塔里木河干流河段河道整治工程沖刷數值模擬

金慶日

（塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000）

0 引言

洪水是導致地形地貌變化和坡面侵蝕形成的主要原因[1]，這些大多是人類無法控制的因素。每年6月至9月，我國部分流域受到季風的影響，降雨量陡增，平均降雨量可達1 800 mm/a[2，3]。豐富的水資源仍未得到充分利用，反而頻繁的洪水造成了嚴重的災難，流域內的一些地區(qū)不斷受到河岸侵蝕和洪水的破壞[4]。下墊面的復雜構造和季風性降雨會導致河中的水流存在不穩(wěn)定性，因此對于洪水的形成，預報的難度較大[5]。但是可以通過物理模型和數值模擬對河流平衡沖刷深度進行預測，從而設計出合適的河道整治建筑物，進一步抵御侵蝕繼續(xù)發(fā)展[6]。

1 研究區(qū)概況

塔里木河全長2 179 km，由葉爾羌河、和田河、喀什噶爾河、阿克蘇河等匯合而成，由于來自冰山的融水含沙量大，河床很不穩(wěn)定，被稱為“無韁的野馬”。位于阿克蘇地區(qū)農一師阿拉爾市的塔里木河大橋，1995年建成，全長605 m，引道長673 m，是開發(fā)塔里木石油的第一座大橋，是通向塔克拉瑪干大沙漠的必經之橋，為塔里木河上游與中下游的分界點。塔里木河不僅是中國最大的內流河，其河道的橫截面和平面幾何形狀在洪水的作用下多年來不斷變化，河道幾次改變了路線。北岸由相對較硬的粘性物質組成，而南岸是由松散的物質組成的，這種物質極易被侵蝕，需要修建河道整治工程（RTW），以修復橋梁交叉處的岸線，尤其是南岸部分。

預計在項目使用壽命內，河道將向南遷移，在這種情況下，沿南護岸坡腳的最大沖刷深度可能超過65 m。本文采用該沖刷深度評估兩種形態(tài)動力學模型的模擬能力。

2 塔里木大橋介紹

2.1 水力要素

通過查閱塔里木河流域干流管理局現有的資料、歷年《新疆維吾爾自治區(qū)水文年鑒》中與塔里木河阿拉爾段徑流、水文相關的部分，經過統(tǒng)計，歷年橋址的岸灘流量在60 000～90 000 m3/s之間變化，平均約為75 000 m3/s。大橋附近主要流量與水位情況見表1。由于水位流量曲線呈現較大的分散性，因此，表1中的水位視為平均值。100年一遇的洪水估計為128 000 m3/s，考慮到氣候變化的潛在影響，將其設計為148 000 m3/s，用作橋梁工程的設計洪水。

表1 大橋附近主要流量與水位情況

橋址附近的平均坡度為0.000 05（5 cm/km）。在2009年，汛期測量橋梁交叉口周圍幾個橫斷面上的水深和流速，當時岸邊的流速為76 000 m3/s，測得的平均水深和流速分別為11 m和1.4 m/s，而相應的最大值分別為25 m和2.5 m/s。橋梁段100年重現期的平均流速估計為4.6 m/s。

2.2 河道整治工程

河道整治工程是保證橋梁穩(wěn)定過水的必要條件也是物理模型試驗的重點。南岸由易受侵蝕的松散沖積礦床組成，如果沒有河道整治建筑物，南岸很容易受到侵蝕。建議沿南岸設置8.0 km長的導向護岸作為河道整治工程，護岸從橋的上游延伸7.2 km，從橋的下游延伸0.8 km。通過物理模型和兩類數值模型進行沖刷等級模擬，每種方法都有其優(yōu)缺點，使用多種方法并對照實測數據，識別出了一種較優(yōu)越的方法。

3 河道整治工程沖刷的物理模型

設置4個動床物理模型，分別研究局部橋墩沖刷、對河道整治建筑物的沖刷和土工袋下水的沖刷。其中2個物理模型模擬河道整治建筑物的沖刷見表2。物理模型以大橋為邊界，分別模擬上下游7.2 km和0.8 km的來水情況，來水條件模擬百年設計洪水的流速，所用的輕型砂與天然砂的比重為1∶2。表2中的試驗組模型尺寸是天然河床的縮略版，采用相同的設計洪水流速，為了修正流速帶來的試驗結果影響，用降低河床坡比的方式對其進行修正。

河床被天然沉積物覆蓋，平均粒徑為0.1 mm。測試的水流條件是多年平均流量和百年一遇洪水。研究發(fā)現，來水對局部橋墩的沖刷影響不大，橋墩并沒有明顯的損壞程度；但當河流以45°角沖擊南岸河道整治工程時，情況最為不利。在此情況下，防洪堤壩腳處出現了凹陷，同時在防洪堤下部會形成一個深的沖刷坑。沖刷坑中的最低河床高程在-51～-61 m之間變化。由此可見，洪水對河道整治建筑物與土工袋下水的危害比較嚴重。

表2 原河床和試驗河床對照表

試驗組斷面中上游平均流速在3.0～3.5 m/s之間變化，當水流經過彎曲的河道整治工程時，將增加到4.3～4.6 m/s，類似于百年一遇洪水的流速。流速的增加導致了道整治工程周圍局部沖刷的加劇，特別是在凸起防洪堤頭部附近，這也是在原河床模型中觀察到的。剖面模型中測量的最小河床高程在標高之間變化如圖1所示。

圖1 河道沖刷橫截面測量示例圖

物理模型試驗表明，盡管流量、輸沙方式會影響沖刷破壞的發(fā)展速率，但它們對平均流量下的沖刷沒有顯著影響。

4 數值模型設置

物理模型顯示，當水流沿南岸集中時，將出現對南岸河道整治工程最不利的條件，因此數值模型也設置了這些水流條件。數值模型中保留了物理模型中沿南岸的水流線形、幾何形狀和彎道。模型中引入了一個與南岸平行的虛擬北岸，以保持恒定的河道寬度，避免人為因素導致的收縮效應。模型包括主河道、部分鄰近洪泛區(qū)、導向護岸、高防洪堤和一段引道。數值模型長8.0 km，主河道寬230 m。對河道沖刷數值模型進行網格劃分見圖2，在4 023個節(jié)點中設置7 587個三角形元素，除了凸起的堤岸附近，節(jié)點之間的距離減少到1 m。

在泥沙輸移計算中，假定河床被均勻的0.1 mm泥沙覆蓋，運輸率是用恩格爾隆德-漢森方程計算的。護岸的邊坡比假定為1∶1，邊界條件：上游部分的流量為148 000 m3/s，并假設泥沙流入處于平衡狀態(tài)，即通過泥沙輸移方程計算。

圖2 河道沖刷數值模型網格劃分

使用T2D和R2D兩個形態(tài)動力學模型來模擬河道整治工程沖刷。這兩個模型使用的是非結構化網格，設定了相同的網格和邊界條件。對于湍流模型而言，R2D使用了一個簡單的方程模型，該模型假設渦流粘度與當地水深和剪切速度的乘積成比例；而T2D使用的是雙方程k-ε湍流模型。

5 結果分析

5.1 流體力學

在形態(tài)動力學模擬開始之前，通過兩個流體動力學模型計算的標量速度場的對比情況見圖3。盡管使用了相同的網格、粗糙度和邊界條件，但兩個模型預測的速度場并不相同。

圖3 初始速度場分布情況

在斷面模型中觀察到的范圍內，兩個模型中計算的流入速度均為3.1 m/s。兩個模型都預測最高局部速度出現在防洪堤的上游，即河岸整治建筑的最大曲率位置，見圖3。R2D預測峰值速度為4.3 m/s，而T2D預測為4.2 m/s，物理模型也呈現了這個結果。由于T2D模擬系統(tǒng)相當復雜，開始模擬之前需要設置幾個數值選項（例如邊界條件處理、摩擦定律、湍流模擬、平流類型等）。為了獲得圖3所示的T2D結果，需要對輸入參數進行大量的測試和更改。在這種特殊情況下，使用T2D的默認選項進行模擬并不能產生真實的速度分布。相比之下，R2D的設置相對簡單，只使用了默認選項。

5.2 形態(tài)動力學

在計算初始速度場后，將模型與形態(tài)動力學模塊相結合，進一步預測河床隨時間的變化。在50 d后達到最大沖刷深度，通過形態(tài)動力學模型計算的河床水位見圖4。

圖4 50 d后通過形態(tài)動力學模型計算的河床水位

位于凸起防洪堤頂部的橫斷面（垂直于水流）上的河床高程如圖5所示。兩種模型預測的初始沖刷率相似；30 d后，兩個模型都產生了相同的現象。但是，此后T2D模型不再繼續(xù)沖刷，護岸坡腳處的最小河床高程保持在-50 m。相比之下，R2D的河床水位持續(xù)下降，50 d后達到-60 m，此后保持不變。

兩種模型預測的沖刷坑位置和形狀相似，并且都處在局部水流速度高的位置，而R2D模擬結果中產生了更深的沖刷坑，這與物理模型中的觀察結果更為一致。

圖5 凸起防洪堤上游段河床演變

6 結語

文中用形態(tài)動力學模型R2D和T2D預測塔里木河大橋南河岸整治工程，沖刷坑的形狀和位置與物理模型中觀察到的一致，但R2D能更好地模擬沖刷坑的深度，與物理模型結果一致，而T2D預測的結果要小15%。結合本文的研究可以得出，二維數值模擬是預測河流平均沖刷深度的一個有效手段。模型具有較強的適用性，能夠很好地模擬河道沖刷的計算，可以為防汛抗旱工作提供數據支撐。但不同的數值模型可能產生不同的沖刷模擬結果，出于設計目的，將數值模型與其他方法（如分析方法、現場觀測或物理模型）結合或相互驗證對于提升精度是很有必要的。