河道整治工程中冲淤变化的水力学模拟分析

孙 健

(辽宁天阳工程技术咨询服务有限公司，沈阳 110003)

0 引 言

河道整治工程中需要对其治理前后的效果进行评价，一般主要结合某一治理段进行其治理前后的效果分析，如治理前后的流态和冲淤变化，从而判定河道治理的综合效果[1]。传统效果分析方式不能实现整个河流治理段沿程流态和冲淤变化的特征，具有明显局限性[2]。近些年来，随着河道整治力度的不断加大，对其河道治理效果评定也逐步得到国内许多研究学者的关注，在这些分析成果中大都通过对比某一河段治理前后水位、流速以及断面冲淤量测定值来分析治理效果，主要是缺乏沿程分析的技术手段。当前，水力学模型逐步被用于河道治理工程设计中，结合治理河段地形测量数据，采用水力学模拟的方式模拟不同治理模式下的河道流态以及冲淤沿程变化特征，在一些河道治理工程实践应用中，这种方式的效果十分明显[3-5]。为此文章以辽宁某河道治理工程为实例，采用二维水力学模型，对其治理前后的水流流态以及冲淤变化进行沿程分析，研究成果对于河道整治过程治理效果分析具有重要的意义。

1 计算原理

文章采用二维水力学模型对其河流治理前后的流态和冲淤变化进行模拟分析，流态主要判定其流速的变化，而冲淤变化主要通过模拟治理前后水位变化来分析其冲淤的特征，模型质量守恒及能量守恒计算方程分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：Z为计算的断面水位，m；H为断面水深，m；V为水平方向和纵向水流计算流速，m3/s；g为重力加速度，m/s2)；n为糙率值；VT为扩散系数；u为摩阻流速，m3/s。

2 实例应用

2.1 工程概况

以某河道整治工程为具体实例，综合整治的河长为4.5km。河底平均高程为2.5m，水面平均宽度为150m，河道堤防现状条件下顶部平均高程为4.5m，堤防平均宽度为3.5m，在左侧岸边有平均宽度为1.5m的碎石路面，迎水坡面的比降约为1∶2.5，局部岸边较陡边坡的比降为1∶1.5，河道堤防现状条件下基本为采用护砌的方式进行防护，河道堤防背水坡的比降均值在1∶2.5左右。右侧堤顶高程约为4.3m。整治工程河段最低高程为0.9m。在河段左侧建设有水工混凝土挡墙，在挡墙的迎水面坡度的比降为1∶0.5，整个水工混凝土挡墙的高度约为1.5m，在迎水面设置有宽度以1.0m的平台，平台整个高程为0.5m，在综合治理的河道堤防的右岸设置有高程为1.5m的直立性水工混凝土挡墙。为分析河道整治前后对水流流态以及断面冲淤变化的影响，采用水力学模型其沿程4.5km横向和纵向断面进行水力学模拟，重点分析其水流流速和断面水位的变化。

2.2 模型边界设置

采用水力学模型对河道整治工程的流态进行分析，首先需要确定模型的计算边界，文章采用两种模型计算边界方案，第一种边界方案为河道整治工程在天然条件下的流速以及水位变化情况，其作为整治前的天然状态下的流态[6-8]。第二种边界方案时河道整治工程治理后的流速和水位的沿程变化模拟。将两种边界方案下的流速和水位进行对比，分析工程整治前后的流态和断面冲淤变化的影响[9]。在水力学模型中将整个整治河段的横向和纵向分别划分为65个和345个计算网格，各网格横向和纵向尺寸分别为1.2m和5m。工程治理前后的地形变化可通过网格较为清晰的得到展示。研究河段的网格化如图1所示。

图1 研究河段的网格化结果

2.3 治理前后行洪影响分析

河道综合治理主要目标是提高河段的行洪能力，为提高治理河段的行洪能力，河道治理后主要对断面进行2m深度的清淤工作，使得其相同水位条件下的过水能力得到一定程度的提升，此外通过治理河道的弯曲度得到一定程度的改善，通过降低河床糙率提高其河道综合行洪能力[10-12]。通过河道治理后，在设计洪水标准即为50a一遇洪水条件下，河段两个支流设计防洪能力分别为22.3m3/s和69.4m3/s。工程治理前后的水面线如图2所示。

(a)西支 (b)西北支

从图2中可看出，在工程治理前两个支流的水面线总体位于12.2-12.5m之间，通过清淤、河道顺着以及糙率降低等综合治理措施下，河道整治后相同条件下的水面线平均下降1.8m左右，表明在相同设计标准下，河道整治后的行洪能力得到提升，相同水位下河道断面的过水能力增加。

2.4 河道流速及流态分析

采用构建好的水力学模型，结合两种边界条件，对河道工程治理前后的水流流态进行综合对比分析，分析结果如图3所示，并对工程整治前后的断面水位沿程变化进行了分析，结果如图4所示。

(a)治理前

(b)治理后

(a)治理前

(b)治理后

从工程治理前流速高值主要集中在河段弯曲段，该段流速高达2.5m/s，治理后弯曲段流速高值的区域明显减少，这主要是因为通过顺着河段以及降低糙率等措施，降低了弯曲段河道的流速，从流速沿程变化可看出，相比于治理前，治理后的水流流速有一定的减小，但在顺直段相同水位和流量条件下的流速有所增加，提高了洪水快速通过的能力，并降低了其弯曲河段的冲刷能力，提高了河道堤防的稳定性。从工程整治前后的水位沿程变化可看出，相比于治理前，河段水位降低较为明显，这主要是因为断面清淤措施的影响，通过对断面清淤，提高了断面过水面积，使得相同来水条件下河道的水位有不同程度的降低，通过对比分析，相比于工程治理前，治理后断面水位平均下降约为1.8m。

2.5 断面冲淤变化分析

按照河道治理设计的洪水标准为50a一遇，考虑最大洪水条件下，洪水历时约为1d的计算条件下，对工程治理前后的断面冲淤深度进行沿程分析，分析结果如图5所示。

河道治理工程主要采用浆砌片石进对治理河段进行河底的安全防护，在计算其沿程冲淤深度变化时，这一部分冲淤变化不参与到模型计算中，整个治理河段沿程冲淤深度可看出，治理前，河道在相同流量条件下，其计算的冲淤深度在0.8-1.2m左右，其冲淤深度变化较大的区域主要集中在弯曲段即为治理河段的中部区域，在工程治理前河段两侧的冲淤变化十分显著。通过工程治理后，由于对其左岸和右岸进行了安全有效防护，河道两岸的冲刷得到有效防护，工程治理前河道冲刷深度高值主要集中在护岸和河底交接区域，最大冲刷深度高达1.2m，通过河道治理后，相比于治理前，河道冲刷深度沿程平均较低0.5m，尤其是在高冲刷区域，冲刷深度降低0.8m。

(a)治理前

(b)治理后

3 结 论

1)在采用水力学模型进行工程治理前后流态模拟时，可通过设置治理前天然状态下的水位边界以及治理后的水位边界作为模型的计算边界，从而对比工程治理前后的流速以及断面水位沿程变化。

2)采用治理措施后，河道整治后相同条件下的水面线平均下降1.8m左右，表明在相同设计标准下，河道整治后的行洪能力得到提升，相同水位下河道断面的过水能力增加。

3)通过对治理前后河道沿程流速对比分析可知，相比于治理前，治理后的水流流速有一定的减小，但在顺直段相同水位和流量条件下的流速有所增加，提高了洪水快速通过的能力，并降低了其弯曲河段的冲刷能力，提高了河道堤防的稳定性。

4)通过冲淤深度沿程模拟分析，通过河道治理后，相比于治理前，河道冲刷深度沿程平均较低0.5m，尤其是在高冲刷区域，冲刷深度降低0.8m。