仙居縣城防裁彎取直工程水力學(xué)問題探討

張金委，王 斌

(1.浙江省仙居新區(qū)開發(fā)管委會，浙江 仙居 317300;2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

裁彎取直工程根本性地改變了河道的現(xiàn)狀情況，是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其布置形式直接關(guān)系到上下游河道的防洪、河床沖淤、堤防安全等問題［1］。尤其是在山溪性河道坡陡流急，洪水位暴漲暴落，裁彎取直必將對工程區(qū)上下游河道的水文形勢及河勢產(chǎn)生影響，從而危機(jī)兩岸堤防以及臨近河道村鎮(zhèn)的安全。目前，對于山溪性河道裁彎取直工程方面的研究尚不多見，有較大的研究意義［2-3］。

以仙居縣城市防洪裁彎取直工程為例，采用物理模型和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法，對裁彎前后的沿程洪水位、流速分布、水流流態(tài)以及局部河道沖淤等進(jìn)行了研究，探討山溪性河道裁彎取直工程中存在的幾個主要水力學(xué)問題［4］。

2 工程概況

仙居縣位于浙江省東南部，縣城地處永安溪中游河谷平原。仙居縣城市防洪工程擔(dān)負(fù)著縣城的防洪、排澇任務(wù)，使城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)近期達(dá)到20a一遇，遠(yuǎn)期50a一遇，從而進(jìn)一步保證仙居縣城社會、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

該工程主要包括城區(qū)河段防洪堤建設(shè)、柴嶺河段裁彎取直工程、永安溪河道整治、安洲橡膠壩和沖砂閘以及永安溪支流6座水閘建設(shè)等項目。其中，柴嶺裁彎段原河道長3.4km，邊灘寬約200～400m，裁彎將彎曲的河勢改變?yōu)轫樦焙佣?，縮短約2.3km，裁彎比3.09。裁彎后在引河位置設(shè)置橡膠壩，平時蓄水形成城區(qū)水景觀。工程布置見圖1［5］。

3 研究方法

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型和河工物理模型相結(jié)合的研究方法。數(shù)學(xué)模型主要模擬實(shí)際洪峰演進(jìn)過程，通過永安溪干流洪水與沿程支流洪峰疊加計算，分析裁彎對上下游河道沿程洪水位以及洪峰歷時等要素的影響;物理模型則側(cè)重于裁彎對洪峰時刻沿程洪水位、水流流速流態(tài)以及河床沖淤影響等方面的試驗(yàn)。該2種研究手段是當(dāng)前解決工程實(shí)際問題的有效途徑，通過相互印證、相互補(bǔ)充，使結(jié)論更加科學(xué)可信。

3.1 物理模型

物理模型平面比尺為1∶250，垂直比尺為1∶65，變態(tài)率3.85。模型上邊界取仙居水文站，下邊界則取下洋大橋以下2km位置，全長約20km。模型考慮盂溪及朱溪的支流匯入，上游采用流量邊界，下游采用水位邊界 (見圖2)。

圖2 物理模型局部圖

3.2 數(shù)學(xué)模型

3.2.1 控制方程及求解方法

沿垂線平均的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型控制方程:

式中:η為水位，m;u、v垂線平均流速分量，m/s;h為水深，m;g為重力加速度，9.81m/s2;f為柯氏力系數(shù)，無量綱;ρ0為水的密度，kg/m3;τ為表面風(fēng)應(yīng)力和底部摩擦力，N;s為輻射應(yīng)力張量，N/m2;T為側(cè)應(yīng)力，Pa;t為時間，s。方程(1)為水流連續(xù)方程，方程(2)、(3)分別為x、y方向的動量守恒方程，采用控制體積法顯式迎風(fēng)模式求解［6-7］。

3.2.2 計算范圍及網(wǎng)格布置

數(shù)學(xué)模型全長約27km，上邊界為仙居水文站，下邊界至臨海柏枝岙水文站。模型內(nèi)主要包括三橋溪、盂溪、橋下溪及朱溪等支流，計算范圍見圖3。模型最大網(wǎng)格邊長約50m，工程區(qū)及涉水建筑物附近網(wǎng)格根據(jù)實(shí)際地形特點(diǎn)漸變加密，最小網(wǎng)格邊長約為10m。整體計算區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)17907，單元總數(shù)33863，局部網(wǎng)格布置見圖4。

3.2.3 模型驗(yàn)證

模型采用2005年的“羅莎”臺風(fēng)以及2007年的“韋帕”臺風(fēng)2場洪水的洪痕調(diào)查資料進(jìn)行驗(yàn)證。其中2005年的“羅莎”臺風(fēng)相當(dāng)于5a一遇洪水，驗(yàn)證結(jié)果見圖5，從圖5中可以看出，計算驗(yàn)證點(diǎn)與實(shí)測資料差值在0.20m以內(nèi)，表明模型的選擇、參數(shù)的率定等都較為合理，能夠滿足研究的需要。

圖3 數(shù)學(xué)模型計算范圍圖

圖4 模型計算局部網(wǎng)格圖

圖5 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證比較圖

4 裁彎取直影響

4.1 裁彎對沿程洪水位的影響

從圖6可以看出，在P=2%工況時，河埠大橋洪水位分別下降1.96，1.55m(分別為數(shù)學(xué)模型和物理模型值，下同);裁彎進(jìn)口斷面洪水位分別下降2.05，2.03m;石牛大橋位置分別下降0.38，0.88m。因此，裁彎取直使河道洪水行進(jìn)路程大大縮短，裁彎段水力坡降增大，從而加快洪水演進(jìn)速度，使工程區(qū)附近水位有所降低。

其次，圖7中P=2%工況時，洪峰到達(dá)黃粱陳村斷面較裁彎前提前約15min，洪水位增加0.08m，永安溪干流洪峰提前與支流朱溪下泄洪峰疊加;而物理模型為恒定流，變幅在0.04m以內(nèi)，屬于測量誤差范圍內(nèi)，認(rèn)為基本沒有變化。因此，裁彎后彎道河段及其淺灘不復(fù)存在，在洪水期該河段蓄滯洪量減少，導(dǎo)致裁彎下游河道一定范圍內(nèi)洪峰流量有所增加，洪水演進(jìn)速度加快，從而引起下游干流和河道支流洪峰遭遇時刻的變化，洪峰疊加情況有所改變。

圖6 裁彎工程前后洪水位變化圖

圖7 黃粱陳村斷面裁彎前后洪水過程線圖

4.2 對沿程流速分布的影響

從圖8、圖9可以看出，彎道上下游沿程水流流態(tài)和流速分布基本與裁彎前相似，水流過河埠大橋后主流沿河道左側(cè)主槽下泄，至塔山斷面處，分布已經(jīng)較為均勻。橡膠壩前主流略偏左側(cè)，總體尚均勻，壩后500m范圍內(nèi)存在急流區(qū)，說明壩前水流流態(tài)主要受壩址斷面控制，類似堰壩過流。

其次，從表1中也可以看出，受裁彎后河道整治等影響，支埠頭以上河段流速有所降低，以下河段流速基本保持不變，但裁彎后流速仍較大，大于河道一般的抗沖流速1.80～2.50m/s，容易引起河床及堤腳沖刷。因此，裁彎工程改變了天然河道水流形態(tài)，必將導(dǎo)致沖淤平衡破壞甚至河勢不穩(wěn)定等情況出現(xiàn)。

表1 切灘前后斷面平均流速變化表 m/s

圖8 裁彎前河道流態(tài)圖

圖9 裁彎后河道流態(tài)圖

4.3 對河道沖淤影響分析

為驗(yàn)證防洪堤堤腳安全，特進(jìn)行局部動床試驗(yàn)，試驗(yàn)范圍包括河埠大橋至橡膠壩位置，結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，河埠大橋—南峰山之間的左側(cè)防洪堤位置容易被沖刷，其中:P=20%工況，在三橋溪出口處最大沖深深度達(dá)4.0m左右;南峰山位置超過6.5m。P=2%工況，在三橋溪出口處最大沖深深度達(dá)7.4m左右;南峰山位置也超過6.5m。其次，盂溪出口下游以及橡膠壩前總體呈淤積狀態(tài)，壩前水流主流偏向河道左側(cè) (見表2、圖10)。

因此，裁彎取直前，必須對河道沖淤情況以及河勢作詳細(xì)分析，彎道附近主流主要集中在凹岸位置，容易對凹岸的堤防堤腳形成沖刷，而泥沙在往下游移動過程中則逐步淤積在河道右側(cè)淺灘位置，從而進(jìn)一步改變水流流態(tài)及流速分布，造成不利影響。

表2 局部動床試驗(yàn)成果表

圖10 河埠大橋至盂溪段局部動床試驗(yàn)照片 (P=2%)

5 結(jié)語

本文采用數(shù)學(xué)模型和物理模型，通過仙居縣城城市防洪工程，對裁彎取直前后的洪水位、流速分布以及動床沖淤影響等進(jìn)行了比較分析，探討了山溪性河道裁彎取直的幾個水力學(xué)問題。

研究表明，山溪性河道裁彎取直能夠較好的達(dá)到降低彎道上游洪水位的目的。但對于下游河道，必須處理好干流洪峰與支流洪峰疊加問題，以降低下游河道防洪壓力。其次，裁彎后上下游一定河段水流形態(tài)發(fā)生變化，需要對河道沖淤平衡以及堤防安全做進(jìn)一步論證。

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