SMS模型在滩险整治方案优化与比选中的应用

郭红波

摘 要：利用SMS（Surface—Water Modeling System）模型，采用六结点的三角形网格单元计算模拟了黄河银川段航运建设工程（北滩至临河乡滩河段）两个整治方案工程前后流场及水位的变化情况，从水深、流速、比降等方面分析比较各方案整治效果，为滩险整治方案的优化和比选提供强有力的技术支持。

关键词：SMS模型 滩险整治方案 优化与比选

黄河银川段航运建设工程的建设是宁夏自治区打造“黄河金岸”宏伟目标的需要。本工程根据河床演变特点，结合黄河银川段实际情况，对黄河银川段85km河段，通过采取疏浚、固滩、护洲、护岸等工程措施，束水归槽，塑造良好的滩槽型态，拓宽航道宽度，增加浅滩航道水深，同时对工程河段通过提高航标配布等级，实现航道尺度为1.3m×22m×270m（水深×航道宽度×弯曲半径）的整治目标，将航道维护标准提高至Ⅴ级。北滩至临河乡滩段河段是该工程的一部分，本次计算通过水动力模型对北滩至临河乡滩段天然及整治方案情况进行计算，将工程前后水位和流速进行对比，并对比不同整治方案情况下整治效果，为设计提供推荐方案。

2.计算过程

本次计算根据整治流量确定计算入口流量为Q=660m3/s，计算出口水位1106.03m（大沽高程），确定模型边界条件。

2.1网格划分

北滩至临河乡滩段模型总长约12.4km，北滩至临河乡滩段设计提供了两个整治方案见图1和图2所示。采用六结点的三角形网格单元对工程后河段计算区域进行网格划分见图3和图4所示，对布置整治建筑物区域网格进行加密处理。

2.2模型验证

本模型根据实测地形资料对计算工况整治水位进行验证模型糙率。根据各控制点水位对模型进行调试，本河段的糙率取值在0.032～0.041之间。

2.3计算成果

整治水位计算工况条件（流量Q=660m3/s）下，计算河段沿设计航线水位图见图5和图6，计算河段流场图见图7和图8，水位和流速变化值见表1。

3.方案的优化与比选

①本计算建立北滩至临河乡滩段二维水流数学模型，模型计算结果与天然实测值吻合较好，误差符合规范要求，模型可用于工程计算。

②计算北滩至临河乡滩段总长约12.44km，上游河段河道弯曲支岔和江心洲较多，下游河段相对顺直。该滩成滩原因及碍航情况主要是深槽紧贴左、右岸岸线，左岸凸岸弯曲半径及航宽均不满足通航要求，右岸岸线不规整，两岸相错突出导致航槽极弯曲，航槽有效航宽严重不足，为全河段航道最险滩之一，加之局部水深不足而碍航。

③方案一和方案二整治前水深基本都在2m以上，局部部位不能满足设计航深1.3m以上，配合疏浚工程以后，整个计算河段水深均能满足设计水深要求。

④实施整治工程后计算结果表明：布置整治建筑物河段在筑坝与疏浚共同作用下表现为：水位雍高、水深增加且能够满足设计水深要求，在太银铁路桥处整治建筑物较密集的河段，由于筑坝作用明显，使得整治后该区域水流流速有所增加，在计算流量下，水流流速较分布较均匀，整治流量下，方案一最大流速约为1.38m/s，最大变化值为0.48m/s；方案二最大流速约为1.72m/s，最大变化值为0.82m/s。

整治方案在左右岸设计坝体的初衷就是为了固定整治线，稳定河形，缩窄河床，束水归槽，集水攻沙，增大主槽水流冲刷力，保持航槽水深。从以上计算结果来看，整治方案一和方案二均达到了预期的整治效果。

方案一和方案二在计算河段下游整治建筑物的布置是一样的，不同之处在于，不同之处在于，在计算河段上游处，方案二在左岸新开槽航道放弃原有右岸主航槽，从整治前后计算河段壅水情况来分析，设计流量情况下，方案一和天然情况更为接近，水位最大壅高值为0.31m，方案二水位最大壅高值为 1.36m；从流速变化来分析，方案一更多的保留了原天然河道，整治后流速变化总体来看比方案二要小。

综上所述，确定方案一为推荐方案。

4.结语

SMS二维水流数学模型可以较好地模拟整治滩险的水流条件及工程实施后的整治效果，为滩险整治方案的优化和比选提供强有力的技术支持。

参考文献：

[1]USERS GUIDE T0 RMA2 WES VERSION 4.3，U.S.Army，Engineer Research and Development Center Waterways Experiment Station Hydrau1ics Laboratory， 1997.

[2]SMS tutorials version 8.0 ，Brigham Young University -Environmental Modeling Research Laboratory March 15，2002.

[3]黃河银川段航运建设一期工程（太中银铁路桥～黄沙古渡风景区段）初步设计报告[R].四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，2014，9.