基于二維水力學(xué)模型的河道整治工程中沖淤變化的模擬分析

(遼寧省江河流域管理局，遼寧 沈陽 110003)

河道整治工程設(shè)計(jì)中需要對河道沖淤變化進(jìn)行模擬分析，河道沖淤變化分析的準(zhǔn)確性對于工程設(shè)計(jì)成果的好壞以及河岸線的穩(wěn)定十分重要。對于河道沖淤變化傳統(tǒng)上主要采用一維水力學(xué)模型[1-5]，對其中某一設(shè)計(jì)斷面的沖淤變化進(jìn)行分析。但這種方法的缺點(diǎn)在于不能直觀的反映河道沿程的沖淤變化。而河道形狀對于沖淤變化的影響較大。當(dāng)前，二維水力學(xué)模型在河道水力學(xué)模型中得到逐步應(yīng)用[6-9]，二維水力學(xué)模型可較為直觀的反映河道水力學(xué)要素沿程的二維分布，但二維水力學(xué)模型在河道整治工程前后的沖淤變化模型應(yīng)用還較少，為此本文引入二維水力學(xué)模型對遼寧某河道整治工程的沖淤變化進(jìn)行模擬分析，從而分析模型的適用性。

1 二維水力學(xué)模型原理

二維水力學(xué)模型計(jì)算方程分別為：

(1)水流質(zhì)量守恒方程為：

(1)

(2)水流的能量守恒方程為:

(2)

(3)

在上述方程中Z表示河道計(jì)算水位(m)；H表示為河道計(jì)算水深(m)；V分別表示橫向(x)和縱向(y)河道計(jì)算的水流流速(m3/s)；g表示為重力加速度(m/s2)；n表示為河床糙率系數(shù)；vT表示為二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的河道擴(kuò)散系數(shù)；u*表示模型計(jì)算的摩阻流速(m3/s)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

該河道整治工程干流長3.0 km。河底高程2.0～4.8 m，河底寬10～20 m，河面寬100～120 m，堤線長3.0 km?，F(xiàn)狀堤頂高程11.4～12.8 m，堤頂寬5.5～12.5 m，有寬3 m左右泥結(jié)碎石路面；迎水坡比大部分地段約1：3，局部較陡處約1：2.5，基本無護(hù)砌，雜草叢生，背水坡坡比1：2.5～1：3.5；入江口段200 m及距入江口1.47 km至1.65 km段有擋浪墻，左岸墻頂高程12.0～12.7 m，右岸13.0 m。距城南河口2 km建有橡膠壩，壩頂高程8.3 m。工程西支及西北支位置處河段河床最低標(biāo)高為6.9m，河口寬20 m。河段左岸為砼擋墻，迎水坡坡比為1：0.34，墻頂高程12.26 m，迎水坡設(shè)1 m寬平臺，平臺高程為9.8 m；右岸為直立砼擋墻，墻頂高程11.96 m。

2.2 模型設(shè)置

通過二維數(shù)學(xué)模型對工程進(jìn)行了兩個(gè)工程方案研究。方案一：在天然情況下，研究區(qū)域的水位、水流流態(tài)特征、沖淤情況。方案二：在工程完成后的水位、水流流態(tài)特征、沖淤情況。對比在工程前后的水位、水流流態(tài)特征、沖淤情況。在數(shù)學(xué)模型中，將研究區(qū)域劃分為縱向329個(gè)，橫向48個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格的縱向尺寸為1～5 m，橫向尺寸為0.7～1.2 m，計(jì)算網(wǎng)格以及地形能較好的反映研究區(qū)域工程前后的地形變化。

西支 西北支 圖1 河道整治工程前后水位變化

2.3 河道行洪能力分析

河道改造工程完成后，一方面河道的清淤，河床挖深近2 m，增加了在同一水位下的過水面積，另一方面河道較改造工程前更為順直，河道改變了原來的雜草叢生的狀態(tài)，河道的糙率減小。河道改造工程增加了河道的過水能力，有利于河道防洪。河道改造工程完成后，河道的行洪能力增加?？紤]在最不安全的情況下，即在流量為以流域50 a一遇降雨情況下來考察河道改造工程對防洪的影響。在西支流量21.9 m3/s，西北支流量65.8 m3/s，工程前后河道的水面線分布情況如圖1所示。改造工程前河道的水位在12.10～12.20 m之間，改造工程完成后，河道的水位在10.31～10.36 m之間。計(jì)算的結(jié)果來也驗(yàn)證了河道改造工程增加了河道的行洪能力，在同一流量下，河道的水面線較河道改造工程前有所下降，總體上下降約1.8 m左右。

2.4 河道流速及流態(tài)分析

工程完成前后，在同一流量下，河道流速有所減小。各斷面的流速對比如圖所示。盡管斷面的過水面積有所減小較大(見表1、表2)，但實(shí)際過流面積變化不大，流速雖有所增大，但增大的幅度較小。改造工程前后，在0K+550斷面至0K+470斷面附近流速較大, 注意防洪安全。

整治前 整治后 圖2 河道整治工程前后沖淤變化

2.5 河道沖淤分析計(jì)算

在百年一遇的洪水過程情況下，河道的最大流量為西支21.9 m3/s，西北支65.8 m3/s，洪水的歷時(shí)較短，約為一天?？紤]最不利的情況，即在最大流量下，洪水歷時(shí)為一天的河道沖淤情況?？紤]到河道改造工程完成后，采用漿砌片石進(jìn)行河底護(hù)岸，在工程完成后的計(jì)算中，將此部分設(shè)置為不可沖刷。沖淤的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。發(fā)生沖刷得主要部位

在西門橋上游，在工程前河道兩側(cè)沖刷明顯。在工程完成后，由于采用漿砌片石進(jìn)行河底護(hù)岸，其河道部分區(qū)域沖刷明顯，主要位于河底護(hù)岸與清淤后的河底交接部位。因最大沖刷將近1m，對河底與護(hù)岸將產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語

(1) 根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，整治堤防等級為2級，支流堤頂超高可為1.0 m。堤防型式以土堤為主，在部分用地緊張的堤段可以采用鋼筋砼防洪墻或其它型式。堤頂寬度不小于6 m；

(2)規(guī)劃的整治河道西支斷面為河底寬15m，河底高程6.5 m，邊坡1：2。清淤斷面河底寬在7～15 m，略小于規(guī)劃斷面。

(5)根據(jù)河道演變分析，經(jīng)過整治，整治河道岸線已逐漸趨于穩(wěn)定。本次工程對整治河道的西支及西北支的堤防進(jìn)行加固，實(shí)施擋墻及護(hù)坡工程，對河道岸線穩(wěn)定有利的。對西支及西北支河河勢的總體穩(wěn)定是有利的。

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