孫宇飛

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

1 概述

大遼河系指太子河入渾河匯流口三岔河起，至河口止的一段河流，河長(zhǎng)96km。本文選擇大遼河崗皮嶺險(xiǎn)工段為例，該河段位于大遼河三岔河至田莊臺(tái)段，河段具有洪沖枯淤的特性，河道蜿蜒曲折，灘槽分明，是較典型的平原彎曲型河道，造床流量約1000～1200m3/s。該河段既受河水控制又受潮水影響，使彎道凹岸不斷上提下挫，造成塌岸，形成多處險(xiǎn)工。該險(xiǎn)工現(xiàn)狀已有防護(hù)工程，共有丁壩10座，壩間為平順護(hù)岸?，F(xiàn)狀河道及丁壩平面位置如圖1所示。

本文采用河道二維水力計(jì)算的方式，在現(xiàn)狀丁壩布置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同壩長(zhǎng)方案水力計(jì)算結(jié)果的比較，分析不同設(shè)計(jì)壩長(zhǎng)對(duì)該河段河道斷面流速分布的影響。

圖1 現(xiàn)狀河道及丁壩平面位置圖

2 計(jì)算方法及方案選擇

2.1 計(jì)算方案

本次計(jì)算是在現(xiàn)狀丁壩位置選擇不同丁壩壩長(zhǎng)的計(jì)算方案來(lái)比較不同方案下的河道斷面流速，選取的計(jì)算方案見(jiàn)表1。

表1 選擇計(jì)算方案情況說(shuō)明表

針對(duì)選取的計(jì)算方案，考慮區(qū)域河道水流力學(xué)性質(zhì)及現(xiàn)狀丁壩工程的工程特點(diǎn)，選取與該河段防洪標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的50年一遇防洪流量和河床平灘流量2個(gè)流量級(jí)作為本次水力計(jì)算的典型流量。

考慮不同計(jì)算方案對(duì)河道斷面流速影響的情況，本次選取垂直于各丁壩壩軸線共10個(gè)壩上斷面及壩上游、下游、壩間共11個(gè)壩間斷面做為觀測(cè)斷面，以比較各斷面流速分布的變化情況。鑒于大遼河主槽為主要過(guò)流區(qū)域，且丁壩均布置于河道主槽之中，因此，觀測(cè)斷面以現(xiàn)狀主槽兩端為界，選取觀測(cè)斷面位置，如圖2所示。

圖3 二維計(jì)算模型基礎(chǔ)地形示意圖

圖2 觀測(cè)斷面位置圖

2.2 計(jì)算范圍

沿大遼河自崗皮嶺村至下游盤山南塘抽水站，計(jì)算河長(zhǎng)2.4km。

2.3 地形處理

采用基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)為2013年實(shí)測(cè)1∶1000帶狀地形圖及河道大橫斷。依據(jù)實(shí)測(cè)河道地形及水力計(jì)算軟件中網(wǎng)格處理及地形插值等相應(yīng)功能，建立并插值形成計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格基礎(chǔ)地形，如圖3所示。

2.4 糙率

本次水力計(jì)算參照已有水力計(jì)算成果，結(jié)合現(xiàn)狀河道的地形、地貌、河槽組成、水流條件等特性，并考慮近年來(lái)河段地貌、植被變化及清障等因素對(duì)糙率的影響，最終確定河道糙率。主槽糙率為0.022～0.025，灘地糙率為0.09～0.13。

2.5 起點(diǎn)水位及計(jì)算流量

(1)設(shè)計(jì)洪水流量及起點(diǎn)水位的確定

大遼河50年一遇設(shè)計(jì)洪水流量為8795m3/s；起點(diǎn)水位參照已有水面線計(jì)算成果，經(jīng)線性插值確定。

(2)平灘流量及起點(diǎn)水位的確定

參照已有成果中相關(guān)論述，選擇1200m3/s作為平灘流量進(jìn)行計(jì)算，以說(shuō)明在表征綜合造床作用的平灘流量下工程區(qū)域的水流特性。平灘流量下模型的起點(diǎn)水位參照已有水面線計(jì)算成果，線性內(nèi)插確定平灘流量下模型起點(diǎn)水位。

3 洪水流量下流速分布影響分析

3.1 壩上斷面

各壩上斷面不同方案下流速分布對(duì)比如圖4、5所示。由圖可見(jiàn)，由于丁壩擠占主槽行洪斷面，引起斷面流速分布變化，丁壩壩身位置普遍出現(xiàn)流速增大現(xiàn)象，隨著丁壩壩長(zhǎng)的增加，流速最大增加值位置普遍向?qū)Π秱?cè)偏移。然而丁壩壩長(zhǎng)對(duì)不同斷面的影響不盡相同。彎頂上游位置丁壩斷面(如1#、3#)隨著丁壩壩長(zhǎng)的增加，流速分布變化較大區(qū)域集中在靠近丁壩壩身位置，丁壩的挑流作用對(duì)對(duì)岸一側(cè)(即河道左岸)流速分布影響較小，3#斷面各方案下相同位置流速最大差值為1.23m/s，對(duì)岸一側(cè)相同位置流速最大差值為0.09～0.16m/s，究其原因，是因?yàn)閺濏斏嫌翁幒拥乐髁髻N近凹岸，丁壩挑流對(duì)河道凹岸主要過(guò)流區(qū)域作用較為明顯，而對(duì)河道對(duì)岸作用相對(duì)較小。

彎頂下游丁壩斷面(如8#)隨著丁壩壩長(zhǎng)的增加，流速變化最為明顯區(qū)域仍集中在丁壩壩身位置附近，而全斷面流速(包括對(duì)岸一側(cè))均出現(xiàn)了較為明顯的變化，8#斷面各方案下相同位置流速最大差值為1.84m/s，對(duì)岸一側(cè)相同位置流速差值為0.97～1.16m/s，隨著河段進(jìn)入彎頂以下，主流逐漸居中，因此丁壩擠占河道斷面對(duì)全斷面的流速分布的均產(chǎn)生了一定的影響。

圖4 洪水流量下各方案3#斷面流速分布圖

圖5 洪水流量下各方案8#斷面流速分布圖

3.2 壩間斷面

各壩間斷面不同方案下流速分布對(duì)比如圖6、7所示。由圖可見(jiàn)，壩間斷面受上下游丁壩的作用，引起各斷面流速分布呈現(xiàn)了不同程度的變化，河道凹岸一側(cè)(右側(cè))由于丁壩挑流的作用，近岸流速普遍有所減小。

不同斷面受丁壩壩長(zhǎng)影響流速分布的變化仍有其各自的特點(diǎn)：彎頂上游位置斷面(如1#+)隨著丁壩壩長(zhǎng)的增加，凹岸側(cè)流速普遍有所減小，對(duì)岸一側(cè)流速變化相對(duì)不明顯，1#斷面各方案下凹岸相同位置流速最大減小值為0.40m/s，對(duì)岸一側(cè)相同位置流速差值為-0.02～0.03m/s。

彎頂下游壩間斷面(如8#+)隨著丁壩壩長(zhǎng)的增加，凹岸一側(cè)流速仍然出現(xiàn)了不同程度的減小，對(duì)岸一側(cè)流速卻出現(xiàn)了不同程度的增加，8#+斷面各方案下凹岸相同位置流速最大減小值為0.96m/s，對(duì)岸一側(cè)相同位置流速最大增加值為1.14m/s。

圖6 洪水流量下各方案1#+斷面流速分布圖

圖7 洪水流量下各方案8#+斷面流速分布圖

4 平灘流量下流速分布影響分析

4.1 壩上斷面

各壩斷面不同方案下流速分布對(duì)比如圖8、9所示。由圖可見(jiàn)，平灘流量下，各斷面隨著丁壩壩長(zhǎng)的變化呈現(xiàn)出的斷面流速分布規(guī)律較為一致，凹岸位置隨著不同丁壩壩長(zhǎng)的阻水作用流速最大值或流速最大增加值及其位置出現(xiàn)了不同程度的變化，對(duì)對(duì)岸一側(cè)來(lái)講，丁壩的挑流作用比較明顯，各斷面流速均出現(xiàn)了較為明顯的增大。

2#斷面各方案下凹岸位置流速變化值為-0.47～0.16m/s，對(duì)岸位置流速最大增加值為0.40m/s，10#斷面各方案下凹岸位置流速變化值為-0.53～0.48m/s，對(duì)岸位置流速最大增加值為0.69m/s。

圖8 平灘流量下各方案2#斷面流速分布圖

圖9 平灘流量下各方案10#斷面流速分布圖

4.2 壩間斷面

各壩間斷面不同方案下流速分布對(duì)比如圖10、11所示。平灘流量下，各壩間斷面隨著丁壩壩長(zhǎng)的變化呈現(xiàn)出的斷面流速分布規(guī)律同樣較為一致，凹岸位置由于丁壩的阻水作用，各斷面流速均明顯減小，只是不同丁壩壩長(zhǎng)下流速最大減小值及其出現(xiàn)位置有所不同，對(duì)岸一側(cè)受丁壩挑流作用，各斷面流速均出現(xiàn)了較為明顯的增大。

2#+斷面各方案下凹岸位置流速最大減小值為0.39m/s，對(duì)岸位置流速最大增加值為0.47m/s，6#+斷面各方案下凹岸位置流速最大減小值為0.60m/s，對(duì)岸位置流速最大增加值為0.62m/s。

圖10 平灘流量下各方案2#+斷面流速分布圖

圖11 平灘流量下各方案6#+斷面流速分布圖

5 成果分析

由以上計(jì)算成果可知，洪水流量和平灘流量下丁壩壩長(zhǎng)的變化均引起河道斷面流速分布的變化。隨著丁壩壩長(zhǎng)增加，擠占主槽行洪斷面的面積也隨之增加，引起的斷面流速的變化也愈加明顯，不同流量下河段不同位置流速分布變化的特點(diǎn)也有所不同。

(1)洪水流量下，隨著丁壩壩長(zhǎng)的增加，壩上斷面壩身位置流速普遍增大，流速最大增加值位置逐漸向?qū)Π秱?cè)偏移。河道彎頂上游位置壩上斷面流速分布變化較大區(qū)域集中在壩身位置附近，對(duì)岸一側(cè)流速分布變化較小。彎頂下游位置壩上斷面壩身位置流速變化仍最為明顯，而全斷面流速分布均受丁壩長(zhǎng)度的影響出現(xiàn)了較為明顯的變化。

(2)洪水流量下，壩間斷面由于受上下游丁壩的作用，斷面流速分布呈現(xiàn)了不同程度的變化。丁壩壩長(zhǎng)越長(zhǎng)，流速分布的變化程度越為明顯。河道凹岸側(cè)壩身上下游位置受丁壩阻水挑流的作用近岸流速普遍有所減小，河道彎頂上游位置斷面對(duì)岸一側(cè)流速變化相對(duì)不明顯，彎頂下游位置斷面對(duì)岸一側(cè)流速受丁壩挑流影響出現(xiàn)了不同程度的增大，壩長(zhǎng)越長(zhǎng)，流速增加值越大。

(3)平灘流量下，壩上斷面隨丁壩壩長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)出的斷面流速分布規(guī)律較為一致。凹岸側(cè)壩身位置隨著不同丁壩壩長(zhǎng)的阻水作用流速最大值或流速最大增加值及其位置出現(xiàn)了不同程度的變化，對(duì)岸一側(cè)受丁壩挑流作用較為明顯，各斷面流速增大均較為明顯，壩長(zhǎng)越長(zhǎng)，流速增加值越大。

(4)平灘流量下，壩間斷面隨丁壩壩長(zhǎng)變化呈現(xiàn)出的斷面流速分布規(guī)律同樣較為一致。凹岸側(cè)壩身位置受丁壩阻水作用各斷面流速均明顯減小，對(duì)岸一側(cè)受丁壩挑流作用各斷面流速均明顯增加，壩長(zhǎng)越長(zhǎng)，流速變化值越大。

6 結(jié)論

丁壩壩長(zhǎng)的增加雖可降低近岸流速，防止凹岸沖刷崩退，但也會(huì)引起壩身位置流速的增加，進(jìn)而影響丁壩工程自身的建筑結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)由于丁壩的挑流作用，對(duì)岸一側(cè)流速普遍增大，會(huì)增加河道對(duì)岸岸線沖刷后退的可能。實(shí)際工程運(yùn)用中，宜根據(jù)河道水力特性，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)際經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮諸多因素，合理確定丁壩工程布置及結(jié)構(gòu)型式。

本文選擇典型河段為平原區(qū)蜿蜒型河段，文中僅考慮典型河段丁壩壩長(zhǎng)對(duì)河道斷面流速分布的影響，其余丁壩諸多影響因素及其對(duì)河道水力特性其他方面的影響仍有待進(jìn)一步研究。

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