水流條件改善明顯，流速值為0.2m/s～0.5m/s。老河槽流速較小，流速值僅為0.1m/s～0.2m/s，但沒(méi)有出現(xiàn)回流。航道水流平順，流態(tài)較好。

②平灘流量（1000m3/s）：由于洪水尚未漫灘，流態(tài)和平灘以下流態(tài)基本一致。工程前，但由于流量加大，河道內(nèi)流速有所增加，最大流速為1.4m/s～1.6 m/s，彎頂部位主流偏向于左岸，流速值在0.7m/s～1.0m/s之間。整治后，彎頂區(qū)主流偏向于右岸新河槽，流速值在0.4m/s～0.65m/s之間。老河槽流速較小，流速值僅為0.1m/s～0.4m/s，但沒(méi)有出現(xiàn)回流。航道水流平順，流態(tài)較好。

③最高通航水位（2100 m3/s）：工程前，洪水全部漫灘，雖然流量相比較工況2增加了1100 m3/s，但是由于洪水漫灘，水流過(guò)流面積急劇增加，灘地糙率的增加，使得河道水流流速相較于工況2有所減小，最大流速為1.4m/s～1.5m/s，彎頂部位流速值有所增加在0.8m/s～1.2m/s之間。整治后，彎頂部位右岸新河槽流速值有所增加在0.5m/s～0.85m/s之間。航道水流平順，流態(tài)較好。

4.2 水動(dòng)力軸線變化

整治前后水動(dòng)力軸線變化見(jiàn)圖6。分析可知，工程后，水動(dòng)力軸線略微向開(kāi)挖側(cè)擺動(dòng)，最大擺動(dòng)距離為10.3 m，平均擺動(dòng)距離為1.29 m，擺動(dòng)幅度較小。凹岸側(cè)流速值減少，凸岸側(cè)流速值增大。

圖6 工程前后水流軸線對(duì)比圖

4.3 工程后新老河分流比

彎頂切嘴后分流比分析斷面處新、老河槽位置分割見(jiàn)圖4，模型輸出各計(jì)算工況分流比分析斷面處新、老河槽行洪流量，由此計(jì)算新老河槽分流比。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出：三八村彎道切灘后，河槽主流明顯偏向右岸新河槽，新河槽分流比為59.6%～61.3%，老河槽僅38.7%～40.4%；隨著流量增大，右岸新河槽分流比減小，但新河槽分流比大于老河槽的情況沒(méi)有改變。

整治工程后新、老河槽分流比 表2

4.4 橫向流速

在三八村彎道航道進(jìn)口段、彎頂處、出口段設(shè)置流速分析斷面，用于提取各斷面流速值。模型流速分析斷面位置見(jiàn)圖2。整理計(jì)算各工況實(shí)際流速、流向與航道夾角、橫向流速見(jiàn)表3。由表可知，這5個(gè)斷面橫向流速變化呈現(xiàn)出的規(guī)律基本一致，即隨著流量的增加，斷面的最大流速、主流線與航道的夾角都存在明顯的上升趨勢(shì)，受其影響，橫向流速也在不斷的攀升。各工況下橫向流速均小于航道最大允許流速0.3m/s，滿(mǎn)足通航要求。

斷面流速分析表 表3

5 結(jié)論

針對(duì)沙潁河三八村彎道現(xiàn)有的條件設(shè)計(jì)了沿現(xiàn)河槽局部采取切嘴工程措施治理方案，并建立了二維水動(dòng)力維數(shù)學(xué)模對(duì)工程整治后效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

①三八村彎道切灘后，切灘處彎道主流過(guò)于集中、局部流速偏大的情況明顯改變，切灘上下游流速分布更加均勻，各工況下橫向流速均小于航道最大允許流速0.3m/s，滿(mǎn)足通航要求；

②工程后河槽主流明顯偏向右岸新河槽，新河槽分流比為59.6%～61.3%，老河槽僅38.7%～40.4%；隨著流量增大，右岸新河槽分流比略有減小，但新河槽分流比大于老河槽的情況沒(méi)有改變。受此影響，各流量級(jí)凹岸頂沖點(diǎn)普遍下移，建議加強(qiáng)對(duì)河道的觀測(cè)及護(hù)岸工作；

③本工程整治方案合理有效，整治后，工程河段內(nèi)通航條件顯著改善。