李 昱， 鄭宏偉， 陳玉龍， 費(fèi)照驊

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215100；2.常州市水利建設(shè)投資開發(fā)有限公司， 江蘇 常州 213000)

設(shè)計(jì)流速是區(qū)域河道達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)的斷面平均流速，應(yīng)在河道的允許流速范圍內(nèi)，同時(shí)滿足相關(guān)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的要求。允許流速是為保障河道正常運(yùn)用和安全，對水流流速規(guī)定上下限值。為保證河床及坡面不發(fā)生沖刷，設(shè)計(jì)流速應(yīng)小于規(guī)范規(guī)定的允許不沖流速[1-3]。不沖流速的限值主要參考《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，主要與河床的土質(zhì)特性以及水流的含沙量有關(guān)。蘇南地區(qū)水流含沙量較小，可按照清水渠道考慮。

太湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，考慮到征地拆遷成本，流域骨干引排工程常采用坡墻結(jié)合的方式[4-5]，即河道兩側(cè)采用直立擋墻，擋墻底板頂高程處設(shè)置平臺，平臺末端與河底放坡銜接，與灌溉排水渠道常規(guī)的梯形渠道斷面有較大的的區(qū)別，故原有的規(guī)范規(guī)定的不沖流速的限值取值取用應(yīng)開展相應(yīng)的研究探討。

流域骨干引排工程常承擔(dān)排泄區(qū)域洪水的任務(wù)，設(shè)計(jì)流量較大，且部分區(qū)域土質(zhì)以沙性土為主，抗沖能力較差，目前主要采取擴(kuò)大設(shè)計(jì)斷面或者采用沉排護(hù)砌等手段對其進(jìn)行防護(hù)，成本較高，有必要對河道的不沖流速限值進(jìn)行進(jìn)一步研究。對于沙性土而言，河道的不沖流速限值應(yīng)按照不同的水深進(jìn)行選取，水深越深，不沖流速限值越大。坡墻結(jié)合斷面平臺處水深與河底水深相差較大，該斷面流速限值的取值該如何選用規(guī)范并無明確的說明。

本文以白屈港河道整治工程為例，通過數(shù)值模擬的方法[6-7]，研究了坡墻結(jié)構(gòu)斷面下流速分布。研究表明，對于非黏性土的復(fù)式斷面河道，其允許不沖流速的計(jì)算水深可按照河底水深選取，為太湖流域骨干引排工程的斷面設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 工程概況

白屈港綜合整治工程北起長江江邊白屈港樞紐，利用白屈港現(xiàn)有河道拓浚(疏浚)至錫北運(yùn)河，新建張村水利樞紐穿過錫北運(yùn)河后，利用嚴(yán)埭港、寺頭港拓浚(疏浚)至北興塘河、木材倉庫河，河道整治全長49.23 km。

白屈港河道底高程-1.0 m，東橫河至應(yīng)天河段河道底寬為30 m，河道邊坡為1∶2.5，接至高程2.0 m平臺，平臺寬2 m，后新建鋼筋混凝土擋墻。白屈港河道標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

圖1 白屈港河道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：m)

2 河道允許不沖流速限值的選取

2.1 邊界條件

1)考慮到水流含沙量小，采用清水渠道限值。

2)沿江段河道以沙性土為主，粒徑0.05～0.25 mm。

3)計(jì)算水位按3.50 m考慮。

2.2 允許不沖流速限值

清水渠道中非黏性土的不沖流速限值與水深有關(guān)，水深越深，不沖流速限值越大，如表1所示。

表1 細(xì)沙的允許不沖流速限值表

河底處水深4.5 m，河道2.0 m平臺處水深1.5 m，河道過水?dāng)嗝嫠Π霃綖?.5 m，不沖流速限值修正系數(shù)為Rα，α取1/3，則不沖流速限值修正系數(shù)為1.52，表中限值取值均取大值。綜上所述，該段河道按河底水深考慮所得不沖流速限值為0.61 m/s，按2.0 m平臺處水深考慮所得不沖流速限值為0.52 m/s。

2.3 流速限值取值分析

對于流域骨干工程的沙性土質(zhì)區(qū)，流速限值的取值顯著影響了河道的建設(shè)投資。按不同水深計(jì)算考慮得出的不沖流速限值差別較大，相關(guān)規(guī)范并沒有明確指出該如何正確取值。如按取大值，則存在工程安全風(fēng)險(xiǎn)，如直接取小值，可能需要進(jìn)行增設(shè)大范圍的河道床護(hù)砌或者擴(kuò)大河道規(guī)模，增加工程投資。本段河道的設(shè)計(jì)流速為0.60 m/s，略小于按河底水深計(jì)算得出的不沖流速限值0.61 m/s，但是大于按2.0 m平臺處水深考慮所得不沖流速限值(0.52 m/s)，部分研究人員認(rèn)為河底處不沖流速限值取大值，護(hù)坡及平臺處不沖流速限值取最小值，折中考慮水深對流速限制的影響。

本文擬采用河底處水深對應(yīng)的不沖流速作為河道平均流速進(jìn)行數(shù)值模擬[6-7]，計(jì)算墻前平臺處流速分布情況，從而研究分析其沖刷影響。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型基本控制方程

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

3.2 數(shù)值求解方法

采用有限體積法對數(shù)學(xué)模型控制方程進(jìn)行離散，速度壓力耦合矯正采用SIMPLEC方法，動量方程采用二階迎風(fēng)離散格式，所有參量的殘差控制標(biāo)準(zhǔn)取為1.0×10-5。

3.3 計(jì)算區(qū)域、邊界條件和網(wǎng)格劃分

所建立的模型進(jìn)口處為入流邊界，根據(jù)流量和水位條件，給定入口過水?dāng)嗝娴牧魉倩蛄髁浚荒Ｐ统隹跒樗鞒隽鬟吔?，根?jù)計(jì)算工況的不同給定不同的壓力邊界條件。

圖2 河道流速分布示意圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 河道不沖流速限值取值分析

圖2為河道流速分布示意圖，由圖2可知，水流平面流速分布呈中間大，兩邊小的分布規(guī)律。當(dāng)河道斷面平均流速為0.61 m/s時(shí)，平臺處水流流速為0.44 m/s，小于按2.0 m平臺處水深考慮所得不沖流速限值(0.52 m/s)。綜上可知，當(dāng)整個(gè)河道斷面的設(shè)計(jì)流速達(dá)到渠道的允許不沖流速時(shí)，因受側(cè)壁影響，流速沿橫向流速分布呈中間大兩邊小的規(guī)律，平臺處近壁面，流速較小，無法按照較淺水深考慮所得不沖流速限值，故而無需對平臺和坡面進(jìn)行防護(hù)。

4.2 河道不沖流速限值的取值探討

河道水流在橫斷面的流速分布規(guī)律是研究河道沖刷情況的基礎(chǔ)。天然河道流速分布的影響因素眾多，不同的河道斷面形狀、水流含沙量、土層性質(zhì)，河道斷面流速都會展現(xiàn)出不同分布情況。對于沙性土而言，其沖刷特性主要取決于其土質(zhì)顆粒的啟動流速，但是受限于影響因素太多，工程上無法準(zhǔn)確地測量近壁面的流速情況，故規(guī)范上統(tǒng)一采取設(shè)置斷面平均流速限值的方式判斷河道的運(yùn)行安全性。

《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中不沖流速的限值隨著水深的加大而減小，本質(zhì)上是考慮水流流速受黏滯力的影響，河道水深越大，河底流速越小。根據(jù)相關(guān)研究，對于寬淺河道，其流速分布基本按照對數(shù)和指數(shù)2種分布規(guī)律，對于窄深斷面河道，流速分布將產(chǎn)生較大的變形，說明河道壁面條件的變化對流速分布會產(chǎn)生較大的影響[8-10]。規(guī)范規(guī)定的相關(guān)不沖流速限值是基于常規(guī)梯形或矩形過水?dāng)嗝嫣岢龅?，與蘇南地區(qū)的復(fù)式斷面差距較大，應(yīng)進(jìn)一步研究探討。

對于本區(qū)域骨干引排工程而言，河道口寬一般較寬，但是兩側(cè)過水平臺處水深較淺，受兩側(cè)壁面影響，主流集中情況更顯著，平臺處流速與主流最大流速比值為0.62，墻前平臺處流速與斷面平均流速相比顯著減小。當(dāng)按照規(guī)范選取不沖流速限值時(shí)，可不考慮平臺處水深對于不沖流速限值取值的影響。

5 結(jié) 語

(1)對于非黏性土的復(fù)式斷面河道，其允許不沖流速的計(jì)算水深可按照河底水深選取。

(2)蘇南地區(qū)流域骨干引排工程的不沖流速限值的選取應(yīng)按照區(qū)域河道斷面特性進(jìn)行進(jìn)一步分析研究，在確保河道安全的前提下進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。