裁弯取直工程对河道防洪影响分析①

罗亚伟

(中国水利水电第七工程局第三分局 郫县 611730)

朱殿芳

(成都市市政工程设计研究院 610015)

裁弯取直工程对河道防洪影响分析①

罗亚伟

(中国水利水电第七工程局第三分局 郫县 611730)

朱殿芳

(成都市市政工程设计研究院 610015)

本文采用平面二维数学模型，对成都市府河上游段河道裁弯取直工程实施前后河道水流运动特性进行了计算分析，讨论了裁弯取直整治工程对河道行洪的影响，并就河道未来演变趋势进行了探讨。研究成果为城市河道改造提供了技术支持，同时丰富了河道裁弯取直研究成果。

截弯取直工程 河道防洪 影响 分析

① 国家自然科学基金项目(50949057)。

1 引言

河流过度弯曲时，河身蜿蜒曲折，对宣泄洪水不利，河湾发展所造成的严重塌岸对沿河城镇和农田也是极大威胁。当河环起点和终点距离很近时，洪水漫滩时，由于水流趋向于走比降最大的流线，在一定条件下，会在河漫滩上开辟出新的流路，沟通畸湾河环的两个端点，这种现象称为河流的自然裁湾。自然裁湾往往因大洪水所致，裁湾点由洪水控制，常会带来一定的洪水灾害现象。为避免这种自然裁湾的危害，人们可以结合河道水沙运动特点，人为地裁直河道，缩短洪水流路，增加河道的泄洪能力，这种河道治理方式称为人工裁弯取直。

一般认为河道实施“裁弯取直”可有效降低裁弯段上游洪水位并提高上游的防洪能力，裁弯后上游比降加大，洪水位降低，河床有所刷深。下荆江蜿蜒型河流三处裁弯后，由于河道长度缩短近1/3，因而造床作用加强，河床普遍下切，水位降低［1］。也有研究者认为裁弯取直工程实施后槽蓄作用减少，将会加大洪峰流量，提前洪峰出现的时间［2］。

河流裁湾取直后，新河发展，老河湾逐渐淤废。河道的演变过程涉及新老河湾复杂的分水分沙过程，河湾的发展演化过程更是错综复杂。谢鉴衡等［3］曾开展了裁湾取直工程水力计算及河道变形计算工作，在进行一系列假设的基础上，初步开展了河道裁弯取直相关计算工作。其后，限于问题本身的复杂性，很少有学者开展这方面的理论研究工作，近年来关于河道裁弯取直的研究，多限于工程实例介绍方面。王康林等［4］介绍了永宁江裁弯取直工程的基本情况，并就设计中的主要控制建筑物的设计情况进行了介绍。王成菊［5］介绍了姚田水电站利用“S”形河湾发电、泄洪的成功范例。近年来，随着数值模拟方法的进步，也有研究者采用数学模型研究裁湾取直工程对河道行洪影响［6］。

本文介绍成都市市政河道府河上游段河道按规划裁弯取直治理前后河道水力参数的变化情况，丰富了城市河道裁弯取直治理工程经验。

2 工程概况

工程河段位于成都市西北三环路上游府河干流，现状河段长2.8km，天然河道纵坡约为1.6‰。该段河道目前存在的突出问题是湾多水塞、过流不畅;现状河道过流宽度仅30～40m，且河槽淤积严重，过流能力不足10年一遇。根据《成都市防洪规划》，府河工程河段规划防洪标准为200年一遇洪水，为保障河道行洪安全，该段河道在平面线形上做裁弯取直，取直后该段河道长1.1km。工程河段现状及规划岸线如图1所示，由图1可见，三环路桥以上现状河道岸线曲折，过流断面狭窄，行洪能力低下，在三环路桥梁上游段，河道与桥梁大角度斜交，过流不畅，河道过流能力与下游已整治河段不相适应，亟待对河道进行整治，以提高区域防洪能力。

结合已有裁弯取直工程经验，考虑到府河工程河段属于市政行洪河道，应避免设置跌水工程，以免引起持续的噪声污染，对整治河段采用统一比降进行改造，弯颈间河道落差平滩到整治河道全段范围，设计河道纵比降为2.7‰。配合城市景观建设需要，改造河道采用复式断面型式，整治断面如图2所示。

图1 府河裁弯取直工程河段现状与规划河道对比情况

图2 府河改造断面

3 计算原理和模型

为分析河道裁弯工程实施前后河道水流运动特性，采用平面二维数学模型对现状及裁弯取直后河道水流运动特性进行了计算分析。

3.1 平面二维数学模型基本原理

沿水深平均的平面二维流动基本方程为水流连续方程：

水流动量方程：

以上式中 U、V——垂线平均流速;

z——水位;

H——水深;

g——重力加速度。

方程的数值计算采用有限体积法。

3.2 计算范围

数值计算分别针对现状及裁弯取直后河道水流运动特性进行，计算范围：纵向取府河改造工程起点上游约200m，下游至整治工程终点下游约300m的已改造河段的顺直段，主河道总长约1.7km。改造后老河湾仍参与过流，含老河湾，计算段总长度约3.5km(其中老河湾长约1.8km)。横河范围：整治河段取设计河堤岸顶，总宽度59m，整治段以下按现状河道断面(已整治)考虑，横河宽度为50m。对于天然河道及改造后老河湾，横河方向取现状河道岸顶宽度。天然河道岸线曲折，边界不规则，计算中按三角形网格对计算区域进行剖分，共剖分为17565个节点、32613个单元。改造后主河道岸线归顺，采用四边形网格进行剖分，网格纵向最大长度为6m，横向网格主槽部分最大宽度为3m，两侧河岸位置网格横向尺度为1.5m，老河湾及其与改造后主河道衔接段采用三角形网格进行剖分。改造后河道计算区域共剖分为20249个节点、27521个单元。天然及实施裁湾取直工程后计算网格如图3、图4所示。

3.3 计算边界条件

模型计算上游采用流量边界，下游采用水位边界。工程河段200年一遇洪水来流流量为406m3/s，下游控制断面水位为510.68m。

根据河道断面情况，改造后河道主槽糙率取为0.025，绿化带糙率取为0.03，对于天然河道(及改造后老河湾)，按综合糙率0.025考虑。

图3 天然河道网格示意图

图4 实施裁弯取直工程后河道网格示意图

4 防洪影响分析

4.1 对沿程断面水位、流速的影响分析

河道改造工程对老河湾进行了裁弯取直，设计行洪能力由裁直后的主河道承担，老河湾不参与行洪，但作为城市景观保留。图5为整治后河道流速等值线图，由图5可见，由于整治工程设计为采用统一比降裁直河道，老河湾起点至终点间的落差分摊到整个整治河道范围内，因此老河湾进、出口间水位差较天然时显著降低，河湾内水流动力较天然时显著降低，工程实施后老河湾内水流流速仅0.25m/s左右。另一方，对于主河道而言，由于流路趋直，河道比降加大，过流断面增加，整治后主河道流速明显较天然时增加，改造后河道主槽流速一般在3.6m/s左右，两侧复式流速则普遍在2m/s以下。

府河华侨城段天然河道行洪能力不足，难以达到防御200年一遇洪水的要求，按现状河道行洪断面，在发生200年一遇洪水时，河道水位较高(计算中未考虑两岸漫流滞洪作用，河道水位按断面自然加高进行考虑)。府河进行改造后，河道断面增加，流路归顺，比降加大，水位较天然时明显降低。由下表可见，由于改造后的河道与下游河道衔接平顺，改造工程尾端的CS16断面水位较天然时降低0.2m左右。对于改造段，由于改造后河道流路顺畅，水位普遍较天然时降低。其中裁弯取直工程段上游水位较天然降低约2.6～3.6m。老河湾段，由于裁弯工程将湾颈上、下游直接贯通，水流流路缩短，水位落差降低，老河湾上、下口水位较天然时分别降低2.4m、0.9m左右。老河湾未封闭，河湾内水位介于河湾进口与出口断面水位之间，1.8km长河道水位落差仅0.1m左右。

表中同时给出了沿程断面流速变化情况，从中可见，沿程各断面流速总体较天然时略有增加，但部分天然河道过流断面狭窄的河段流速较天然时有所降低。表中整治后后河道断面流速总体趋于均匀，流速普遍在2.5～3.5m/s左右，流速大小适中，既可以避免泥沙在河槽内淤积，又不致对新建河堤产生严重冲刷，有利于整治断面的保持。

图5 裁弯取直工程实施后河道流速等值线图

沿程断面水位、流速变化表

4.2 对河势稳定的影响分析

河流裁弯取直工程改变了河道水流动力轴线位置，一般对河道河势改变较大。府河改造工程按规划将天然1.8km长的老河湾，在湾颈位置采用弯道将上下游贯通，改造后湾颈间河道长度变为260m(裁弯比6.9)。裁弯取直工程段河道流路、流速、流向、水位均发生较大改变。裁弯取直工程实施后，主河道流路规顺，受堤防保护，新河道河势稳定有保障。对于老河湾，由于河弯进、出口水位落差小，水流动力明显降低，今后老河湾主要作为景观河道存在，不作为防洪通道。其河势稳定的关键在于避免泥沙淤积。从河道设计情况看，老河湾入口位于改造后的连续弯道的下弯道凹岸侧，老河湾与设计河道交角较大，接近60°，大洪水时水流流路趋直，指向老河湾的流速较小，对泥沙进入老河湾有一定的限制作用;老河湾出口段受环流影响，泥沙有向凸岸(河湾对岸)搬运的趋势，两方面均对减少进入老河湾泥沙，从而避免老河湾的累计性淤积有利。但必须指出的是，由于总体上老河湾流速较低，进入老河湾的泥沙基本均会在老河湾内淤积，因此必须尽量做好防沙措施，尽量避免泥沙进入老河湾。

5 结语

本文介绍了成都市市政排洪河道改造工程相关水力计算工作。对于城市防洪河道的裁弯取直改造，需兼顾城市景观、环境需要，改造工程不宜设置较大的跌坎以消除湾颈间的床面高差，河道改造后，老河湾作为景观河道保留，河湾动力降低。本文对改造后河道的防洪及河势稳定情况进行了计算分析，总结如下：

由于改造工程扩大了行洪断面，规顺了岸线，全河道范围内增加了河道比降，河道改造后行洪能力较天然显著增加，裁弯取直段上游河道水位较天然大幅度降低。

整治后后河道岸线规顺，水流流速分布趋于均匀，沿程及横向流速变化较小，有利于避免泥沙在主河道内淤积，同时消减了天然高流速，有利于整治工程的抗冲安全。老河湾水流动力明显较天然时降低，但由于裁弯取直工程兼顾了老河湾入流及出流流态，可有效避免洪水期泥沙进入老河湾，尽量保持老河湾的稳定。

需要指出的是，本文提到的河道裁弯取直改造设计，为兼顾防洪与城市景观、环境需求，裁弯取直段的河床落差被平均到整治河段范围内，该建设方案避免了跌水噪声污染，但同时降低了老河湾的水流动力，对作为景观河道保留的老河湾的泥沙淤积及河道水质均可能存在潜在的不利影响，这方面尚需进行更深入的比较研究。

1 长江水利科学研究院河流研究室．下荆江裁湾经验总结［J］．人民长江，1987(1)：11 －34．

2 王景章．渭河下游仁义裁湾工程总结［J］．人民长江，1983(3)：16 －19．

3 谢鉴衡等．裁弯取直的水力计算和河床变形计算［J］．武汉水利电力学院学报，1963(2)：16 －29．

4 王康林，赵秀珍．永宁江河道整治工程裁弯取直技术探讨［J］．浙江水利科技，2002(5)：75 －77．

5 王成菊．遥田水电站裁弯取直工程泄洪方案优选［J］．湖南水利，1995(2)：11 －14．

6 张晓波，包红军．山区型河道“裁弯取直”防洪影响分析［J］．水电能源科学，2009(3)：42－44，66．