长江下游扬中环岛崩岸段河势变化及水动力特征分析

曹双　刘沛　蔡磊　郭德俊

摘要：为了预防崩岸的发生，对长江下游扬中河段环形岛屿水动力特性及河势变化情况进行了研究。构建了水动力模型并采用非结构网格中心网格有限体积法求解，对河道断面形态及河坡比变化进行了分析。结果表明：沉船对指南村崩窝处水位、流速场影响不大，崩窝外侧深槽区陡然剧烈冲刷下切是崩窝发生的直接诱因。对于太平洲洲头左右缘、小炮沙左汊出口段、落成洲右汊出口段等部位，应预防大流量级下主流对环岛近岸河床的冲刷，以避免导致岸坡失稳，甚至在滩地狭窄区域直接冲垮洲堤;太平洲洲头左右缘及泰洲大桥左汊大桥下游侧近岸沿岸水流长期流速较大，使近岸河床属于易冲区，应采取措施预防冲刷以免造成边坡失稳。

关键词：崩岸;河势变化;水动力特征;数学模型;环岛;长江下游;扬中河段

中图法分类号：TV147

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.010

1河段概况

长江下游扬中段江心洲发育。北侧自洲头至落成洲河道主流顶冲，深槽贴岸，河床长期以冲刷为主，在长江中下游崩岸治理中被列为重点险工险段，见图1。南侧夹江洲头段及中部弯曲部位也是局部深槽靠岸，高水位下水流湍急，河床冲刷。长江下游扬中河段河道近年断面特征见表1。

近10多年来，长江下游来水来沙条件发生了较大的变化，特别是水流含沙量较三峡水库蓄水前大.幅下降，降幅超过60%。长期清水冲刷作用引发下游部分河段发生崩岸，危及江堤及沿岸居民的安全[1-7]2017年11月8日05：00左右，扬中市三茅街道指南村泰州大桥上游约1.5km处江岸发生较大尺度崩岸，崩岸从外滩向长江干堤迅速延伸，11：20长江千堤开始坍失，至18：00崩岸基本趋于稳定。此次崩岸造成岸线崩塌540m，坍失主江堤440m，崩岸最大进深190m，坍失房屋9户、江堤涵洞1座，坍失土地面积9.733hm2（146亩）。

2长江中下游崩岸研究现状

影响崩岸的因素一般分为4类：河岸边界条件、河流水沙动力条件、水文气象因素以及人类活动81。对于崩岸的预防主要从河岸边界条件和河流水沙动力条件l9-1l2个方面考虑，本文主要研究水动力条件对于河岸的影响。

国内对于长江中下游崩岸的研究和预测方法包括：①通过神经网络预测崩岸的各影响因素8，需要一定的数据量才能得到较为准确的结果;②构建河岸稳定评价体系，根据各影响因子权重，计算出崩岸的总权重来预测崩岸2，需要结合大量的崩岸实例以不断完善评价指标;③使用先进的现代仪器监测河岸以预测崩岸[9，成本投入较大;④通过模拟崩岸试验制定崩岸预防措施13-19]9，能够快速找出崩岸规律，但无法完全模拟真实的崩岸场景。对于不同地区，河岸边界、水文气象以及人类活动等影响因素难以形成共性，唯有水动力因素在不同地区具有共性。本文针对水动力因素进行研究，能够直接分析得出冲刷力较大的位置，提前针对岸边的结构实施防冲措施。

3水动力模型分析

3.1计算依据

长江下游防洪设计水位近期仍采用《长江流域综合规划报告（2012～2030年）》公布的设计标准，按1954年型洪水设计，长江下游防洪设计水位（无台风影响）为5.35m（江阴水位站），相应设计流量97400～100400m/s（千流85400m'/s，加淮河近期规划人江12000m'/s，远期规划人江15000m'/s）。考虑到崩岸在洪中、枯期的发生概率，从枯水至洪水分5级流量级计算。

3.2基本原理

3.2.1水动力计算原理

采用平面二维模型MIKE21FM，以垂线平均的水流因素作为研究对象，模拟研究水域不同水文条件下非稳态水动力过程，并通过工况计算分析工程建设前后水动力的变化情况。本文采用非结构化网格的水动力模块进行模拟。

3.2.2模型特点

对于河道滩地复杂的地貌形态，传统矩形网格如单一矩形差分网格、矩形嵌套网格和曲线网格很难贴合地形边界。由于长江边界形状和河底地形比较复杂，本文模型采用能较好拟合边界的不规则三角网格作为计算网格（见图2）。

3.2.3二维浅水控制方程

（1）提出假设。Bousinesq涡粘假定：建立紊动应力和时均流速梯度的关系：

式中，t为时间;x，y，z为右手Cartesian坐标系;n为水位;h为静止水深;u，v，w分别为流速在x、z方向上的分量;p.为当地大气压;p为水密度;p.为参考水密度;f=22sing，为Coriolis参量（其中l=0.729x104s-，為地球自转角速率，中为地理纬度）;f和fu分别为地球自转引起的加速度;syw，Syy，syx，syw为辐射应力分量;T，Tn，T.，T为水平粘滞应力项;S为源汇项;u。，v。为源汇项水流流速。

3.2.4初始条件

（1）边界条件。开边界：

n，=n，（t）或u，=u，（t）或，=y，（t）

式中，n，、u，、j，为开边界r上的已知水位、流速过程。

闭边界：

（2）初始条件：

式中，no为计算初始时刻水位空间分布函数。

3.2.5计算方法

模型求解采用非结构网格中心网格有限体积法[20-21]。对笛卡儿坐标系下二维浅水方程归一化：

4模型计算方案

4.1数学模型率定与验证

4.1.1

率定与验证计算条件

模型采用计算河段2017年8月的实测水文资

料进行率定，采用2017年2月的实测水文资料进行验证计算。

2017年8月实测期间，布设了K-1L、K-3R、K-6L、K-8L、K-11R等5个水位观测点;布置了KAZ1、KAZ2、KAZ4L、KAZ4R、KAZ6、KAZ9、KAZ10、KAZ1L、KAZ11M等9个测流断面进行流速、流向、流量测验。

局部河演分析表明：指南村崩窝突发是由于坡脚外深槽大幅冲刷下切逼岸、近岸河坡土层抗冲性较差，加之各流量级下近岸流速较大等几重因素叠加造成的。

治理后的河道断面变化表明，崩窝外侧不规则大深槽依然存在，考虑到模型所算各级水位下近岸流速较大，应对该河段加强监测。

参考文献：

[1]陈静茹，张沐川，薛瑶.长江干流江苏段崩岸应急治理工程經济效益综合评价[J].水利规划与设计，2018（4）：18-21.

[2]李威，黎良辉，赖敬飞，等.长江中下游河流崩岸研究综述[J].山东工业技术，2018（21）：106.

[3]彭良泉，周波，芦伟宏对长江中下游崩岸治理设计的几点思考[J].水利水电快报，2017，38（11）：56-59.

[4]彭良泉，周波.长江中下游崩岸预测若千问题的探讨[J].水利水电快报，2017，38（11）：87-90.

[5]卢金友，朱勇辉，岳红艳，等.长江中下游崩岸治理与河道整治技术[J].水利水电快报，2017，38（11）：6-14.

[6]长江水利委员会.长江中下游护岸工程65年[J].水利水电快报，2017，38（11）：1-5.

[7]褚明华，黄先龙.2016年长江中下游崩岸应急整治思考[J].中国水利，2016（21）：10-11，16.

[8]许全喜，谈广鸣，张小峰.长江河道崩岸预测模型的研究与应用[J].武汉大学学报（工学版），2004，37（6）：9-12.

[9]邓宇，赖修蔚，郭亮.长江中下游崩岸监测及分析研究[J].人民长江，2018，49（15）：13-17.

[10]余文畴，岳红艳.长江中下游崩岸机理中的水流泥沙运动条件[J].人民长江，2008，39（3）：64-66.

[11]欧阳履泰，王强，陈敏.长江中下游千流河道崩岸治理[J].人民长江，2000，31（8）：1-3.

[12]王延贵，齐梅兰，金亚昆.河道岸滩稳定性综合评价方法[J].水利水电科技进展，2016，36（5）：55-59.

[13]王延贵冲积河流岸滩崩塌机理的理论分析及试验研究[D].北京：中国水利水电科学研究院，2003.

[14]王路军.长江中下游崩岸机理的大型室内试验研究[D].南京：河海大学，2005.

[15]高清洋.长江中下游河道基于坡脚冲刷的崩岸试验研究[D].长沙：长沙理工大学，2017.

[16]高清洋，刘晓辉，杨阳，等.长江中下游河道顺直崩岸频发段护岸布置形式试验研究[J].水运工程，2018（7）：91-95.

[17]刘祥玉，刘晓辉，高清洋，等.长江中下游顺直河道水流冲刷引发崩岸的模拟试验[J].水运工程，2019（4）：1-8.

[18]丁彬.长江安徽段弯道河岸崩岸的模型试验及数值分析[D].合肥：合肥工业大学，2018.

[19]王年华，李明，张来平.非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进[J].力学学报，2018，50（3）：527-537.

[20]熊英，关晖，吴锤结.基于有限体积法的非结构网格大涡模拟离散方法研究[J].应用数学和力学，2016，37（11）：1129-1144.

[21]舒安平，周星，余明辉，等.岸坡崩塌条件下弯道环流与水流剪切力的变化特征[J].水利学报，2018，49（3）：271-281.

（编辑：李慧）