双山灌区渠首枢纽段水流特性数值模拟及治理方案研究

李 琦，于洪利，姜雪宾

（1.昌图县水利事务服务中心，辽宁铁岭 112599；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061）

1 工程概况

双山灌区渠首枢纽工程位于东辽河中下游公主岭市桑树台镇冷家屯村，是双山灌区的控制性工程。枢纽位于河道右岸，由冲沙闸和溢流坝组成，冲沙闸段长19.00 m，共5 孔，每孔净宽3.00 m，底板高程130.00 m；溢流坝段长77.00 m，采用折线形实用堰型，堰顶高程134.03 m。左岸滩地宽约770.00 m，滩面高程136.00～137.00 m，洪水时水流漫滩；右岸滩地较窄，地势较高，30 年一遇洪水不漫滩。工程始建于1966 年，经多年运行，工程水毁严重，2013 年进行了水毁修复，但未从根本上解决枢纽的安全隐患。受下游河道采砂影响，河道一直处于持续下切状态[1]。2017 年大洪水后，渠首海漫段及下游河道护底毁坏，下游两岸护坡损毁严重，冲沙闸消力池末端与海漫连接处已经形成2.00 m 左右的深坑。由于枢纽尾水河道严重下切，下游河道高程较2013 年下降超过5.00 m，导致尾水降低，原设计的消能效果无法正常发挥作用，造成消能及防护设施水毁。此外，在溢流坝挡水作用下，枢纽上游河槽流速较小，床面处于淤积环境，滩槽差远小于下游，发生较大洪水时常出现漫滩，部分漫滩水流在枢纽下游不远处归槽，由于水流集中，水流归槽处流速较大，对床面产生严重冲刷，造成左岸护坡损毁。

为保证枢纽工程安全，本文建立平面二维水动力模型，对双山灌区渠首枢纽所在河段水流特性进行模拟，剖析影响枢纽安全的不利水流条件，有针对性地提出改善水流条件的治理方案，有效解决威胁枢纽安全的隐患。

2 研究方法

2.1 模型简介及基本原理

水动力模型采用应用广泛的Delft3D 模型[2]，该模型整合了水动力、物质输运、粒子追踪、水质、生态、波浪和地貌等多个子模块，由荷兰Deltares 公司负责维护和完善，目前全部子模块已完全开源。

模型采用不可压缩流体、浅水、Boussinnesq 假定下的Navier-Stokes 方程[3]，垂向动量方程中的垂向加速度相对水平方向上的分量可忽略不计，因此，垂向上采用的是静水压力方程。一系列偏微分方程及相应的定解条件都是基于有限差分网格进行求解的。

在水平方向上，采用正交曲线坐标：

式中：ξ为笛卡尔坐标系下纵向坐标；λ为经度；η为笛卡尔坐标系下横向坐标；φ为纬度；Gξξ，Gηη为曲线坐标至矩形坐标ξ，η方向的转换系数；R为地球半径（6 370 km）。

在垂直方向上，采用σ坐标：

式中：σ为垂向坐标转换系数，从水底到自由水面，σ的变化范围为（-1，0）；z为空间高度；ζ为参照水平面（z=0）以上的水位；d为低于参照水平面的水深；H为总水深。

正交曲线坐标系下的连续方程：

式中：t为时间；Q为单位面积由于排水、引水、蒸发或降雨等引起的水量变化；u，v为ξ，η方向上的速度分量。

正交曲线坐标系下水平ξ方向上的动量方程：

水平η方向上的动量方程：

式中：ω为在正交曲线坐标系下σ方向上的速度分量，对于平面二维模拟，可忽略ω方向的分量变化；f为科氏系数；ρ0为水的参考密度；vv为垂向涡粘系数；Pξ，Pη分别为ξ，η方向的压力梯度；Fξ，Fη分别表示ξ，η方向水平雷诺应力不平衡项；Mξ，Mη分别表示ξ，η方向的源汇项。

2.2 模型构建

此次数模计算范围：沿河长方向，上游起自小辽河入汇口以上，距离枢纽约1 171.00 m，下游至枢纽以下2 401.00 m，宽度范围为两岸堤防之间，堤距400.00～1 000.00 m 不等。采用正交曲线四边形网格覆盖计算区域，枢纽附近河道网格进行加密处理，网格尺寸1.00 m，其他部位网格尺度3.00～5.00 m。模型进口为流量边界，出口为水位边界。模拟流量有10 年、20 年及30 年一遇设计洪水，模型出口水位根据均匀流条件下水位-流量关系确定。根据河道河床组成、床面特性、平面形态及水流流态、植物、岸壁特性等因素，参考文献［4］，河道主槽糙率值取0.028～0.033，滩地糙率取0.045～0.080。

3 现河道流场模拟分析

10 年一遇洪水河道流场计算结果：在枢纽断面，冲沙闸段、溢流坝段及滩地的分流比为0.47∶0.51∶0.02；枢纽上游河段局部位置洪水溢出河槽，部分出槽洪水沿溢流坝左侧低滩流动，并在海漫末端汇入河槽；在滩槽交界位置因过水断面较小、地形高差大，归槽水流存在较大横向比降，流速较大，一般在1.5～2.5 m/s，局部甚至超过3.0 m/s，造成河床冲刷；滩地内不归槽的水流，上游位置流速一般在0.1～0.2 m/s，愈向下游，因流路受阻，流速沿程逐渐趋于0。

20 年一遇洪水条件下流场分布规律与30 年一遇洪水基本一致，故以下仅分析30 年一遇洪水流场模拟结果。当发生30 年一遇洪水时，枢纽断面冲沙闸段、溢流坝段及滩地的分流比为0.32∶0.48∶0.20。枢纽上游河段洪水普遍溢出河槽，枢纽以下河段洪水基本不出槽，溢流坝左侧低滩水流流速进一步增大，最大流速大于3.0 m/s，局部超过4.0 m/s。水流下行过程中流速逐渐减小至0.6～1.5 m/s，水流归槽位置仍在海漫末端，归槽处水流流速剧增，最大可达5.0～6.0 m/s，造成河床严重冲刷。现场调查发现，枢纽左侧边滩冲刷严重，水流归槽位置已冲出一个约10.00 m 的深坑，与模拟结果相吻合。另一部分出槽水流沿左岸滩地流动，滩面流速较小（0.1～0.2 m/s），一般在枢纽以下400.00～1 000.00 m 处归槽，归槽处水流最大流速多在2.0～3.0 m/s，局部位置超过4.0 m/s，对河岸具有较强冲刷作用。

两种洪水条件下，冲沙闸过闸水流单宽流量达24.3 m3/s，27.7 m3/s，经消力池后流速仍在8.0～9.0 m/s，下行约120.00 m后方可逐渐消减至4.0 m/s以下。溢流坝下泄水流经消力池后，流速在5.0～6.0 m/s，水流下行约30.00 m 后可逐渐消减至4.0 m/s 以下。下游河道洪水基本不出槽，流速一般在2.0～3.5 m/s，对河床仍有较强冲蚀作用。

4 治理方案流场模拟分析

4.1 治理方案

由现状河道模拟结果可知，影响枢纽运行安全的不利水流条件主要有两个方面：一是溢流坝左侧低滩及归槽水流切滩，对护岸稳定不利；二是冲沙闸水流单宽流量大，水流经消力池后仍具有较高流速，对海漫及其以下河床冲蚀作用强，威胁枢纽安全。据此，设计了多个治理方案，经比选最终推荐以下治理方案：将溢流坝左侧被水流切深的低滩进行回填，并进行防护，遏制边滩继续下切，回填高程控制在135.00 m；新建二级消力池，强化消能能力，二级消力池长30.00 m、宽97.00 m，底高程为121.00 m，采用1∶4 的坡度与原消力池海漫段相接，海漫段长40.00 m、宽97.00 m，底高程为123.00 m；在枢纽（溢流坝轴线）以下约240.00 m 位置新建1 座跌水，改善消能设施尾水条件，跌水顶高程124.00 m。治理方案工程布置如图1 所示。

图1 治理方案工程布置示意图（单位：m）

4.2 治理方案流场模拟分析

治理工程实施后，各级洪水条件下，枢纽断面冲沙闸段、溢流坝段及滩地的分流比未发生变化。与现状河道相比，治理方案实施后，河道重点部位流场变化特点如下。

1）在10 年一遇洪水条件下，由于溢流坝左岸边滩受冲下切河段填平至135.00 m 高程，枢纽上游出槽洪水沿回填部位左侧滩地下泄，并在下游河道归槽，枢纽附近边滩不再受洪水冲刷。在二级消力池及跌水的联合作用下，枢纽尾水流速明显减小，下泄水流经二级消力池以后，冲沙闸段水流流速降低至2.2 m/s 左右，与溢流坝下泄水流掺混较为均匀，经海漫段后到跌水之前，流速在1.8～2.0 m/s。水流经跌水顶部时流速有所增大，跌水壅水高度为0.24 m，与下游水流能平顺衔接，越过跌水以后，水流流速迅速恢复至原河道水平。

2）在30 年一遇洪水条件下，受溢流坝左岸边滩回填影响，过流量有所减小，流速也相应减小，最大流速为1.5～1.8 m/s。水流归槽位置由海漫末端上移至翼墙末端以下60.00 m 范围内，流向与主流方向近乎垂直，归槽水流更加分散，流速也相应减小为2.5～4.5 m/s，远小于现状工况。下泄水流经二级消力池以后，冲沙闸段水流流速可降低至2.5 m/s 左右，与下游河道水流可平顺衔接。

5 结语

本文通过Delft3D 的平面二维水动力模型，研究威胁枢纽安全的不利水流条件，并在此基础上，提出了二级消力池与跌水相结合的工程治理方案，治理措施实施后，能够大幅减小海漫段水流流速，有效改善尾水河道水流条件，研究成果可为双山灌区渠首枢纽安全治理提供参考。需要指出的是，在枢纽消力池段，水流呈现复杂的三维特性，消力池的详细设计尚需根据三维数值模拟或物理模型试验结果确定。