王文偉

摘要：以江安縣物流中心護(hù)坡工程為例，采用二維水流數(shù)學(xué)模型對護(hù)巖工程施工前后工程河段流速、水位的變化進(jìn)行計(jì)算。通過水面比降、近岸流速、主流流速以及流速變化影響范圍等方面進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)表明，修建工程后施工河段的右岸附近流態(tài)明顯得到改善。

關(guān)鍵詞：護(hù)坡工程航道水流結(jié)構(gòu)

江安縣隸屬于四川宜賓市，位于四川南部長江干流的宜賓和瀘州之間。有著名的國家級風(fēng)景區(qū)、重點(diǎn)文物保護(hù)單位，省級重點(diǎn)文物保護(hù)單位、森林公園等自然人文景觀。江安縣按“長江經(jīng)濟(jì)帶”發(fā)展規(guī)劃，啟動江安城市配送中心項(xiàng)目建設(shè)。項(xiàng)目選址位于江安鎮(zhèn)大橋附近，緊鄰長江和省道308北側(cè)。項(xiàng)目建成后將成為川南地區(qū)重要物流節(jié)點(diǎn)，有效改變江安現(xiàn)有物流企業(yè)基礎(chǔ)薄弱，整體發(fā)展水平不高的現(xiàn)狀，對全縣物流產(chǎn)業(yè)也將形成有力支撐。

因物流中心護(hù)坡工程涉及少量填土，占據(jù)部分有效過水面積，將對河道水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。隨著理論與計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)學(xué)模型已廣泛應(yīng)用于工程上。在實(shí)際工作中，由于工程建設(shè)對水流的影響不是特別大，一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算只能體現(xiàn)在斷面水位、流量等水流因素，而無法反映平面形態(tài)上的特性。而二維水流數(shù)學(xué)模型，可以對工程附近的水位、流速、流態(tài)等水流情況在工程前后的變化更為直觀清晰。

工程概況

工程具體位置為四川省宜賓市江安縣江安長江大橋下游約1.5km河道右岸，工程占據(jù)陸域岸線長約780m。涉及工程范圍坡腳線高程基本在246-251m，只涉及少量不規(guī)則岸線基巖以內(nèi)的填土工程。根據(jù)施工規(guī)劃方案，填土區(qū)域范圍盡量順應(yīng)了河勢方向，所填土區(qū)域基本位于岸邊基巖控制線以內(nèi)的易產(chǎn)生回流的不規(guī)則部位。圖1為工程不規(guī)則岸線凹岸內(nèi)擬填土工程示意圖。

為了預(yù)測擬建工程對該河段航道水流條件的影響，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算修建工程后的施工河段與未修建工程時(shí)河段的航道水流條件，對比分析物流中心護(hù)坡工程建設(shè)對該段航道水流結(jié)構(gòu)的影響。選取計(jì)算區(qū)域?yàn)榕＝菈?怡樂鎮(zhèn)河段共長約10.0km的河段。數(shù)模在計(jì)算域內(nèi)共布置392×250個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。計(jì)算區(qū)域范圍為10000×5000m。網(wǎng)格沿x方向間距一般30m，沿Y方向間距一般為20m。該工程的枯、中水期與洪水期典型流量為：2980m3/s、6710m3/s、30500m3/s。

利用2009年8月實(shí)測的工程河段河道的實(shí)測水面線進(jìn)行驗(yàn)證。水位計(jì)算值與實(shí)測值最大不超過0.05m?？傮w上該數(shù)學(xué)模型計(jì)算水位與實(shí)測值基本吻合，說明計(jì)算具有一定可靠性，可進(jìn)行工程實(shí)際研究。

工程對航道水流結(jié)構(gòu)影響

1、河道水面比降的變化

一般由于工程的束流作用，通常表現(xiàn)為工程上游河段及工程段水位壅高、工程下游河段水位降低，這種水位壅高或降低將在上游或下游一定范圍內(nèi)逐漸消失。數(shù)模計(jì)算成果表明，計(jì)算河段的水位變化主要取決于物流中心護(hù)坡工程少量填土對河道過水面積的影響。工程所占據(jù)的河道面積愈大，阻水作用愈強(qiáng)，其相應(yīng)的水位變化越大。護(hù)坡工程對河道水位影響較小，工程修建后河道最大水位壅高值約0.06m。表1給出了工程河段代表流量下河道最大水面比降及其變化。

計(jì)算表明，選取洪水期與中、枯水期工程河段的水面比降進(jìn)行對比：各級流量下最大水面比降略有增加，增大幅度最大為0.03‰。

2、河道近岸流速的變化

圖2為對比工程河段，建設(shè)前、后洪水期河道二維平面流速分布。從圖中可以看出，原河道在岸邊基巖有部分回流，填土后主流速基本順直于河道，對岸邊形成沖刷作用的橫向流速明顯減少。流態(tài)相較于原來未修建工程前的回流等不利流態(tài)有明顯改善，說明沿河岸基巖以內(nèi)填土將原有不規(guī)則邊岸進(jìn)行規(guī)整，有利于該段整體流場的穩(wěn)定以及斜流作用的減弱。

中、枯水期典型代表流量下施工河段在修建工程后的流場如圖3、圖4，從圖中可知在中水期該段流場整體較為平順，沿河心方向，斜流顯著減少，未出現(xiàn)明顯的不利流態(tài)（回流、泡漩），在進(jìn)入黑石磧段后流態(tài)相對仍保持較為穩(wěn)定狀態(tài)。枯水期代表流量下流場分布與中水期基本一致，流態(tài)相對較為穩(wěn)定。

修建工程后施工河段的右岸附近流態(tài)較未修建前更為穩(wěn)定，保持順河而下，未出現(xiàn)回流以及泡漩等不利流態(tài)。由于填土區(qū)域占據(jù)河道過水面積對河道起到一定的束窄作用，因而流速略有增加，并且流速沿主流方向，橫向流速減少。

3、河道主流流速的變化

工程河段為山區(qū)河流的順直段，河道形態(tài)變化在枯水期對主流影響更為明顯。因而，選取枯水期施工區(qū)域的三個(gè)典型斷面，通過對斷面流速分布進(jìn)行未修建前與修建后的變化對比，分析工程對該河段的主流流速影響（見圖5）：

圖5工程河段施工前后典型斷面枯水期流速分布變化對比

斷面1流速分布變化：擬建工程后主流速帶略有向河心偏移，說明填土后流速主流帶有稍微的調(diào)整（圖5（a））。

斷面2流速分布變化：由于填土工程，右岸附近流速顯著減少，主流速有一定的提高，說明束窄作用使得流速略有提高（圖5（b））。

斷面3流速分布變化：擬建工程后原有右岸附近流速明顯降低，主流速整體向河心稍有偏移，最大流速基本維持原有水平，未出現(xiàn)顯著的增加（圖5（c））。

4、河道流速變化影響范圍

洪水期及中、枯水期的流速僅在施工水域略有增加，增加幅度最大僅為0.03m/s（枯水期），而其影響范圍最大幅度發(fā)生在枯水期。根據(jù)前述分析選取枯水期擬建工程前后的流場變化影響范圍進(jìn)行分析，圖6為修建前后流場相對變化等值線圖。

由圖可知：工程施工區(qū)域的流場變化主要集中于工程附近，其上游約200m以及下游約200m內(nèi)范圍，隨后影響逐漸減小為0。擬建工程對黑石磧段流場改變較弱，等值線逐漸減少為趨于0，因此，工程修建后對河段的流場影響范圍對其上下游的影響不明顯。

結(jié)論

本文采用正交貼體平面二維水流數(shù)學(xué)模型，分析江安縣物流中心護(hù)坡工程因涉及少量填土占據(jù)部分有效過水面積所導(dǎo)致的河道水流結(jié)構(gòu)變化。選取洪、中、枯三級典型流量過程進(jìn)行計(jì)算，從河道水面比降、近岸流速、主流流速以及流速變化影響范圍等方面進(jìn)行分析研究。

結(jié)果表明，工程建設(shè)后河道最大水位壅高值約0.06m，洪水期及中、枯水期的流速僅在施工水域略有增加，增加幅度最大僅為0.03m/s（枯水期）。因回填土將原有不規(guī)則邊岸進(jìn)行規(guī)整，有利于該段整體流場的穩(wěn)定以及斜流作用的減弱，使得修建工程后施工河段的右岸附近流態(tài)較未修建前更為穩(wěn)定，保持順河而下，未出現(xiàn)回流以及泡漩等不利流態(tài)。在枯水期流速影響范圍大致在上下游400m范圍內(nèi)。

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