仙居县城防裁弯取直工程水力学问题探讨

张金委，王 斌

(1.浙江省仙居新区开发管委会，浙江 仙居 317300;2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

裁弯取直工程根本性地改变了河道的现状情况，是一项非常复杂的系统工程，其布置形式直接关系到上下游河道的防洪、河床冲淤、堤防安全等问题［1］。尤其是在山溪性河道坡陡流急，洪水位暴涨暴落，裁弯取直必将对工程区上下游河道的水文形势及河势产生影响，从而危机两岸堤防以及临近河道村镇的安全。目前，对于山溪性河道裁弯取直工程方面的研究尚不多见，有较大的研究意义［2-3］。

以仙居县城市防洪裁弯取直工程为例，采用物理模型和数学模型相结合的方法，对裁弯前后的沿程洪水位、流速分布、水流流态以及局部河道冲淤等进行了研究，探讨山溪性河道裁弯取直工程中存在的几个主要水力学问题［4］。

2 工程概况

仙居县位于浙江省东南部，县城地处永安溪中游河谷平原。仙居县城市防洪工程担负着县城的防洪、排涝任务，使城区的防洪标准近期达到20a一遇，远期50a一遇，从而进一步保证仙居县城社会、经济的持续稳定发展。

该工程主要包括城区河段防洪堤建设、柴岭河段裁弯取直工程、永安溪河道整治、安洲橡胶坝和冲砂闸以及永安溪支流6座水闸建设等项目。其中，柴岭裁弯段原河道长3.4km，边滩宽约200～400m，裁弯将弯曲的河势改变为顺直河段，缩短约2.3km，裁弯比3.09。裁弯后在引河位置设置橡胶坝，平时蓄水形成城区水景观。工程布置见图1［5］。

3 研究方法

本文采用平面二维水流数学模型和河工物理模型相结合的研究方法。数学模型主要模拟实际洪峰演进过程，通过永安溪干流洪水与沿程支流洪峰叠加计算，分析裁弯对上下游河道沿程洪水位以及洪峰历时等要素的影响;物理模型则侧重于裁弯对洪峰时刻沿程洪水位、水流流速流态以及河床冲淤影响等方面的试验。该2种研究手段是当前解决工程实际问题的有效途径，通过相互印证、相互补充，使结论更加科学可信。

3.1 物理模型

物理模型平面比尺为1∶250，垂直比尺为1∶65，变态率3.85。模型上边界取仙居水文站，下边界则取下洋大桥以下2km位置，全长约20km。模型考虑盂溪及朱溪的支流汇入，上游采用流量边界，下游采用水位边界 (见图2)。

图2 物理模型局部图

3.2 数学模型

3.2.1 控制方程及求解方法

沿垂线平均的二维非恒定流数学模型控制方程:

式中:η为水位，m;u、v垂线平均流速分量，m/s;h为水深，m;g为重力加速度，9.81m/s2;f为柯氏力系数，无量纲;ρ0为水的密度，kg/m3;τ为表面风应力和底部摩擦力，N;s为辐射应力张量，N/m2;T为侧应力，Pa;t为时间，s。方程(1)为水流连续方程，方程(2)、(3)分别为x、y方向的动量守恒方程，采用控制体积法显式迎风模式求解［6-7］。

3.2.2 计算范围及网格布置

数学模型全长约27km，上边界为仙居水文站，下边界至临海柏枝岙水文站。模型内主要包括三桥溪、盂溪、桥下溪及朱溪等支流，计算范围见图3。模型最大网格边长约50m，工程区及涉水建筑物附近网格根据实际地形特点渐变加密，最小网格边长约为10m。整体计算区域网格节点17907，单元总数33863，局部网格布置见图4。

3.2.3 模型验证

模型采用2005年的“罗莎”台风以及2007年的“韦帕”台风2场洪水的洪痕调查资料进行验证。其中2005年的“罗莎”台风相当于5a一遇洪水，验证结果见图5，从图5中可以看出，计算验证点与实测资料差值在0.20m以内，表明模型的选择、参数的率定等都较为合理，能够满足研究的需要。

图3 数学模型计算范围图

图4 模型计算局部网格图

图5 数学模型验证比较图

4 裁弯取直影响

4.1 裁弯对沿程洪水位的影响

从图6可以看出，在P=2%工况时，河埠大桥洪水位分别下降1.96，1.55m(分别为数学模型和物理模型值，下同);裁弯进口断面洪水位分别下降2.05，2.03m;石牛大桥位置分别下降0.38，0.88m。因此，裁弯取直使河道洪水行进路程大大缩短，裁弯段水力坡降增大，从而加快洪水演进速度，使工程区附近水位有所降低。

其次，图7中P=2%工况时，洪峰到达黄粱陈村断面较裁弯前提前约15min，洪水位增加0.08m，永安溪干流洪峰提前与支流朱溪下泄洪峰叠加;而物理模型为恒定流，变幅在0.04m以内，属于测量误差范围内，认为基本没有变化。因此，裁弯后弯道河段及其浅滩不复存在，在洪水期该河段蓄滞洪量减少，导致裁弯下游河道一定范围内洪峰流量有所增加，洪水演进速度加快，从而引起下游干流和河道支流洪峰遭遇时刻的变化，洪峰叠加情况有所改变。

图6 裁弯工程前后洪水位变化图

图7 黄粱陈村断面裁弯前后洪水过程线图

4.2 对沿程流速分布的影响

从图8、图9可以看出，弯道上下游沿程水流流态和流速分布基本与裁弯前相似，水流过河埠大桥后主流沿河道左侧主槽下泄，至塔山断面处，分布已经较为均匀。橡胶坝前主流略偏左侧，总体尚均匀，坝后500m范围内存在急流区，说明坝前水流流态主要受坝址断面控制，类似堰坝过流。

其次，从表1中也可以看出，受裁弯后河道整治等影响，支埠头以上河段流速有所降低，以下河段流速基本保持不变，但裁弯后流速仍较大，大于河道一般的抗冲流速1.80～2.50m/s，容易引起河床及堤脚冲刷。因此，裁弯工程改变了天然河道水流形态，必将导致冲淤平衡破坏甚至河势不稳定等情况出现。

表1 切滩前后断面平均流速变化表 m/s

图8 裁弯前河道流态图

图9 裁弯后河道流态图

4.3 对河道冲淤影响分析

为验证防洪堤堤脚安全，特进行局部动床试验，试验范围包括河埠大桥至橡胶坝位置，结果见表2。

从表2中可以看出，河埠大桥—南峰山之间的左侧防洪堤位置容易被冲刷，其中:P=20%工况，在三桥溪出口处最大冲深深度达4.0m左右;南峰山位置超过6.5m。P=2%工况，在三桥溪出口处最大冲深深度达7.4m左右;南峰山位置也超过6.5m。其次，盂溪出口下游以及橡胶坝前总体呈淤积状态，坝前水流主流偏向河道左侧 (见表2、图10)。

因此，裁弯取直前，必须对河道冲淤情况以及河势作详细分析，弯道附近主流主要集中在凹岸位置，容易对凹岸的堤防堤脚形成冲刷，而泥沙在往下游移动过程中则逐步淤积在河道右侧浅滩位置，从而进一步改变水流流态及流速分布，造成不利影响。

表2 局部动床试验成果表

图10 河埠大桥至盂溪段局部动床试验照片 (P=2%)

5 结语

本文采用数学模型和物理模型，通过仙居县城城市防洪工程，对裁弯取直前后的洪水位、流速分布以及动床冲淤影响等进行了比较分析，探讨了山溪性河道裁弯取直的几个水力学问题。

研究表明，山溪性河道裁弯取直能够较好的达到降低弯道上游洪水位的目的。但对于下游河道，必须处理好干流洪峰与支流洪峰叠加问题，以降低下游河道防洪压力。其次，裁弯后上下游一定河段水流形态发生变化，需要对河道冲淤平衡以及堤防安全做进一步论证。

［1］赵志民，宁夕英.浅议蜿蜒型河道裁弯取直工程 ［J］.河北水利水电技术，2002(2):28-29.

［2］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.

［3］金中武，郭炜，徐海涛.山区河流典型河段综合整治模型试验研究［J］.水科学与工程技术，2005(S):40-43.

［4］包中进，徐岗，王斌，等.仙居县城市防洪工程河道模型试验研究报告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2010.

［5］吴蕾，吕中明，施冯洪，等.仙居县县城城市防洪工程初步设计报告［R］.杭州:浙江省水利水电勘测设计院，2003.

［6］陈玉璞.流体力学［M］.南京:河海大学出版社，1990.

［7］包中进，周杰.曹娥江大闸导流堤方案水力学数值模拟 ［J］.水动力学研究与进展:A辑，2004(S1):949-953.