雙山灌區(qū)渠首樞紐段水流特性數(shù)值模擬及治理方案研究

李 琦，于洪利，姜雪賓

（1.昌圖縣水利事務服務中心，遼寧鐵嶺 112599；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130061）

1 工程概況

雙山灌區(qū)渠首樞紐工程位于東遼河中下游公主嶺市桑樹臺鎮(zhèn)冷家屯村，是雙山灌區(qū)的控制性工程。樞紐位于河道右岸，由沖沙閘和溢流壩組成，沖沙閘段長19.00 m，共5 孔，每孔凈寬3.00 m，底板高程130.00 m；溢流壩段長77.00 m，采用折線形實用堰型，堰頂高程134.03 m。左岸灘地寬約770.00 m，灘面高程136.00～137.00 m，洪水時水流漫灘；右岸灘地較窄，地勢較高，30 年一遇洪水不漫灘。工程始建于1966 年，經(jīng)多年運行，工程水毀嚴重，2013 年進行了水毀修復，但未從根本上解決樞紐的安全隱患。受下游河道采砂影響，河道一直處于持續(xù)下切狀態(tài)[1]。2017 年大洪水后，渠首海漫段及下游河道護底毀壞，下游兩岸護坡?lián)p毀嚴重，沖沙閘消力池末端與海漫連接處已經(jīng)形成2.00 m 左右的深坑。由于樞紐尾水河道嚴重下切，下游河道高程較2013 年下降超過5.00 m，導致尾水降低，原設計的消能效果無法正常發(fā)揮作用，造成消能及防護設施水毀。此外，在溢流壩擋水作用下，樞紐上游河槽流速較小，床面處于淤積環(huán)境，灘槽差遠小于下游，發(fā)生較大洪水時常出現(xiàn)漫灘，部分漫灘水流在樞紐下游不遠處歸槽，由于水流集中，水流歸槽處流速較大，對床面產(chǎn)生嚴重沖刷，造成左岸護坡?lián)p毀。

為保證樞紐工程安全，本文建立平面二維水動力模型，對雙山灌區(qū)渠首樞紐所在河段水流特性進行模擬，剖析影響樞紐安全的不利水流條件，有針對性地提出改善水流條件的治理方案，有效解決威脅樞紐安全的隱患。

2 研究方法

2.1 模型簡介及基本原理

水動力模型采用應用廣泛的Delft3D 模型[2]，該模型整合了水動力、物質輸運、粒子追蹤、水質、生態(tài)、波浪和地貌等多個子模塊，由荷蘭Deltares 公司負責維護和完善，目前全部子模塊已完全開源。

模型采用不可壓縮流體、淺水、Boussinnesq 假定下的Navier-Stokes 方程[3]，垂向動量方程中的垂向加速度相對水平方向上的分量可忽略不計，因此，垂向上采用的是靜水壓力方程。一系列偏微分方程及相應的定解條件都是基于有限差分網(wǎng)格進行求解的。

在水平方向上，采用正交曲線坐標：

式中：ξ為笛卡爾坐標系下縱向坐標；λ為經(jīng)度；η為笛卡爾坐標系下橫向坐標；φ為緯度；Gξξ，Gηη為曲線坐標至矩形坐標ξ，η方向的轉換系數(shù)；R為地球半徑（6 370 km）。

在垂直方向上，采用σ坐標：

式中：σ為垂向坐標轉換系數(shù)，從水底到自由水面，σ的變化范圍為（-1，0）；z為空間高度；ζ為參照水平面（z=0）以上的水位；d為低于參照水平面的水深；H為總水深。

正交曲線坐標系下的連續(xù)方程：

式中：t為時間；Q為單位面積由于排水、引水、蒸發(fā)或降雨等引起的水量變化；u，v為ξ，η方向上的速度分量。

正交曲線坐標系下水平ξ方向上的動量方程：

水平η方向上的動量方程：

式中：ω為在正交曲線坐標系下σ方向上的速度分量，對于平面二維模擬，可忽略ω方向的分量變化；f為科氏系數(shù)；ρ0為水的參考密度；vv為垂向渦粘系數(shù)；Pξ，Pη分別為ξ，η方向的壓力梯度；Fξ，F(xiàn)η分別表示ξ，η方向水平雷諾應力不平衡項；Mξ，Mη分別表示ξ，η方向的源匯項。

2.2 模型構建

此次數(shù)模計算范圍：沿河長方向，上游起自小遼河入?yún)R口以上，距離樞紐約1 171.00 m，下游至樞紐以下2 401.00 m，寬度范圍為兩岸堤防之間，堤距400.00～1 000.00 m 不等。采用正交曲線四邊形網(wǎng)格覆蓋計算區(qū)域，樞紐附近河道網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格尺寸1.00 m，其他部位網(wǎng)格尺度3.00～5.00 m。模型進口為流量邊界，出口為水位邊界。模擬流量有10 年、20 年及30 年一遇設計洪水，模型出口水位根據(jù)均勻流條件下水位-流量關系確定。根據(jù)河道河床組成、床面特性、平面形態(tài)及水流流態(tài)、植物、岸壁特性等因素，參考文獻［4］，河道主槽糙率值取0.028～0.033，灘地糙率取0.045～0.080。

3 現(xiàn)河道流場模擬分析

10 年一遇洪水河道流場計算結果：在樞紐斷面，沖沙閘段、溢流壩段及灘地的分流比為0.47∶0.51∶0.02；樞紐上游河段局部位置洪水溢出河槽，部分出槽洪水沿溢流壩左側低灘流動，并在海漫末端匯入河槽；在灘槽交界位置因過水斷面較小、地形高差大，歸槽水流存在較大橫向比降，流速較大，一般在1.5～2.5 m/s，局部甚至超過3.0 m/s，造成河床沖刷；灘地內不歸槽的水流，上游位置流速一般在0.1～0.2 m/s，愈向下游，因流路受阻，流速沿程逐漸趨于0。

20 年一遇洪水條件下流場分布規(guī)律與30 年一遇洪水基本一致，故以下僅分析30 年一遇洪水流場模擬結果。當發(fā)生30 年一遇洪水時，樞紐斷面沖沙閘段、溢流壩段及灘地的分流比為0.32∶0.48∶0.20。樞紐上游河段洪水普遍溢出河槽，樞紐以下河段洪水基本不出槽，溢流壩左側低灘水流流速進一步增大，最大流速大于3.0 m/s，局部超過4.0 m/s。水流下行過程中流速逐漸減小至0.6～1.5 m/s，水流歸槽位置仍在海漫末端，歸槽處水流流速劇增，最大可達5.0～6.0 m/s，造成河床嚴重沖刷。現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，樞紐左側邊灘沖刷嚴重，水流歸槽位置已沖出一個約10.00 m 的深坑，與模擬結果相吻合。另一部分出槽水流沿左岸灘地流動，灘面流速較?。?.1～0.2 m/s），一般在樞紐以下400.00～1 000.00 m 處歸槽，歸槽處水流最大流速多在2.0～3.0 m/s，局部位置超過4.0 m/s，對河岸具有較強沖刷作用。

兩種洪水條件下，沖沙閘過閘水流單寬流量達24.3 m3/s，27.7 m3/s，經(jīng)消力池后流速仍在8.0～9.0 m/s，下行約120.00 m后方可逐漸消減至4.0 m/s以下。溢流壩下泄水流經(jīng)消力池后，流速在5.0～6.0 m/s，水流下行約30.00 m 后可逐漸消減至4.0 m/s 以下。下游河道洪水基本不出槽，流速一般在2.0～3.5 m/s，對河床仍有較強沖蝕作用。

4 治理方案流場模擬分析

4.1 治理方案

由現(xiàn)狀河道模擬結果可知，影響樞紐運行安全的不利水流條件主要有兩個方面：一是溢流壩左側低灘及歸槽水流切灘，對護岸穩(wěn)定不利；二是沖沙閘水流單寬流量大，水流經(jīng)消力池后仍具有較高流速，對海漫及其以下河床沖蝕作用強，威脅樞紐安全。據(jù)此，設計了多個治理方案，經(jīng)比選最終推薦以下治理方案：將溢流壩左側被水流切深的低灘進行回填，并進行防護，遏制邊灘繼續(xù)下切，回填高程控制在135.00 m；新建二級消力池，強化消能能力，二級消力池長30.00 m、寬97.00 m，底高程為121.00 m，采用1∶4 的坡度與原消力池海漫段相接，海漫段長40.00 m、寬97.00 m，底高程為123.00 m；在樞紐（溢流壩軸線）以下約240.00 m 位置新建1 座跌水，改善消能設施尾水條件，跌水頂高程124.00 m。治理方案工程布置如圖1 所示。

圖1 治理方案工程布置示意圖（單位：m）

4.2 治理方案流場模擬分析

治理工程實施后，各級洪水條件下，樞紐斷面沖沙閘段、溢流壩段及灘地的分流比未發(fā)生變化。與現(xiàn)狀河道相比，治理方案實施后，河道重點部位流場變化特點如下。

1）在10 年一遇洪水條件下，由于溢流壩左岸邊灘受沖下切河段填平至135.00 m 高程，樞紐上游出槽洪水沿回填部位左側灘地下泄，并在下游河道歸槽，樞紐附近邊灘不再受洪水沖刷。在二級消力池及跌水的聯(lián)合作用下，樞紐尾水流速明顯減小，下泄水流經(jīng)二級消力池以后，沖沙閘段水流流速降低至2.2 m/s 左右，與溢流壩下泄水流摻混較為均勻，經(jīng)海漫段后到跌水之前，流速在1.8～2.0 m/s。水流經(jīng)跌水頂部時流速有所增大，跌水壅水高度為0.24 m，與下游水流能平順銜接，越過跌水以后，水流流速迅速恢復至原河道水平。

2）在30 年一遇洪水條件下，受溢流壩左岸邊灘回填影響，過流量有所減小，流速也相應減小，最大流速為1.5～1.8 m/s。水流歸槽位置由海漫末端上移至翼墻末端以下60.00 m 范圍內，流向與主流方向近乎垂直，歸槽水流更加分散，流速也相應減小為2.5～4.5 m/s，遠小于現(xiàn)狀工況。下泄水流經(jīng)二級消力池以后，沖沙閘段水流流速可降低至2.5 m/s 左右，與下游河道水流可平順銜接。

5 結語

本文通過Delft3D 的平面二維水動力模型，研究威脅樞紐安全的不利水流條件，并在此基礎上，提出了二級消力池與跌水相結合的工程治理方案，治理措施實施后，能夠大幅減小海漫段水流流速，有效改善尾水河道水流條件，研究成果可為雙山灌區(qū)渠首樞紐安全治理提供參考。需要指出的是，在樞紐消力池段，水流呈現(xiàn)復雜的三維特性，消力池的詳細設計尚需根據(jù)三維數(shù)值模擬或物理模型試驗結果確定。