信江貴溪城南段河道整治模型試驗(yàn)研究

鄔年華，黃志文，鄧金運(yùn)

(1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029;2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430072)

信江貴溪城南段河道整治模型試驗(yàn)研究

鄔年華1，黃志文1，鄧金運(yùn)2

(1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029;2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430072)

通過建立信江貴溪城南段的定床實(shí)體模型，進(jìn)行河工模型試驗(yàn)。研究現(xiàn)狀和修改治導(dǎo)線不同頻率洪水下，信江貴溪城南段水流運(yùn)動(dòng)特性， 并對(duì)兩個(gè)治導(dǎo)線方案下的試驗(yàn)成果進(jìn)行比較，分析其對(duì)城市防洪的影響，提出了合理的防治措施。

河道整治；實(shí)體模型；模型試驗(yàn)；治導(dǎo)線；信江；貴溪

1 概 述

信江是江西省五大河流之一，以上饒和鷹潭為界，分為上游、中游、下游三段。貴溪市位于信江中游，信江穿越貴溪市城區(qū)，城北三面環(huán)水，城南區(qū)依河而建[1]。城南段位于貴溪城區(qū)南部，屬于兩直角彎道間的過渡段，河長(zhǎng)近7 km。城南區(qū)地面高程在28～32 m(黃?；?，尚未修建防洪工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，受洪水威脅較大。該段自上而下有3座橋梁，分別為信江三橋、電廠灰管橋、信江大橋。

貴溪市1994年開始編制《江西省貴溪市城市總體規(guī)劃》，對(duì)城區(qū)防洪提出了相應(yīng)的要求和措施，并在1998年大水后繼續(xù)開展了貴溪市城市防洪的分析、論證工作，編制了《江西省貴溪市城市防洪規(guī)劃》，并于2002年開展了對(duì)《江西省貴溪市城市防洪規(guī)劃》的修編，制定了城南段的規(guī)劃治導(dǎo)線(簡(jiǎn)稱為02治導(dǎo)線)。自2002年，貴溪市城市發(fā)展較快，對(duì)于城區(qū)格局及建設(shè)用地要求增加，而且隨著信江水沙條件的變化以及水庫(kù)、橋梁等的大量建設(shè)，中游段河勢(shì)發(fā)生了一定變化。新形勢(shì)下，在02治導(dǎo)線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)單位提出了新的修訂方案。該方案主要是考慮到信江大橋上游的河勢(shì)條件，順應(yīng)河勢(shì)變化將原有的02治導(dǎo)線的轉(zhuǎn)折部分進(jìn)行了適度的圓滑處理，調(diào)整后的治導(dǎo)線基本與右側(cè)河岸線平行，使得信江大橋至灰管橋之間的河寬變化不大，整個(gè)河勢(shì)從原本的順直變成更為穩(wěn)定的微彎[2-3]，見圖1。該新的治導(dǎo)線方案是基于02治導(dǎo)線修改而來(lái)(簡(jiǎn)稱為02修改線)。為此需要通過模型試驗(yàn)，驗(yàn)證進(jìn)一步修訂后的河道治導(dǎo)線對(duì)城市防洪的影響，論證其可行性與合理性。

圖1 信江貴溪城南段02線及02修改線布置圖Fig.1 02 line and 02 modification line layout for the south of Guixi city River

2 模型設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型模擬范圍為信江貴溪城南兩個(gè)90度彎道之間河段，包括了灰管橋、信江大橋、支流羅塘河等重要控制點(diǎn)。模擬河段總長(zhǎng)約7 km。模型進(jìn)口采用流量控制,模型經(jīng)過彎道自然調(diào)整,基本滿足進(jìn)流條件,對(duì)試驗(yàn)河段水沙運(yùn)動(dòng)尚無(wú)影響。綜合考慮試驗(yàn)研究精度、試驗(yàn)場(chǎng)地、供水設(shè)施等要求，確定模型采用變態(tài)模型，平面比尺λl=200，垂直比尺λh=100，變率為2。流速比尺λu=10，糙率比尺λnb=1.52，流量比尺λQ=200 000，時(shí)間比尺λt=20。模型配有獨(dú)立運(yùn)行的供水動(dòng)力及流量控制設(shè)備。模型進(jìn)口通過平板堰控制上游流量，尾門通過閘門開度控制下邊界水位。試驗(yàn)過程中水位采用水位測(cè)針測(cè)量、流速采用旋槳流速儀測(cè)量[4-5]。

2.2 模型驗(yàn)證

模型采用碎石加糙，基本面滿足糙率要求。水面線驗(yàn)證采用枯水期實(shí)測(cè)流量、5年一遇及20年一遇洪水3級(jí)流量進(jìn)行。試驗(yàn)段各級(jí)流量下沿程水面線模型測(cè)量值與原型實(shí)測(cè)值吻合較好，驗(yàn)證誤差<±1 mm，符合河工模型試驗(yàn)規(guī)程要求[6]。

流速分布驗(yàn)證由于僅有枯水期實(shí)測(cè)資料，采用該級(jí)流量對(duì)7個(gè)斷面的模型測(cè)量值與原型實(shí)測(cè)流速比較，兩者流速分布基本吻合，沿河寬分布規(guī)律一致。一般主流流速相對(duì)誤差<±5%，兩側(cè)流速相對(duì)誤差<±10%，驗(yàn)證符合河工模型規(guī)范要求。

定床模型進(jìn)行水面線和流速分布驗(yàn)證結(jié)果表明，模型水流條件與原型基本相似[7]。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)主要研究02治導(dǎo)線及02修改線對(duì)防洪的影響，論證02修改線是否合理可行。從偏安全的角度出發(fā)，02治導(dǎo)線及02修改線在模型中做成防洪墻的形式。試驗(yàn)工況擬定為在兩種治導(dǎo)線布置下分別進(jìn)行5年一遇(P=20%)、20年一遇(P=5%)、50年一遇(P=2%)洪水試驗(yàn)，見表1。

表1 模型試驗(yàn)工況

3.2 試驗(yàn)成果分析

3.2.1 洪水位變化

圖2 02治導(dǎo)線與02修改線條件下水面線比較(Q=7 850 m3/s)Fig.2 Water surface of 02 treatment compared with the 02 modification line (Q=7 850 m3/s)

圖3 02治導(dǎo)線與02修改線條件下水面線比較(Q=10 700 m3/s)Fig.3 Water surface of 02 treatment compared with the 02 modification line (Q=10 700 m3/s)

圖4 02治導(dǎo)線與02修改線條件下水面線比較(Q=12 500 m3/s)Fig.4 Water surface of 02 treatment compared with the 02 modification line (Q=12 500 m3/s)

在3個(gè)頻率洪水工況下, 02修改線與02治導(dǎo)線布置沿程水面線對(duì)比見圖2～圖4，由于02修改線對(duì)河道有一定程度的束窄，對(duì)洪水位有一定抬升，但影響相對(duì)較小。其中，5年一遇洪水條件下洪水位的影響最小，上游最大壅水高度0.8 cm；50年一遇洪水條件下影響最大，上游最大壅水高度為4.2 cm；20年一遇洪水條件下影響介于上述兩級(jí)流量之間，上游最大壅水高度為2 cm。從02修改線與02治導(dǎo)線壅水范圍來(lái)看，流量越大，壅水影響范圍越大，但由于河道中灰管橋和信江大橋的約束，壅水的主要影響范圍在兩橋之間。02修改線較02治導(dǎo)線在18#～20#斷面位置有一定束窄，使得信江大橋附近及下游，流速有所增大，下游側(cè)有一定跌水現(xiàn)象，但距離較短。

3.2.2 主流線變化

通過在試驗(yàn)中施放示蹤粒子的方式，分析兩種治導(dǎo)線不同洪水頻率下信江貴溪城南段的主流線變化。試驗(yàn)表明，在洪水條件下，該河段的主流線一般沿河道中部下行。大流量條件下的主流線較小流量略偏向河心，符合“大水取直”的一般性規(guī)律。由于02修改線在灰管橋和信江大橋之間對(duì)河道有所束窄，與02治導(dǎo)線相比，02修改線條件下的主流線略有右偏，但變化相對(duì)較小。

3.2.3 流速分布

比較兩種治導(dǎo)線不同洪水頻率下流速變化值，在16#斷面以上及20#斷面以下，02治導(dǎo)線及02修改線條件的流速大小及分布基本一致，16#～20#斷面之間，由于河道束窄，02修改線條件下的流速較02治導(dǎo)線條件下有所增大，但流速沿河寬的橫向分布規(guī)律變化不大，19#斷面在50年一遇工況下，左岸流速最大增加值為0.42 m/s。

4 配套工程措施試驗(yàn)研究

由于02修改線使河道灰管橋至信江大橋段洪水位有一定的壅高，試驗(yàn)尋求采取配套工程措施削減。基于本河段主流偏靠右岸，左岸存有較長(zhǎng)邊灘等現(xiàn)狀。配套工程措施主要是針對(duì)左岸4個(gè)區(qū)域來(lái)進(jìn)行。試驗(yàn)方案也是圍繞4個(gè)開挖工程設(shè)置。即左岸的上邊灘切削，下邊灘切削，信江大橋下游的中航渡洲頭縮退，中航渡洲右側(cè)邊開挖,見圖5。

圖5 岸灘切削方案圖Fig.5 Beach cutting plans

進(jìn)行單獨(dú)實(shí)施上述4個(gè)開挖區(qū)域?qū)拥篮樗坏挠绊懺囼?yàn)。試驗(yàn)工況為50年一遇洪水流量12 500 m3/s、與02修改線水面線比較，見表2、表3及圖6、圖7。

表2 不同開挖方案單獨(dú)實(shí)施對(duì)洪水位的影響

表3 不同工程下的洪水位差

注：表中“+”及“-”分別表示抬升或降低。

圖6 不同補(bǔ)救工程單獨(dú)實(shí)施后的實(shí)際水面曲線(12 500 m3/s)Fig.6 Actual water surface under different remedial works alone implementation (12 500 m3/s)

圖7 不同補(bǔ)救工程單獨(dú)實(shí)施對(duì)河道洪水位影響(12 500 m3/s)Fig.7 Effect of flood level under different remedial works alone implement (12 500 m3/s)

就兩橋間洪水位下降而言，由圖7可見，下游削灘工程及洲頭縮退等工程對(duì)兩橋間的洪水位下降有明顯的作用。下游削灘工程最大降低洪水位約8 cm；中航渡洲頭縮退工程最大降低洪水位約6 cm。這些下降的洪水位差完全能覆蓋02修改線帶來(lái)的水位抬升(4.2 cm)。實(shí)施中航渡洲頭縮退工程，是經(jīng)濟(jì)、合理、可行的有效工程措施。

5 結(jié) 論

02修改線較02治導(dǎo)線條件下的洪水位有所抬升，但幅度相對(duì)較小，50年一遇洪水條件下最大壅水高度為4.2 cm，壅水影響范圍主要在灰管橋和信江大橋之間。02修改線較02治導(dǎo)線條件下的主流線及流速橫向分布變化均較小，但02修改線在灰管橋和信江大橋之間束窄了河道，束窄段流速有所增大。

對(duì)02修改線造成的水位壅高進(jìn)行岸坡切削配套工程措施試驗(yàn)研究，下游邊灘切削及中航渡洲頭后退，均可完全彌補(bǔ)02修改線帶來(lái)的壅水高度。但中航渡洲頭后退工程量最小，建議優(yōu)先采用。

[1]朱道清.中國(guó)水系大辭典[M].山東:青島出版社,1993.

[2]黃燕平.撫河流域治理規(guī)劃探討[J].江西水利科技,2013,39(1):17-20.

[3]李友輝,陳 龍,胡苑成,等.撫河廖家灣—李家渡河段治導(dǎo)線分析[J].人民黃河，2014,36(1):15-17.

[4]謝鑒衡.河流模擬[M].北京：水利電力出版社，1990.

[5]武漢水利電力學(xué)院河流泥沙工程學(xué)教研室.河流泥沙工程學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1982.

[6]南京水利科學(xué)研究院，水利水電科學(xué)研究院.水工模型試驗(yàn)[M].北京：水利電力出版社，1985.

[7]江西省上饒水文局.信江貴溪城南段水文資料采集技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R].上饒：江西省上饒水文局，2012.

River regulation model test for south section in Guixi of Xinjiang River

WU Nian-Hua1,HUANG Zhi-Wen1,DENG Jin-Yun2

(1.Jiangxi Province Water Conservancy Scince Research Institute, Nanchang 330029, China; 2.Insitute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Using the fixed bed model for south section in Guixi of Xinjiang River,the flow movement characteristic of south section in Guixi of Xinjiang River was studied comparing the exsiting and modified thalweg under the different frequency flood situation.The two alignment schemes were compared, analyzed the influence on the city flood control,the reasonable prevention and control measures were proposed.Key words：river regulation; solid model; model test; thalweg; Xinjiang River; Guixi

10.13524/j.2095-008x.2015.01.004

2014-10-14;

2014-11-05

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20150211.1451.008.html

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51369011)

鄔年華(1965-)，男，江西高安人，高級(jí)工程師，研究方向：水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)，E-mail:70958090@qq.com。

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2095-008X(2015)01-0017-05