不同坝体对塔里木河流域的闸后监测断面优化设计的影响

吐尔逊那依·托乎提

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

0 引言

塔里木河穿过冲积层，通过夹带、搬运、沉积形成松散的沉积物质，具有很强的动态性。塔里木河涉及湍流、二次流、泥沙搬运、河岸侵蚀过程等多种现象[1]。塔里木河高流量时面临河岸严重侵蚀、水土流失、耕地萎缩、生态环境破坏等问题[2]。此外，低流量时泥沙的快速沉积改变了河流和漫滩中的地形，严重降低了排水渠在低流量时的流通性。

河床的逐渐变浅导致河岸侵蚀和河道迁移，从而降低了河道的稳定性。传统的防波堤、护岸等是克服这些问题的典型方法。然而，防波堤顶端附近的强烈涡流会造成局部冲刷，导致防波堤不稳定[3]。因此，克服这些问题的另一个途径是通过一些改进型坝体，以尽量减少局部冲刷，并在旱季平缓地引导水流向所需的方向，以便开发更深的河道[4]。到目前为止，实验工作使人们对坝体诱导流有了更好的认识，但对新型坝体的优化设计却没有帮助[5]。随着计算机模型的出现，探索替代设计的可能性已经显现出来[6]。

因此，本研究通过高洪水时堤岸的保护和低流量时河道的建设来提高对塔里木河稳定的认识，验证了采用改进型坝设计的可能性。研究了河道中不同角度和构型坝体的水流动力学和泥沙过程，通过比较它们的性能，提出实地使用的最佳方案。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

塔里木河是中国第一大内陆河，全长2137km，流域面积19.8×104km2。塔里木河远离海洋，地处欧亚大陆腹地，四周高山环绕，东部为塔克拉玛干沙漠，属大陆性暖温带荒漠干旱气候，气候干燥，多风沙天气，平均年降水量在17.4～42.0mm之间，而平均年蒸发力高达2500～3000mm。气温年较差14℃～16℃，日较差在25℃以上。

1.2 模型建立

模拟的区域是一个规划好的笔直的河段，每段河段有四个出坝，方向和形态相同，长400m，宽280m，河床坡度为7.5cm/km。沟位于河段的一侧，预计长度(Lg)为40.0m，间距(S)为100.0m，即长宽比为2.5。本文考虑了不同的角度和构型来探讨坝体的优化设计，见m1、m2和m3的构型是根据坝体角度的结果确定的，见表1，如图1所示。坝体m3为抛物线形，平均夹角为80°。考虑下游m1和m2的下半段对齐，m3的曲线配置，以促进水流在小流量时向更深的河道集中，使大响应最小化，在大流量时也能在坝基附近冲刷。

图1 坝的方位和结构

表1 研究中考虑的方案

对于不透水的坝体，计算域内的单元是固体的，而对于透水型坝，其坝体面积由一组对水流产生阻力的非淹没式柱体所占据。与阻力有关的参数K由直径(dv)，密度(Na)和阻力系数(Cd)合并而成，计算时为14.16。这种情况下不考虑100°的防波堤角，因为可能有流向河岸的水流影响。计算时考虑了2600m3/s(Qh)和650m3/s(Q1)两种不同的流量，以复制高流量和低流量时的坝基响应，整个域的泥沙中值选择为0.16mm。

1.3 操作步骤

本研究考虑了3个主要指标作为确定坝体性能的设计标准：主河道冲蚀量(ΔZch，Ych)、坝区沉积(ΔZgf)以及坝体附近冲刷(ΔZg)，如图2所示。由于在整个长度范围内，一系列坝体的河道响应是相似的，因此考虑中间区域进行分析，并将各指标的值取平均值，其中ΔZg为第2和第3坝体尖端附近最大冲刷深度的平均值。

图2 关键指标的定义示意图

本研究采用二维的流动和形态模型RIC-Nays研究了一系列不同角度、不同构型的坝体对河道的响应。采用有限差分法在拟合边界结构网格上求解了一般坐标系下的二维非定常流动方程。流向河床荷载和含沙率通过计算可得，深度平均浓度的平面分布采用二维对流扩散方程得到。最后利用二维泥沙连续性方程确定了河床变形。RIC-Nays模型已得到验证，可以较好地再现了坝体外物理模型的流场，但坝体下游的流场存在较大的偏差。初始和下游水面由均匀水流条件设定，在上游端假定泥沙输移为动态平衡状态。我们提供了相对较小的网格尺寸附近的坝体，增加了距离结构。在计算中设置一个0.1秒的计算时间步长，所有的运行都是在7天内进行的，此时变量的时间变化大大减少。计算了经过无限系列的坝后的水流地形和河床地形。

2 结果与分析

2.1 流型分析

结合图3的结果表明，水流由于坝体侵入河道而收缩，从而使主河道内水流加速，其中速度的流向分量在高流量时强度较高。高流量时，在较小的距离上的较小角度会发现一个稍高的值。对于改进型坝体，高流量条件下由于m1强度较低，在较大距离处出现峰值，m2强度较高，在较小距离处出现峰值，m3介于两者之间。峰值出现距离的差异在低流量时的结果类似。

图3 流速横向分布图

图4显示了河段不同角度、不同构型的水深平均速度场及河床地形。在高流量下，主要是单旋系统占据了不透水直坝的整个区域(图4a)。在低流量下，可以观察到双回旋速度场，而在100d时高流量和低流量情况下均不清楚(图4b)。与不透水坝相比，通过透水型坝的水流的动量传递阻止了循环流的形成，且大多导致了高流量时坝体场单向流动的一些不规则现象，如在高流量时坝体附近仍存在一些冲刷现象(图4c、图4d)。除了m2的改进型堤坝，双环流系统占据了坝区的全部面积，m2在大流量时为单环流(图4e)。坝流的上游部分包含与主环流方向相反的次级环流。坝区水流速度远低于主河道流速，因而不超过其输送能力而沉降下来。但是，发现流动再循环的强度足以影响到70d，而尽管其远岸部分的防波堤角为70°，但对于m2的坝体来说，它的强度较低。因此，m2的河岸冲刷没有出现。

图4 不同河坝的速度矢量和河床轮廓：不透水坝高流量(a)和低流量(b)；透水型坝高流量(c)和低流量(d)；改良不透水坝高流量(e)和低流量(f)

2.2 形态变化分析

对于直形、高流量的不透水坝，最终床层地形基本相同(图4a)，在较小距离下，较小的角度影响稍大，反之亦然。在低流量时，角度越小，冲击越大，河床形态不规则，在坝区附近形成沙洲(图4b)。在透水情况下，可以看到较小角度的较高效应(图4c、图4d)。对于备选设计，m2的响应更高(图4e、图4f)。高流量时，在坝顶附近存在一些小冲沟，而在低流量时，在法线附近可以看到一个类似河道的地层，并伴随一些沙洲形成。

如表2所示，可以清楚地看到不同坝的变量变化情况，在直坝情况下，不透水坝的河床侵蚀率比直坝高。在低流量下不同流向的侵蚀程度也存在显著差异。在高流量条件下，较深的河道形成的距离越短，对应的坝体角度越小，但在低流量条件下，由于在坝体附近形成了一些不平顺的河床，形成了较深的河道。高流量下不透水坝的冲刷角越小冲刷深度越小。对于改进型坝，在高流量和低流量情况下，m2对河床的冲蚀量均较高，m1的侵蚀量较小，m3介于两个值的范围内。其中，m1坝的加积量较高，m2坝和m3坝的加积量较低，且与m2坝和m3坝的加积量相近。在高流量下，m2和m3在坝体附近的冲刷深度显著减小。

表2 不同坝角和坝型各变量的平均值

3 结论

(1)较小角度的坝体可以减少河岸附近的沉积，对加深河道深度的作用较好。高流量条件下，70°不透水坝也存在河岸侵蚀，因此坝体80°为最佳坝角。

(2)从不同堤防设计结果来看，m2改进型坝在低流量时有利于加深主河道的深度，同时在高流量时也为河堤提供了安全保护，减小河岸冲刷。因此，相比于传统坝，m2改进型坝改善了河道响应，可作为改善塔里木河通航和冲岸问题的优化设计方案。

(3)然而，对于所提出的改变长宽比的设计，还需要更多的实验数据来测试其普遍适用性。此外，未来还可以对防波堤渗透性部分进行研究，以改善沉积，最大限度地减少强再循环。