基于MIKE21的河南省东安透水桩坝水流数值模拟

栗铭阳 张宝森 方国华 汪自力

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，郑州 450003；3.河海大学水利水电学院，南京 210098）

0 引 言

透水桩坝作为一种新型河道整治建筑物，其施工方便快速，物料好选且经济实用。在实际工程中阻挡过流产生阻水作用，具有缓流效果，促使含沙水流在其坝后落淤造滩，营造新的水流边界条件，从而达到控导河势固滩保堤的目的[1-3]。由于其具有基础埋深大、坚固不抢险、坝后可缓流落淤、大洪水还可漫顶行洪等特点而受到治黄工作者越来越多的关注。目前已在河南境内的韦滩工程、孤柏嘴工程、张王庄工程、东安工程中等得到了应用[4]。透水桩坝在设计时是作为不抢险建筑物，但在实际运行过程中由于复杂的水流条件，桩坝混凝土结构磨损严重，相邻桩坝间泥沙淤积，堵塞了桩坝间的过流通道，降低了桩坝的缓流落淤效果。因此，研究透水桩坝在实际运行下的缓流效果很有必要。

混凝土管透水桩坝的治河理念为“以坝护弯、以弯导流”，透水桩坝按照设计时的布置以一定的桩间距沿治导线成排排列，相邻桩坝间隔布置一方面可束窄过流通道，使水流在桩坝周围形成缓流从而减缓流速，另一方面也让桩坝有一定的透水性，在遇到大流量水流时也能确保流态稳定，减小对河岸的淘刷[5]。姚文艺等[6]通过河工动床模型试验对透水桩坝缓流效果进行研究，认为桩坝的透水率越大缓流作用越差。周庆生[7]通过模型试验研究，对影响缓流落淤效果不同因素进行分析，得出最有利于透水桩坝缓流的透水率为20.4%。郭江丽[8]对不同的桩坝工程进行评价，认为混凝土管桩缓流作用显著，能有效减缓河岸淘刷。考虑到物理试验的复杂性，使用MIKE21 FM研究水工建筑物的运行情况已经成为近些年的热点。锁晓南等[9]利用MIKE21对黄河四排口河段的丁坝进行了洪水演进模拟，分析了丁坝附近的流场情况。王新强[10]基于MIKE21 FM建立木兰溪下游二维数学模型，仿真计算闸下水位流量关系，为水闸消能防冲设计提供依据。汪然等[11]使用MIKE21建立基于河道及颍河芦华圩堤防的二维水流数学模型，对芦华圩3种规划退堤方案的局部流场进行研究，为堤防退堤方案设计提供了参考。然而，对于透水桩坝在工程中实际应用的数值模拟研究严重缺乏，本文以东安工程为原型，采用数值模拟方法对东安透水桩坝实际运行的水动力条件进行研究。

笔者利 用MIKE21 FM 软件，基于2021 年1 月1 日至4 月12 日花园口水文站水文数据构建了东安工程透水桩坝二维水动力模型，对比分析了修筑透水桩坝前后河道的水动力特征的变化，对东安工程的缓流效果进行研究。研究成果可为透水桩坝的设计和实际运行提供参考。

1 MIKE21 FM模型构建

1.1 工程概况

东安工程位于河南省焦作市武陟县南部（图1），地理位置为东经113°24′9″、北纬34°59′20″，工程河段隶属黄河下游河段，上起枣树沟河口、下讫黄河中游的终点桃花峪，流域面积约为18.32 km2。工程河段属于游荡河型，其平面形态为藕节状。枣树沟到北竹园村河段河道较窄，在北竹园村处有支流沁河汇入黄河，北竹园村到桃花峪大桥河段较宽，且河势变化大，为弓形河道。

图1 东安工程河道

东安工程所处河段从20世纪80年代开始有计划地进行了整治。按照控导主流、护滩保堤的方针，采用因势利导，以坝护湾、以湾导流的方法整治中水河槽。在枣树沟控导工程、东安透水桩坝工程束缚下，该河段已成为人工控制的弯曲性河段。

东安工程采用单排钢筋混凝土灌注桩结构，灌注桩直径0.8 m、桩长29 m，相邻桩中心间距1.2 m。桩坝上部设有工作便桥，工作便桥上布置有栏杆、扶手，栏杆采用立方体桩式结构，扶手采用链接式，建造时对两两相邻的桩坝进行连续梁浇筑，形成连续的桩排。工程始建于2000 年，运行使用过程中，在原基础上延伸，直到2020 年整体完工，最后一次扩建由原始长度5 748 m扩大至6 714 m，长度增加了966 m。东安桩坝在多年运行下混凝土结构磨损严重，相邻桩间泥沙淤积，堵塞了桩坝间的过流通道，降低了桩坝的缓流落淤效果。桩坝连线的中轴线也在水流的长期作用下发生偏移[12]。此外，于2021年4月11日前后两次出险，出险时根据花园口水文站记录，流量为995 m3/s，在小流量作用下透水桩坝连续两次发生桩排倒塌，据现场拍摄视频显示，出险时透水桩坝本身钢筋混凝土结构没有发生破坏，向河岸侧整体倒塌。

1.2 研究方法及数据来源

1.2.1 研究方法

MIKE21 FM 水动力模型的控制方程是基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程。

二维非恒定浅水方程组为：

式中：t为时间；x，y为笛卡尔坐标系坐标；η为水位；d为静止水深；h=η+d为总水深；u、v分别为x、y方向上的速度分量；f是哥氏力系数，f=2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为当地纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量；S为源项；vs(us，vs)为源项水流流速。

Tij为水平黏滞应力项，包括黏性力、紊流应力和水平对流，这些量是根据沿水深平均的速度梯度用涡流黏性方程得出的：

1.2.2 数据来源

研究采用的地形数据为无人船搭载多波束测深仪现场测量的水下地形数据，考虑到无人船行驶安全和测量仪器安全，选择了水深相对较深的区域进行测量，通过将测量数据插值得到整个计算区域的水下地形高程值。模型计算所采用的流量资料为花园口水文站实测资料，2021 年1 月1日至4月12日流量过程见图2。

图2 花园口水文站流量过程

1.3 MIKE21 FM模型建立及验证

将实测地形资料进行插值，模型上游边界位于枣树沟河口，采用花园口实测流量作为边界条件，下游边界位于桃花峪，边界条件设置为自由出流。考虑到河道形状变化起伏较大，但地形起伏不大，采用三角形网格对模拟区域进行划分，水流在透水桩坝位置流动时存在能量耗散，为体现水流的、黏滞效应[13]，对重点研究区域采用矩形网格局部加密，该数学模型计算网格由13 458 个节点、25 024 个网格组成，流域内共有东安工程单桩4 921个，生成的网格模型见图3。模型糙率n 取0.032，模型模拟的时段为2021 年1 月1 日8 时至2021 年4 月12 日8 时，模拟的时间步长为300 s，模拟步数为29 088步。本次研究不考虑支流沁河的影响。

图3 东安工程地形网格及桩坝位置图

将模拟结果与在4月12日上午利用无人船搭载ADCP测量的现场数据进行对比，断面1、2、3、4的位置见图4。断面1位于透水桩坝发生倒塌的位置，此外分别以30 m为间距，得到断面2、3、4。起点距为顺水流方向距口门起始点的距离，模拟值与实测值的比较见图5。

图4 断面位置

图5 数学模型与现场测量数据对比

由图5知，河道断面点流速分布模拟值与实测值存在偏离，模拟的点流速分布曲线比现场测量曲线显得稍加尖锐。

在模型“口门”处断面1上，模拟点与实测点的拟合效果较好，最大流速差仅为0.16 m/s；断面2模拟点的断面流速分布总体大于测量点，流速最大处的流速偏差量最大，为0.34 m/s。断面3、断面4离“口门”较近，模拟结果的断面流速分布与实测值相差不大，但变化趋势有所区别，偏离的最大值分别为0.21 m/s、0.19 m/s。流速误差分析结果见表1。

表1 各断面平均流速误差分析

由表1 可知，4 个断面平均流速分布的模拟结果与现场测量的结果相对误差在0.56%～8.55%，“口门”附近，模拟值与实测值的拟合较好，断面平均流速差为0.014 m/s，相对误差为0.79%，即经分析，本次数值计算能较好地模拟东安工程河道的水动力特性。

2 东安工程作用效果分析

2.1 对河道水深的影响

为研究出险河段的变化趋势，选取透水桩坝出险处断面1取平均值进行研究。从图6可以看出，水深在1月呈下降趋势，在1月底、2月初达到最小值，2月呈上升趋势，3月水深变化幅度较大，上旬呈波浪状上升，于3 月17 日到达峰值9.8 m之后急速下降并稳定在8.5 m左右。

图6 出险河段水深变化

透水桩坝修建后会使河段的水深发生变化，透水桩坝减小了河道的过流面积，占用了过流通道，水流阻力增大，桩坝附近的河流动力变化较大，造成河道一定范围内产生壅高[14]，图7为透水桩坝修建后的河道壅水等值线图。从图7可以看出，在桩坝的上下游处产生不同程度的壅水，在出险位置处水深变化较大，河道转折处上游产生壅水，下游产生跌水，与河道收窄、过流断面减小、流速增大有关。此外，在河道转折处水深变化情况最复杂，最大壅水位于出险位置附近。典型位置壅水高度见表2。

图7 透水桩坝修建前后壅水等值线图

表2 壅水高度m

2.2 对河道流速的影响

在2021年1月1日至4月12日的来水条件下，东安工程断面1平均流速值在0.4～1.8 m/s 变化。1月流速变化不大，稳定在0.5 m/s左右，于1月15日达到最小值，10-14日、16-20日有小幅度波动，但总体呈减小趋势；2月流速持续增加；3月流速波动较大，在3月2-19日流速甚至出现近似于“M”状的循环变化趋势，之后直到出险时间点，流速变化幅度较平缓，流速变化与水深变化类似。出险位置流速变化见图8。

图8 出险位置流速变化

为了研究透水桩坝实际缓流作用，分别对1 月12 日、2 月12 日、3 月12 日、4 月12 日有无透水桩坝这两种工况进行对比，图9 为出险工程段的两种工况流速对比图，透水桩坝附近的流速变化等值线均为负值，表明水流在该处流速下降，在出险位置处缓流作用最为明显，流速减小值最大。此外，河道内修建透水桩坝后，除在桩坝附近产生较明显的缓流作用外，还在河道转折位置产生小范围的加速区。出险位置在1月12日、2月12日、3月12日、4月12 日的流速变化分别为-0.22 m/s、-0.20 m/s、-0.48 m/s、-0.44 m/s。

图9 桩坝修建前后流速变化等值线图

由于桩坝的阻碍作用使水流流速减小，桩前后的河流动力发生变化。为了进一步研究桩坝的缓流效果，在模型中设置采样点（图10），桩前后共有20个计算点，共计10组。

图10 采样点位置分布

将各个采样点模拟全时段共计29 088 个流速点的缓流效果并取其平均值，缓流效果计算公式为：缓流效果=（坝前流速-坝后流速）/坝前流速×100%[15]，10组采样点的缓流效果计算结果见表3。

由表3 可知，第6 组、7 组采样点平均缓流效果最好，达到15%左右。第6 组、7 组采样点位于出险位置附近，而8 组、9组采样点靠近河道转折段，对比其他组测验点的缓流效果可以看出，出险位置附近缓流效果最明显，且靠近转折处透水桩坝的缓流效果明显高于非转折河段。

表3 缓流效果

3 结 论

本文以东安透水桩坝工程为研究对象，使用MIKE21 FM水动力模型，分析了东安工程对河道水动力条件的影响情况，以花园口水文站实测流量，模拟了2021年1月1日至2021年4月12日东安工程河道的运行情况，结论如下：

（1）MIKE21 FM软件能较好地模拟透水桩坝工程，模拟断面流速与实测断面流速最大误差在8.55%左右，模拟结果比较理想，结果可为其他河道整治工程的数值模拟提供参考。

（2）东安工程出险位置从3 月中旬至4 月初水深变化较大，4月至出险时间点水深变化较平稳。透水桩坝束窄了过水通道，在河道内产生壅水，出险位置附近壅水高度最大，最大壅水高度达0.02 m。

（3）透水桩坝具有缓流效果，在出险位置附近缓流作用最为明显，流速减小值最大。通过对10组测验点进行计算，出险位置附近最大缓流效果达15.56%，转折河段缓流效果在13%左右，其他位置缓流效果约为10%。