城市中小型河道攔蓄工程偏流減淤的方法研究

翟 鑫，索二峰，吳月勇

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南?鄭州?450003)

0 引 言

對(duì)于城市中小型河道的攔蓄工程來(lái)說(shuō)，由于閘(壩)的攔蓄作用使得河道產(chǎn)生偏流或者滯流，造成壩前淤積較為嚴(yán)重，這一點(diǎn)在多泥沙河流里更為明顯。為了讓這些閘、壩等構(gòu)筑物正常運(yùn)行，更好地發(fā)揮其功能，減少后期的清淤工程量，對(duì)其壩前淤積規(guī)律及減淤方法進(jìn)行研究十分必要。

本文結(jié)合青海省海東市湟水河樂都區(qū)段河道治理項(xiàng)目1號(hào)閘壩構(gòu)筑物攔蓄情況，對(duì)其形成的河道偏流下，壩前淤積情況和減淤方法進(jìn)行分析研究。分別采用MIKE21和DELFT3D(D3D)構(gòu)建壩前區(qū)域水沙數(shù)值模型，對(duì)閘壩運(yùn)行期間的河道沖淤情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到壩前的年淤積規(guī)律。

1 項(xiàng)目概況

海東市湟水河樂都區(qū)段河道治理項(xiàng)目規(guī)劃范圍東起向陽(yáng)三街橋西至水磨營(yíng)大橋，河段總長(zhǎng)約8 km。為改善城區(qū)段親水環(huán)境，主槽河灣大橋至東大橋段設(shè)置1～7號(hào)閘壩進(jìn)行攔蓄，形成主城區(qū)段約4.5 km的連續(xù)水面。同時(shí)，考慮湟水河常態(tài)流量及泥沙情況，在河灣大橋至東大橋段南岸，結(jié)合護(hù)岸改造修建泄洪排沙箱涵(2孔，每孔寬5.5 m)，總長(zhǎng)約4.1 km(含進(jìn)水閘段)。平時(shí)攜帶泥沙的渾水從泄洪排沙箱涵排泄，汛期與主槽同時(shí)泄洪。

1號(hào)閘壩構(gòu)筑物攔蓄情況：河道左側(cè)或右岸設(shè)2孔的分水平板閘，與河道上擋水壩聯(lián)合控制入涵流量，保證固定躍壩流量下泄。配合主城區(qū)蓄水，設(shè)置分水箱涵布置在河道右岸，設(shè)計(jì)最大過(guò)流100 m3/s，為2孔3.5 m×5.5 m，箱涵總長(zhǎng)約4.1 km。上接2孔的平板閘(見圖1)。

依據(jù)河道水文泥沙情況和景觀蓄水需求，在河道右岸布置泄水箱涵(見圖2)，工程主要有以下3種運(yùn)行方式：

2 壩前的泥沙淤積模擬

在工程設(shè)計(jì)中，由于中小型工程一手實(shí)測(cè)資料一般難以獲得，因此采用多種數(shù)值模擬軟件進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證也是一種相對(duì)可靠的方法。河道泥沙淤積多采用一維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算，但一維模型僅能給出斷面平均的水沙要素，難以準(zhǔn)確模擬水流形態(tài)復(fù)雜的近壩區(qū)域泥沙沖淤情況。平面二維水沙模型能較清楚的展示河床的平面變形，因此被廣泛地應(yīng)用于近壩區(qū)域的河床演變模擬計(jì)算[1_3]。

本次研究選取MIKE21、DELFT3D兩款主流水沙模型計(jì)算軟件，構(gòu)建二維水沙模型對(duì)壩前的泥沙淤積進(jìn)行1 a的數(shù)值模擬，并對(duì)結(jié)果互相對(duì)比驗(yàn)證。根據(jù)模擬結(jié)果可知，液壓壩升起導(dǎo)致河道偏流，壩前水域發(fā)生了局部淤積，淤積區(qū)域主要為左岸壩根處和箱涵前約50 m處的河道右岸；前者是由于液壓壩升起導(dǎo)致的壩根區(qū)域流速大幅減小產(chǎn)生淤積，后者是由于箱涵前水流偏流以及該處位于深槽出口擴(kuò)大導(dǎo)致的淤積(見圖3)。

左岸壩根處的淤積呈現(xiàn)帶狀分布，并呈南北長(zhǎng)、東西窄，南北淤積范圍為液壓壩上游120 m至壩身區(qū)域，東西淤積范圍為左岸壩岸連接處至壩軸線中點(diǎn)附近。另外，隨著模擬時(shí)長(zhǎng)的增加，即液壓壩升起時(shí)間的累積，壩根處的淤積厚度也逐步增大，且在1—7月份淤積較快；7月份之后淤積量基本不再增加，此時(shí)壩根處的最大淤積量達(dá)2.3 m，幾乎與液壓壩頂平齊，淤積不再增加。

3 減淤措施研究

根據(jù)以上模擬結(jié)果，7月份是單月壩前淤積厚度最大的一個(gè)月，且之后的壩前淤積量不再明顯增加，故以1號(hào)液壓壩正常運(yùn)行(工況1)下7月末的河道沖淤分布為河床初始工況。結(jié)合實(shí)際可能運(yùn)行情況，采用控制液壓壩分扇升降的方法來(lái)對(duì)壩前進(jìn)行局部沖淤。由于MIKE21在多工況的閘壩升降設(shè)置方面比較簡(jiǎn)便，因此采用MIKE21模型對(duì)減淤效果進(jìn)行模擬分析。

結(jié)合湟水河8月來(lái)水量，通過(guò)多次模擬可知沖淤7 d后，壩前斷面基本趨于穩(wěn)定，所以本次模擬時(shí)間為8月1日零時(shí)至8月8日零時(shí)(共7 d)，以8月1日零時(shí)的河床沖淤結(jié)果并疊加原始地形作為模型的初始地形條件。液壓壩是分扇壩體組成，各扇可單獨(dú)控制升起和降下，升起則擋水，降下則過(guò)流。結(jié)合可能運(yùn)行情況，主要模擬箱涵口門1號(hào)平板閘落下?lián)跛?，液壓壩分扇降落?duì)壩前沖淤效果的影響。為了更好地表示壩體落下長(zhǎng)度占全部壩長(zhǎng)的比例，將全部液壓壩長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)，分別考慮不同落壩比例對(duì)河道沖淤的影響。

研究設(shè)定了液壓壩落下L、3/4L、1/2L、1/4L、1/8L等5組不同的運(yùn)行方式，對(duì)壩前的沖淤情況進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比分析相關(guān)成果得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)右岸箱涵口平板閘落下?lián)跛?，分扇降落液壓壩?lái)對(duì)偏流河道壩左岸根淤積處進(jìn)行沖淤是可行的(見圖4～圖7)。

(2)液壓壩從河道左岸(淤積岸)側(cè)進(jìn)行連續(xù)分扇降落，對(duì)壩前沖淤效果更好。

(3)壩體降落長(zhǎng)度比例并非越大越好，同時(shí)還應(yīng)與降落時(shí)間相適應(yīng)，本次研究1號(hào)閘壩左岸側(cè)降落長(zhǎng)度比例以1/4～1/2L為宜，相應(yīng)時(shí)間以6～36 h為宜(1/4L時(shí)取6～12 h；1/2L時(shí)取24～36 h)。

4 結(jié)論與展望

水利工程設(shè)施的建造往往會(huì)引起泥沙沖淤情況與河床的變化，通過(guò)以上模型分析，可以知道偏流型河道往往會(huì)導(dǎo)致一側(cè)壩根處出現(xiàn)帶狀區(qū)域淤積，其淤積速率與河道徑流及水體懸移質(zhì)含沙量有關(guān)。

針對(duì)壩前帶狀淤積區(qū)域，采用分扇降落液壓壩的運(yùn)行調(diào)度方式，可以對(duì)壩前淤積區(qū)域進(jìn)行有效沖淤。但降落壩體長(zhǎng)度占總壩長(zhǎng)的比例并非越大越好，且降落比例應(yīng)與降落運(yùn)行時(shí)間相適應(yīng)，否則會(huì)造成其他區(qū)域二次淤積；實(shí)踐應(yīng)用中我們可以結(jié)合落淤位置，布置觀測(cè)設(shè)備，通過(guò)信息化手段實(shí)現(xiàn)液壓壩分扇降落的自動(dòng)化沖淤。

對(duì)于一些防汛要求不高中小型城市偏流河道，可以有機(jī)結(jié)合跨河棧橋、河道人工島等布置，通過(guò)調(diào)整其壩前距離、長(zhǎng)度，角度，占河寬比，高度等來(lái)改善偏流河道的水流曲線減少壩前淤積，也是下一步設(shè)計(jì)研究的方向。