黃河下游丁壩群對河勢控制效果研究

彭 秀 竹， 徐 向 舟*， 趙 瑩， 高 璐

( 1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024；2.山東省水利科學(xué)研究院， 山東 濟南 250013 )

0 引 言

黃河下游河道不斷遷徙變化，在一定條件下就會決溢泛濫，改走新道．2019年國家將黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展放在戰(zhàn)略高度，明確要求實施河道和灘區(qū)綜合提升治理工程．隨著小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的運用，下游河道的水沙條件發(fā)生了變化，原有的工程布置已經(jīng)不能滿足當(dāng)前河道治理情況，尤其是部分靠溜工程的上首坍塌嚴重，致使主溜超出工程控制范圍，這對防汛搶險十分不利，需要加快開展游蕩型河段控導(dǎo)工程的續(xù)建．然而河道整治工程的設(shè)計按照原控導(dǎo)工程確定是否合理，目前還缺乏必要的技術(shù)論證．鑒于黃河下游本身水沙特性的復(fù)雜性以及相關(guān)研究的缺乏，有必要開展整治工程對黃河下游游蕩型河道影響的研究．

丁壩的布設(shè)和結(jié)構(gòu)形式的選擇直接關(guān)系到河道的治理效果．已有研究通過模型試驗和數(shù)值計算等方法，分析了丁壩對河道中流體特性的影響，相關(guān)成果大多聚焦在速度分布[1]、自由水面形態(tài)和紊動特性[2-3]等方面，比如已有許多學(xué)者根據(jù)模型試驗和數(shù)值模擬分析了單丁壩挑角[4]、長度[5]和壩型[6]等對流場及沖刷的影響．以往對丁壩的研究多是針對單丁壩某一具體問題深入分析，很少有把丁壩群當(dāng)作整體研究對象來考慮．事實上，單丁壩對河道整治有局限性，現(xiàn)實大多采用丁壩群系統(tǒng)配合作用，在避免產(chǎn)生新水害的同時，還可以達到河道整治的目的．加之彎道處壩體作用下的水流、泥沙和河床的相互作用機理復(fù)雜，因此仍需對河灣處壩群周圍水流特征和河床變形進行更加深入的分析，從而驗證丁壩群在緩流落淤、保護岸坡等方面的效果，以尋求具有顯著防洪效益的護岸方式．此外，以往對丁壩周圍流動特性的研究多集中于順直河道[5]，而黃河下游為游蕩型河道，河灣段水沙作用機理復(fù)雜，在討論丁壩群效用機制時難以直接應(yīng)用現(xiàn)有成果．鑒于此，本文運用MIKE21軟件，構(gòu)建黃河下游渾水條件下典型游蕩型河道的二維水動力數(shù)值模型，對比分析在不同挑角、布設(shè)排數(shù)和結(jié)構(gòu)形式情況下，丁壩群對游蕩型河道平面河勢的控制效果，為丁壩設(shè)計施工提供參考，以期為黃河下游工程布局提供科學(xué)思路．

1 區(qū)域概況

全長約275 km的孟津至高村河段，位處黃河下游．該河段是典型的游蕩型河段，河勢擺動劇烈，易沖易淤，灘槽泥沙交換過程復(fù)雜．而老君堂河段整個位于游蕩型河段中，在山東省東明縣黃河南灘內(nèi)．1974年開始在該河段修建老君堂控導(dǎo)工程，上接左岸周營口工程來溜，下送溜至榆林工程．從老君堂河勢變化發(fā)展來看，如果工程對灘岸灘尖在大溜作用下，淘刷嚴重，繼續(xù)坍塌，灘嘴將掉落，主流有進一步下滑的趨勢，屆時工程下首丁壩將會進一步出險和右岸灘岸坍塌加?。疄榉乐购觿堇^續(xù)下滑，使老君堂工程發(fā)揮應(yīng)有的迎溜送溜作用，維持目前河勢，計劃修建老君堂下延工程(圖1)．

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2 數(shù)值模擬

2.1 模型計算范圍和數(shù)據(jù)來源

本次數(shù)學(xué)模型的計算運用MIKE21軟件，建立基于非正交網(wǎng)格的老君堂附近典型天然河道二維水動力數(shù)值模型．計算范圍上起馬寨斷面，下至楊小寨，涵蓋整個老君堂河段，河段總長12 km，如圖1所示．模型應(yīng)用的是2017年黃河下游干流河道地形圖數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上添加了黃河水文勘測局對黃河下游老君堂河段實測的7個汛前斷面數(shù)據(jù)．河道中原有控導(dǎo)工程地形采用不過流邊界形式處理．利用網(wǎng)格生成器對計算河段進行非結(jié)構(gòu)化、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，大部分采用三角網(wǎng)格，為了保持工程前后邊界的順直，在擬建工程的區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格，并且進行網(wǎng)格加密處理．模擬河段共剖分了12 207個網(wǎng)格點．

2.2 模擬試驗方案

模型的邊界條件按照河道治理設(shè)計的水文部分，進口邊界條件選擇進口總流量，設(shè)計流量4 000 m3/s，設(shè)計含沙量30 kg/m3[7]，出口邊界水面高程為63 m．本文采用控制變量法，以布設(shè)排數(shù)為變量設(shè)計了1、3、5排3種方案；以挑角為變量設(shè)計了30°、45°、75° 3種方案．以原有的整治工程設(shè)計方案作為制訂試驗方案的基本依據(jù)，均為下挑實體丁壩，丁壩布設(shè)在河灣凹岸(圖1圈畫部分)，尺寸按照原控導(dǎo)工程設(shè)置，壩長約100 m，壩間距約1倍壩長，壩頂高程為4 000 m3/s流量水位+0.5 m．在此基礎(chǔ)上，確定最佳布設(shè)方案，選取合理且相同的平面布設(shè)方式，對實體丁壩和透水丁壩進行數(shù)值模擬．其中透水丁壩透空率選擇為30%，結(jié)構(gòu)型式見圖2，其他設(shè)置與實體丁壩相同．同時為了定量分析實體丁壩與透水丁壩對凹岸的緩流效果，引入流速減小貢獻率這一概念，定義如下：

圖2 透水丁壩立面示意圖Fig.2 Elevation schematic of permeable spur-dike

K=(|vq-vz|/vz)×100%

(1)

式中：vq為無壩時測點流速，vz為設(shè)置丁壩后的測點流速．

采用相對標(biāo)準偏差對丁壩壩區(qū)上下游斷面流速進行均勻性分析．相對標(biāo)準偏差計算公式如下：

(2)

(3)

3 試驗結(jié)果

3.1 實體丁壩不同挑角對流場的影響

挑角與有效壩長直接相關(guān)，其影響河道自由水面和流態(tài)穩(wěn)定．因此合理選擇挑角對矯正河勢和維護工程安全起著關(guān)鍵作用．本文模擬了單排實體丁壩不同挑角下河勢變化情況，選取實體丁壩壩軸線上下游20 m處典型斷面作為水位和流速的提取斷面，具體位置見圖3．實體丁壩周圍河勢變化情況如表1所示．從表1可以看出，丁壩上游斷面水位升高，隨著挑角的增大，水位雍高均值增大．當(dāng)丁壩挑角為75°時，水位雍高均值達到最大值1.388 m，同時流速均勻性指標(biāo)值Cv也達到3種角度中的最大值0.418．Cv越大，流速分布的均勻性越低．證明此挑角工況下，斷面流速變幅最大，水流動能和勢能之間轉(zhuǎn)化頻繁．在丁壩下游均發(fā)生跌水現(xiàn)象．下游Cv隨著挑角的增大逐漸減小，與上游變化正好相反．挑角為30°時，下游斷面流速變化相對活躍．由此可見，河灣處水沙機理復(fù)雜，在不同的斷面處，丁壩周圍的流速變幅隨挑角變化的規(guī)律不可一概而論．從水流本身特性來看，丁壩的存在致使原有河道過水面積突然減小，打破了水流的暢行，使水流流速重新分布．由于丁壩的束窄作用，流速在丁壩斷面處陡增．水流受到慣性作用影響，繞過壩頭后過流斷面進一步收縮，流速繼續(xù)增大．同時流速變化必然引起水流勢能與動能的轉(zhuǎn)化[8]，水流過壩時勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽憩F(xiàn)為壩后跌水．綜合上下游斷面的流速均勻性指標(biāo)值來看，在下挑角為45°時，區(qū)域內(nèi)流速最為穩(wěn)定，水流的動勢能轉(zhuǎn)化較弱，從而對壩基安全構(gòu)成的威脅也降至最?。?/p>

圖3 典型斷面所在位置Fig.3 Positions of the typical segments

表1 不同挑角下實體丁壩上下游流態(tài)變化情況Tab.1 Change of the flow regime in the upstream and downstream of the solid spur-dike with different oriented angles

3.2 實體丁壩不同布設(shè)排數(shù)下的挑流效果

單丁壩對凹岸的防護作用有限，丁壩群的配置較單丁壩在挑離凹岸高速流團、增加凹岸低流區(qū)方面有更為優(yōu)異的工作效果．本文模擬的是45°挑角下不同布設(shè)排數(shù)下的挑流情況．由圖4可知，在沒有布設(shè)丁壩時，流線整體靠近凹岸，容易造成凹沖凸淤，河灣迅速向下移發(fā)展，使河道更加彎曲．在單排丁壩的作用下，散亂在凹岸的流線逐漸集中在河道中央，在壩前發(fā)生明顯轉(zhuǎn)向，繞過壩頭而下，部分沿壩頭轉(zhuǎn)向的水流逆流而上形成一定的回流區(qū)．主流繞過壩頭一定距離后流線又開始向凹岸擴散．隨著丁壩排數(shù)的增加，擴散的主流線會重新聚集起來，歸順于主河道，從而減輕對凹岸的沖刷．

在河灣段設(shè)置丁壩后，其挑流作用發(fā)揮，將沖擊凹岸的高速水流挑離至河道中心區(qū)域沖刷河道，整體高速流往凸岸偏移，靠近凸岸的淤積泥沙得以被沖刷．圖5是丁壩作用區(qū)的流速云圖，其中流速指沿水深平均值．從中可以直觀地看出，在沒有設(shè)置丁壩之前，紅色區(qū)塊的高速流團直擊凹岸，嚴重威脅河岸安全．在設(shè)置丁壩之后，高速流區(qū)(紅色部分)向河道中心偏移，并且隨著排數(shù)的增加，偏移的效果愈加明顯，同時靠近凹岸的低流區(qū)面積也隨之增加，說明壩后保護區(qū)的范圍隨排數(shù)增加呈擴大趨勢．另外值得一提的是，丁壩排數(shù)雖然增加，但是沖擊壩頭的最大流速卻降低．在單排丁壩作用下，沖擊壩頭最大流速為7 m/s，3排丁壩的情況下最大流速為6.5 m/s．可以反映出，較單丁壩而言，丁壩群體作用可以延長工程使用年限，減輕水流對壩頭的沖刷，工程整體工作更具安全性．

(a) 排數(shù)為0

3.3 實體丁壩與透水丁壩應(yīng)用模擬及對比分析

實體丁壩與透水丁壩對于河道斷面水位h的影響效果相似，程度不同．模型按照挑角為45°，排數(shù)p=5布設(shè)，水文要素的提取斷面布置在丁壩群上下游各20 m處，見圖6．如圖7所示，橫坐標(biāo)l為距右岸距離，丁壩上游的橫向水面線雍高明顯，凹岸水位雍高程度略大于凸岸，整體橫向水面線呈現(xiàn)凹岸高凸岸低的走勢；水流繞過壩體后出現(xiàn)跌水現(xiàn)象，下游橫向水面線降低，壩后水深較淺，尤其是對于實體丁壩，壩后水位降低更加明顯．可以看出相對于實體丁壩，透水丁壩在補充壩后水量這方面效果顯著，透水丁壩壩后水深較實體丁壩高0.8 m左右．出現(xiàn)上述水流現(xiàn)象的原因可能是：在凹岸設(shè)置丁壩之后，局部水面條件被改變，阻斷了部分水流過流，出現(xiàn)滯留雍阻現(xiàn)象，導(dǎo)致丁壩上游水位升高；另一方面，丁壩不同的結(jié)構(gòu)形式會對橫斷面上水面線的變化造成一定程度的影響．由于壩身的透水性，上游水流能通過壩間空隙對壩后水量進行持續(xù)補充，普遍增加了水流過壩后的凹岸水深，從而有效改善了壩后水深[9]，水流從上游往下更為平緩地過渡．本研究結(jié)果符合文獻[9]中物理模型試驗所示現(xiàn)象．圖8展示的是丁壩上下游斷面上的流速分布情況，其中某點流速是指沿水深的平均值．在上游斷面處，無論是布置實體丁壩還是透水丁壩，流速同原河道相比均減小，并且在右岸流速減小的幅度更大，在遠離丁壩的一側(cè)流速逐漸一致．在下游斷面的壩根、壩身附近，流速均在1 m/s以下．壩頭附近，流速陡增，實體丁壩相鄰點流速最大增幅為69.7%，透水丁壩為60%．總體來看，透水丁壩周圍的流場更為平緩，水流流態(tài)也更好，有利于工程壽命的延長．

(a) 排數(shù)為0

圖6 典型斷面和測點所在位置Fig.6 Positions of the typical segments and measuring points

(a) 上游斷面

(a) 上游斷面

丁壩的存在不僅影響河勢，同時也影響著含沙量的重新分配．圖9展示了渾水條件下兩類丁壩在工作時刻，壩群周圍的懸沙濃度ρ分布情況，其中懸沙濃度代表的是沿水深的平均值．壩區(qū)的含沙量明顯低于主河道內(nèi)的含沙量．從壩區(qū)至主流區(qū)，實體丁壩泥沙濃度最大變化幅度為35.5%，透水丁壩為30.3%．同原河道相比，設(shè)置兩種類型丁壩后，壩后泥沙均得到很大程度的淤積，實體丁壩壩后含沙量從約30 kg/m3下降到最低 24.72 kg/m3，透水丁壩則下降至24.08 kg/m3．而凸岸和主河道淤積的泥沙被沖刷，懸沙濃度增加，這種懸沙濃度的重新分配情況表征了布設(shè)丁壩之后，河灣段不再處于凹沖凸淤、河岸下移的不利情勢．根據(jù)丁壩調(diào)整的流路，河灣段會逐漸恢復(fù)到順直的有利狀態(tài)．泥沙濃度變化趨勢與已有的一項插板透水丁壩分流分沙模擬研究中的變化趨勢一致[10]，進一步驗證了模擬結(jié)果的可靠性．

圖9 丁壩群附近懸沙濃度分布Fig.9 Distribution of the sediment concentration near the spur-dike group

4 結(jié)果討論

4.1 挑角和排數(shù)對實體丁壩導(dǎo)流影響機理分析

單丁壩的河道整治效果有局限性，在實際治理中丁壩大多以丁壩群或者雙丁壩的形式出現(xiàn)．從本文中的單丁壩與壩群的挑流效果對比圖(圖4、5)可以直觀看出，丁壩群發(fā)揮的作用并非是單丁壩作用的簡單累加．在單丁壩的挑流作用下，原本貼近河岸的水流被束窄，集中到河道中央．隨著過壩后過流面積增大，水流以拋物線形式擴散，再次流落到河岸邊繼續(xù)沖刷．而當(dāng)丁壩群作為系統(tǒng)工作時，水流先被第一座丁壩挑離開河岸偏向河道中間一定范圍，流線還未擴散至河岸又在第二座丁壩的作用下被二次挑流，水流再次向河道中心聚攏，循環(huán)往復(fù)直到尾壩發(fā)揮完作用．由于前排的丁壩往往為后排的丁壩提供“掩護”，合理分擔(dān)水勢，所以丁壩群壩頭受沖刷強度不如單個丁壩作用時強烈．丁壩的挑角關(guān)系到壩面的迎沖強度，也間接決定了河床的束窄程度．已有研究經(jīng)過模型試驗，通過對不同挑角下丁壩附近水流結(jié)構(gòu)分析認為：挑角越大，丁壩對水流的挑流作用越強烈，在壩頭附近的流速變幅越大，同時壩頭旋渦強度也越大，且在30°挑角時水流最為穩(wěn)定[11]．本文分析發(fā)現(xiàn)在不同的斷面位置，流速分布的均勻性隨挑角增大的變化規(guī)律不一致．在上游斷面，流速均勻性隨挑角的增大而減小，30°最穩(wěn)定；在下游斷面隨挑角的增大而增大，75°最穩(wěn)定．可以從以下兩方面來解釋產(chǎn)生差異的原因：(1)所述的模型試驗[11]是基于順直河道，而本文研究的是黃河下游游蕩河道，河灣處水流流態(tài)和水力條件十分復(fù)雜．(2)模型試驗觀察的是限于壩頭處的流速變幅，而本文是針對丁壩上下游作用區(qū)．不過結(jié)合實際工程經(jīng)驗，建議丁壩的挑角均設(shè)計為下挑45°為宜．

4.2 丁壩群透水性對緩流落淤的影響

圖10展示的是應(yīng)用實體丁壩和透水丁壩后凹岸的流速狀態(tài)，測點處的流速是指沿水深平均值，具體測點位置見圖6．從圖10中可以看出丁壩發(fā)揮挑流作用，致使凹岸流速大幅度降低，起到護灘保堤的作用，降低了高速水流在離心力作用下對凹岸造成的強烈沖刷．實體丁壩對河段凹岸流速減小平均貢獻率為85%，透水丁壩為84%，兩者對凹岸都具有很顯著的緩流效果，實體丁壩的緩流效果略好一些．不過通過改變透水丁壩的透水率和透水孔數(shù)，可以接近甚至超過應(yīng)用實體丁壩時所達到的緩流效果．而且兩者在促進壩后落淤方面的效果也很接近，沉積的泥沙不僅為壩體提供支撐，也在一定程度上填補了凹岸的形態(tài)空缺，逐漸“裁灣”，抑制河道凹岸繼續(xù)下滑趨勢．通過對比分析兩者的模擬試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在黃河下游河灣段應(yīng)用透水丁壩群的緩流落淤效果與實體丁壩群基本相同，并未因部分透水而使其治理效果減弱．從理論上來說，只要透水丁壩的透水率不是太大，兩者的治理效果也不應(yīng)該相差過大．究其原因是整治工程的控導(dǎo)作用主要取決于水流動力條件和工程的邊界條件．前者主要包括流量、入流角等因子，后者則包括工程的長度、平面形式、消能大小等[12]．由于控制變量，在模型設(shè)置中，實體丁壩和透水丁壩有差異的僅是平面形式，導(dǎo)致消能大小有所不同．實體丁壩通過水流撞擊密閉平面消能，透水丁壩通過透水孔減少工程前大河流量，其作用同樣降低水流動能．因此可推論，只要透水率不是大到使大河流量銳減的程度，兩者的治理作用應(yīng)該是相近的．反觀透水丁壩因為它的透水性，能維持水沙的縱向交換，更加符合柔性的生態(tài)調(diào)節(jié)原則，且不影響洪水過流，更加貼近自然調(diào)節(jié)的管理理念．

圖10 凹岸測點流速Fig.10 Velocity at measuring points near the concave bank

4.3 需要注意和改進的問題

自20世紀70年代以來，透水丁壩因其良好的適應(yīng)性和功能性已經(jīng)廣泛應(yīng)用于河道治理、工程防護等諸多領(lǐng)域[13]．其主要形式有水力插板透水丁壩、井柱網(wǎng)格透水丁壩、鋼筋混凝土透水樁壩和井柱鋼絲籠壩等．其中鋼筋混凝土透水樁壩在近幾十年黃河下游河道整治工程中的應(yīng)用逐漸增多，如河南段東安工程和韋灘工程等．然而鋼筋混凝土透水樁壩存在易斷樁、易沖毀、施工質(zhì)量難以把控等缺陷．例如2021年4月東安控導(dǎo)單排透水樁壩在經(jīng)過水流頂沖后，工程中間沖毀80 m以上．東安工程的水毀問題說明目前亟須尋找可靠的設(shè)計方法滿足工程安全性的需求．透水丁壩在設(shè)計和施工技術(shù)方面存在相關(guān)規(guī)范較少的問題，為了使其設(shè)計和施工達到標(biāo)準化，需要制定透水丁壩的工程設(shè)計指南以及施工技術(shù)規(guī)范，并且對透水丁壩的水流特性、沖淤特性和穩(wěn)定性計算等進行更加深入的研究．另一方面，為了深入貫徹落實生態(tài)文明建設(shè)的理念，加強流域生態(tài)保護，迫切需要對河道工程進行仿生態(tài)改造結(jié)構(gòu)形式與新材料的相關(guān)研究，在滿足防洪需求壩型的基礎(chǔ)上，分析有利于水生生物繁衍生息的河道工程材料和結(jié)構(gòu)．并且要求合理選擇壩址，利用沖淤環(huán)境，為水生動植物創(chuàng)造良好的生境條件．今后研究將向構(gòu)建生態(tài)友好型透水丁壩發(fā)展，尋找這種兼顧防洪安全與生態(tài)友好的建設(shè)措施．

5 結(jié) 論

(1)挑角直接影響丁壩周圍自由水面及斷面流速分布的均勻性．在丁壩上游斷面，挑角為75°時，水位變化最大，壩前雍高1.388 m，此時流速分布的均勻性也最差．但在下游斷面卻是挑角為30°時流速分布的均勻性最差．由于河灣處水沙機理復(fù)雜，綜合上下游斷面的流速均勻性指標(biāo)值來看，在下挑角為45°時，區(qū)域內(nèi)流速分布最為穩(wěn)定，水面的流態(tài)較緩，對岸基的動態(tài)壓力相對較小，對河灣能起到更為理想的防護作用．

(2)較單丁壩而言，壩群具有更優(yōu)的送溜挑流效果，壩群的存在能將沖擊凹岸的高速水流挑離至河道中心，保護岸線．丁壩群體作用可以延長工程使用年限，減輕水流對壩頭的沖刷．單丁壩作用下沖擊壩頭流速最大可達7 m/s，而群體作用下最大流速為6.5 m/s．因此適宜的排數(shù)不僅能有效控制河勢，也有利于提高壩群整體的安全性能．

(3)在黃河下游河灣段應(yīng)用透水丁壩群的緩流落淤效果與實體丁壩群相差不大．實體丁壩壩后懸沙濃度從30 kg/m3下降到最低24.72 kg/m3，透水丁壩則下降至24.08 kg/m3；兩者對河段凹岸流速減小平均貢獻率均高達80%以上，具有很強的護岸效果．此外透水丁壩因為其獨具的透水性能有利于水生生物繁衍生息，兼顧了防洪安全和生態(tài)友好，具有廣闊的發(fā)展前景．