基于二维水力学模型的河道整治工程中冲淤变化的模拟分析

2018-06-20

地下水 2018年3期

(辽宁省江河流域管理局，辽宁沈阳 110003)

河道整治工程设计中需要对河道冲淤变化进行模拟分析，河道冲淤变化分析的准确性对于工程设计成果的好坏以及河岸线的稳定十分重要。对于河道冲淤变化传统上主要采用一维水力学模型[1-5]，对其中某一设计断面的冲淤变化进行分析。但这种方法的缺点在于不能直观的反映河道沿程的冲淤变化。而河道形状对于冲淤变化的影响较大。当前，二维水力学模型在河道水力学模型中得到逐步应用[6-9]，二维水力学模型可较为直观的反映河道水力学要素沿程的二维分布，但二维水力学模型在河道整治工程前后的冲淤变化模型应用还较少，为此本文引入二维水力学模型对辽宁某河道整治工程的冲淤变化进行模拟分析，从而分析模型的适用性。

1 二维水力学模型原理

二维水力学模型计算方程分别为：

(1)水流质量守恒方程为：

(1)

(2)水流的能量守恒方程为:

(2)

(3)

在上述方程中Z表示河道计算水位(m)；H表示为河道计算水深(m)；V分别表示横向(x)和纵向(y)河道计算的水流流速(m3/s)；g表示为重力加速度(m/s2)；n表示为河床糙率系数；vT表示为二维水动力学模型计算的河道扩散系数；u*表示模型计算的摩阻流速(m3/s)。

2 实例应用

2.1 工程概况

该河道整治工程干流长3.0 km。河底高程2.0～4.8 m，河底宽10～20 m，河面宽100～120 m，堤线长3.0 km。现状堤顶高程11.4～12.8 m，堤顶宽5.5～12.5 m，有宽3 m左右泥结碎石路面；迎水坡比大部分地段约1：3，局部较陡处约1：2.5，基本无护砌，杂草丛生，背水坡坡比1：2.5～1：3.5；入江口段200 m及距入江口1.47 km至1.65 km段有挡浪墙，左岸墙顶高程12.0～12.7 m，右岸13.0 m。距城南河口2 km建有橡胶坝，坝顶高程8.3 m。工程西支及西北支位置处河段河床最低标高为6.9m，河口宽20 m。河段左岸为砼挡墙，迎水坡坡比为1：0.34，墙顶高程12.26 m，迎水坡设1 m宽平台，平台高程为9.8 m；右岸为直立砼挡墙，墙顶高程11.96 m。

2.2 模型设置

通过二维数学模型对工程进行了两个工程方案研究。方案一：在天然情况下，研究区域的水位、水流流态特征、冲淤情况。方案二：在工程完成后的水位、水流流态特征、冲淤情况。对比在工程前后的水位、水流流态特征、冲淤情况。在数学模型中，将研究区域划分为纵向329个，横向48个计算网格，网格的纵向尺寸为1～5 m，横向尺寸为0.7～1.2 m，计算网格以及地形能较好的反映研究区域工程前后的地形变化。

西支西北支图1 河道整治工程前后水位变化

2.3 河道行洪能力分析

河道改造工程完成后，一方面河道的清淤，河床挖深近2 m，增加了在同一水位下的过水面积，另一方面河道较改造工程前更为顺直，河道改变了原来的杂草丛生的状态，河道的糙率减小。河道改造工程增加了河道的过水能力，有利于河道防洪。河道改造工程完成后，河道的行洪能力增加。考虑在最不安全的情况下，即在流量为以流域50 a一遇降雨情况下来考察河道改造工程对防洪的影响。在西支流量21.9 m3/s，西北支流量65.8 m3/s，工程前后河道的水面线分布情况如图1所示。改造工程前河道的水位在12.10～12.20 m之间，改造工程完成后，河道的水位在10.31～10.36 m之间。计算的结果来也验证了河道改造工程增加了河道的行洪能力，在同一流量下，河道的水面线较河道改造工程前有所下降，总体上下降约1.8 m左右。

2.4 河道流速及流态分析

工程完成前后，在同一流量下，河道流速有所减小。各断面的流速对比如图所示。尽管断面的过水面积有所减小较大(见表1、表2)，但实际过流面积变化不大，流速虽有所增大，但增大的幅度较小。改造工程前后，在0K+550断面至0K+470断面附近流速较大, 注意防洪安全。

整治前整治后图2 河道整治工程前后冲淤变化

2.5 河道冲淤分析计算

在百年一遇的洪水过程情况下，河道的最大流量为西支21.9 m3/s，西北支65.8 m3/s，洪水的历时较短，约为一天。考虑最不利的情况，即在最大流量下，洪水历时为一天的河道冲淤情况。考虑到河道改造工程完成后，采用浆砌片石进行河底护岸，在工程完成后的计算中，将此部分设置为不可冲刷。冲淤的计算结果如图2所示。发生冲刷得主要部位

在西门桥上游，在工程前河道两侧冲刷明显。在工程完成后，由于采用浆砌片石进行河底护岸，其河道部分区域冲刷明显，主要位于河底护岸与清淤后的河底交接部位。因最大冲刷将近1m，对河底与护岸将产生影响。