河道整治工程中沖淤變化的水力學(xué)模擬分析

孫 健

(遼寧天陽工程技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，沈陽 110003)

0 引 言

河道整治工程中需要對其治理前后的效果進(jìn)行評價(jià)，一般主要結(jié)合某一治理段進(jìn)行其治理前后的效果分析，如治理前后的流態(tài)和沖淤變化，從而判定河道治理的綜合效果[1]。傳統(tǒng)效果分析方式不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)河流治理段沿程流態(tài)和沖淤變化的特征，具有明顯局限性[2]。近些年來，隨著河道整治力度的不斷加大，對其河道治理效果評定也逐步得到國內(nèi)許多研究學(xué)者的關(guān)注，在這些分析成果中大都通過對比某一河段治理前后水位、流速以及斷面沖淤量測定值來分析治理效果，主要是缺乏沿程分析的技術(shù)手段。當(dāng)前，水力學(xué)模型逐步被用于河道治理工程設(shè)計(jì)中，結(jié)合治理河段地形測量數(shù)據(jù)，采用水力學(xué)模擬的方式模擬不同治理模式下的河道流態(tài)以及沖淤沿程變化特征，在一些河道治理工程實(shí)踐應(yīng)用中，這種方式的效果十分明顯[3-5]。為此文章以遼寧某河道治理工程為實(shí)例，采用二維水力學(xué)模型，對其治理前后的水流流態(tài)以及沖淤變化進(jìn)行沿程分析，研究成果對于河道整治過程治理效果分析具有重要的意義。

1 計(jì)算原理

文章采用二維水力學(xué)模型對其河流治理前后的流態(tài)和沖淤變化進(jìn)行模擬分析，流態(tài)主要判定其流速的變化，而沖淤變化主要通過模擬治理前后水位變化來分析其沖淤的特征，模型質(zhì)量守恒及能量守恒計(jì)算方程分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：Z為計(jì)算的斷面水位，m；H為斷面水深，m；V為水平方向和縱向水流計(jì)算流速，m3/s；g為重力加速度，m/s2)；n為糙率值；VT為擴(kuò)散系數(shù)；u為摩阻流速，m3/s。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

以某河道整治工程為具體實(shí)例，綜合整治的河長為4.5km。河底平均高程為2.5m，水面平均寬度為150m，河道堤防現(xiàn)狀條件下頂部平均高程為4.5m，堤防平均寬度為3.5m，在左側(cè)岸邊有平均寬度為1.5m的碎石路面，迎水坡面的比降約為1∶2.5，局部岸邊較陡邊坡的比降為1∶1.5，河道堤防現(xiàn)狀條件下基本為采用護(hù)砌的方式進(jìn)行防護(hù)，河道堤防背水坡的比降均值在1∶2.5左右。右側(cè)堤頂高程約為4.3m。整治工程河段最低高程為0.9m。在河段左側(cè)建設(shè)有水工混凝土擋墻，在擋墻的迎水面坡度的比降為1∶0.5，整個(gè)水工混凝土擋墻的高度約為1.5m，在迎水面設(shè)置有寬度以1.0m的平臺，平臺整個(gè)高程為0.5m，在綜合治理的河道堤防的右岸設(shè)置有高程為1.5m的直立性水工混凝土擋墻。為分析河道整治前后對水流流態(tài)以及斷面沖淤變化的影響，采用水力學(xué)模型其沿程4.5km橫向和縱向斷面進(jìn)行水力學(xué)模擬，重點(diǎn)分析其水流流速和斷面水位的變化。

2.2 模型邊界設(shè)置

采用水力學(xué)模型對河道整治工程的流態(tài)進(jìn)行分析，首先需要確定模型的計(jì)算邊界，文章采用兩種模型計(jì)算邊界方案，第一種邊界方案為河道整治工程在天然條件下的流速以及水位變化情況，其作為整治前的天然狀態(tài)下的流態(tài)[6-8]。第二種邊界方案時(shí)河道整治工程治理后的流速和水位的沿程變化模擬。將兩種邊界方案下的流速和水位進(jìn)行對比，分析工程整治前后的流態(tài)和斷面沖淤變化的影響[9]。在水力學(xué)模型中將整個(gè)整治河段的橫向和縱向分別劃分為65個(gè)和345個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，各網(wǎng)格橫向和縱向尺寸分別為1.2m和5m。工程治理前后的地形變化可通過網(wǎng)格較為清晰的得到展示。研究河段的網(wǎng)格化如圖1所示。

圖1 研究河段的網(wǎng)格化結(jié)果

2.3 治理前后行洪影響分析

河道綜合治理主要目標(biāo)是提高河段的行洪能力，為提高治理河段的行洪能力，河道治理后主要對斷面進(jìn)行2m深度的清淤工作，使得其相同水位條件下的過水能力得到一定程度的提升，此外通過治理河道的彎曲度得到一定程度的改善，通過降低河床糙率提高其河道綜合行洪能力[10-12]。通過河道治理后，在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)即為50a一遇洪水條件下，河段兩個(gè)支流設(shè)計(jì)防洪能力分別為22.3m3/s和69.4m3/s。工程治理前后的水面線如圖2所示。

(a)西支 (b)西北支

從圖2中可看出，在工程治理前兩個(gè)支流的水面線總體位于12.2-12.5m之間，通過清淤、河道順著以及糙率降低等綜合治理措施下，河道整治后相同條件下的水面線平均下降1.8m左右，表明在相同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，河道整治后的行洪能力得到提升，相同水位下河道斷面的過水能力增加。

2.4 河道流速及流態(tài)分析

采用構(gòu)建好的水力學(xué)模型，結(jié)合兩種邊界條件，對河道工程治理前后的水流流態(tài)進(jìn)行綜合對比分析，分析結(jié)果如圖3所示，并對工程整治前后的斷面水位沿程變化進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4所示。

(a)治理前

(b)治理后

(a)治理前

(b)治理后

從工程治理前流速高值主要集中在河段彎曲段，該段流速高達(dá)2.5m/s，治理后彎曲段流速高值的區(qū)域明顯減少，這主要是因?yàn)橥ㄟ^順著河段以及降低糙率等措施，降低了彎曲段河道的流速，從流速沿程變化可看出，相比于治理前，治理后的水流流速有一定的減小，但在順直段相同水位和流量條件下的流速有所增加，提高了洪水快速通過的能力，并降低了其彎曲河段的沖刷能力，提高了河道堤防的穩(wěn)定性。從工程整治前后的水位沿程變化可看出，相比于治理前，河段水位降低較為明顯，這主要是因?yàn)閿嗝媲逵俅胧┑挠绊?，通過對斷面清淤，提高了斷面過水面積，使得相同來水條件下河道的水位有不同程度的降低，通過對比分析，相比于工程治理前，治理后斷面水位平均下降約為1.8m。

2.5 斷面沖淤變化分析

按照河道治理設(shè)計(jì)的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，考慮最大洪水條件下，洪水歷時(shí)約為1d的計(jì)算條件下，對工程治理前后的斷面沖淤深度進(jìn)行沿程分析，分析結(jié)果如圖5所示。

河道治理工程主要采用漿砌片石進(jìn)對治理河段進(jìn)行河底的安全防護(hù)，在計(jì)算其沿程沖淤深度變化時(shí)，這一部分沖淤變化不參與到模型計(jì)算中，整個(gè)治理河段沿程沖淤深度可看出，治理前，河道在相同流量條件下，其計(jì)算的沖淤深度在0.8-1.2m左右，其沖淤深度變化較大的區(qū)域主要集中在彎曲段即為治理河段的中部區(qū)域，在工程治理前河段兩側(cè)的沖淤變化十分顯著。通過工程治理后，由于對其左岸和右岸進(jìn)行了安全有效防護(hù)，河道兩岸的沖刷得到有效防護(hù)，工程治理前河道沖刷深度高值主要集中在護(hù)岸和河底交接區(qū)域，最大沖刷深度高達(dá)1.2m，通過河道治理后，相比于治理前，河道沖刷深度沿程平均較低0.5m，尤其是在高沖刷區(qū)域，沖刷深度降低0.8m。

(a)治理前

(b)治理后

3 結(jié) 論

1)在采用水力學(xué)模型進(jìn)行工程治理前后流態(tài)模擬時(shí)，可通過設(shè)置治理前天然狀態(tài)下的水位邊界以及治理后的水位邊界作為模型的計(jì)算邊界，從而對比工程治理前后的流速以及斷面水位沿程變化。

2)采用治理措施后，河道整治后相同條件下的水面線平均下降1.8m左右，表明在相同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，河道整治后的行洪能力得到提升，相同水位下河道斷面的過水能力增加。

3)通過對治理前后河道沿程流速對比分析可知，相比于治理前，治理后的水流流速有一定的減小，但在順直段相同水位和流量條件下的流速有所增加，提高了洪水快速通過的能力，并降低了其彎曲河段的沖刷能力，提高了河道堤防的穩(wěn)定性。

4)通過沖淤深度沿程模擬分析，通過河道治理后，相比于治理前，河道沖刷深度沿程平均較低0.5m，尤其是在高沖刷區(qū)域，沖刷深度降低0.8m。