王 凱，計(jì) 勇，王 寅，張 潔，岑奕興，葉 群

(南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

溢流堰是一種常見的河流水工建筑物，具有抬升上游水位，減緩局部流速等作用[1]。在比降大的山溪河流中，溢流堰會以一定間距連續(xù)布置在河道斷面上，這種梯級溢流堰組合結(jié)構(gòu)不僅具有增加河床阻力、控制河床下切的作用，對維持河流相對穩(wěn)定和多樣性的水生棲息地環(huán)境也有著顯著的效果[2-3]。然而山區(qū)河道在泥沙輸運(yùn)、紊動流場和床面變化之間的相互作用十分復(fù)雜[4]，較少有文獻(xiàn)分析梯級水工建筑物條件下河流流態(tài)。袁河是贛江下游左岸的一級支流，發(fā)源于萍鄉(xiāng)市瀘溪縣麻田鄉(xiāng)境內(nèi)的白鶴峰北麓，主河道長273 km，其間有2座大型水庫、多座水閘和攔河壩等梯級水工建筑物。袁河新泉鄉(xiāng)段位于武功山腳下，坡陡流速大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較差，部分河段河床及岸堤沖刷嚴(yán)重，該河段治理過程中，修建有5座低水頭攔河溢流堰。本文研究梯級溢流堰對袁河新泉鄉(xiāng)段水域水動力特性的影響，有利于明晰該區(qū)域已建梯級攔河堰布設(shè)對當(dāng)前環(huán)境下防洪能力及對洪水的抗沖作用，以優(yōu)化水工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)，為該區(qū)域河道治理提供科學(xué)參考。

1 計(jì)算方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)域位于袁河上游新泉鄉(xiāng)段，河段全長3.6 km，工程下游控制斷面以上流域面積142 km2，平均比降0.9%，河床基本為卵石覆蓋，屬于典型的山溪型卵石質(zhì)河段，河岸地基下部為砂類土及卵礫石，上部以薄層砂壤土為主。建有5座攔河溢流堰及部分護(hù)岸工程，但多數(shù)年久失修，風(fēng)化剝蝕、沖蝕嚴(yán)重。例如，2號堰下游河道中巨石局部區(qū)域形成顯著沖坑，影響河道局部形態(tài)結(jié)構(gòu)；4號堰下游河床沖刷嚴(yán)重，消力池末端基礎(chǔ)掏空出現(xiàn)斷裂，右岸護(hù)坡出現(xiàn)崩塌等現(xiàn)象；5號堰上游河床淤積嚴(yán)重，河床已基本與堰頂齊平，如圖1所示。

圖1 袁河新泉鄉(xiāng)段區(qū)域位置及溢流堰布置示意

1.2 數(shù)學(xué)模型

袁河新泉鄉(xiāng)段屬于寬淺型河道，其平面尺度遠(yuǎn)大于垂向尺度。采用基于三向不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程，服從布辛涅斯克假設(shè)和靜水壓力假設(shè)，模型平面采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，應(yīng)用有限體積法對空間離散[5]，應(yīng)用Roe格式的近似Riemann解法計(jì)算單元界面的對流流動[6]，淺水方程的紊動黏性項(xiàng)采用單元交界面的平均值進(jìn)行估算[7]，底坡源項(xiàng)采用特征分析法處理[8]，具體求解過程參見文獻(xiàn)[7]。水流數(shù)值模型的控制方程為

(1)

(2)

(3)

1.3 溢流堰參數(shù)

溢流堰基本情況如表1所示。

表1 溢流堰基本情況 m

模型中將水工建筑物(堰)視為內(nèi)邊界條件，構(gòu)造內(nèi)邊界方程，則水工建筑物的過流總量等于上通量的累加[9-10]，即

(4)

式中，Q為水工建筑物的過流總量；m為被貫穿網(wǎng)格邊個(gè)數(shù)；Mi和Ni分別為內(nèi)部邊界i邊在x和y方向上的流量通量；(Δx)i和(Δy)i分別為i邊兩頂點(diǎn)在x和y方向上的坐標(biāo)增量。

1.4 沖刷分析計(jì)算

采用《堤岸設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式[11]，即

hs=H0[(Ucp/Uc)n-1]

(5)

式中，hs為局部沖刷深度；H0為沖刷處水深；Ucp為近岸垂線平均流速；Uc為泥沙起動流速。

采用沙玉清公式計(jì)算起動流速[12]，即

(6)

式中，Ve為泥沙起動流速；h為水深；d為泥沙粒徑；ε為孔隙率，其穩(wěn)定值約為0.4。

2 模型求解

2.1 網(wǎng)格剖分及工況設(shè)置

袁河新泉鄉(xiāng)段計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，河道網(wǎng)格數(shù)為3 852，網(wǎng)格最大步長為4 m，如圖2所示。采用十年一遇洪水，分析河道有(無)布置溢流堰水動力特征。

圖2 袁河新泉鄉(xiāng)段計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)剖分示意(單位：m)

2.2 邊界條件

上游模型進(jìn)口邊界條件取P=10%設(shè)計(jì)頻率下的洪峰流量，袁河上游入口控制斷面流量285 m3/s，新泉溪支流匯入流量72 m3/s；下游模型出口邊界條件采用曼寧公式推求出口斷面處的水位、流量關(guān)系，計(jì)算下游出口斷面處設(shè)計(jì)洪峰流量對應(yīng)水位250.3 m；新泉鄉(xiāng)交匯口下游200 m處小型水電站進(jìn)出口概化為開邊界，給出進(jìn)水口流量10 m3/s與出口水位251 m；固定邊界：法向流速為0，水流邊界的切向流速不為0，采用壁面函數(shù)處理；初始條件：給出計(jì)算區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)初始時(shí)刻水深、流速等物理的初值。

2.3 參數(shù)設(shè)置選取

山溪河道河床糙率一般為0.030～0.040[9，10]，采用附加糙率的計(jì)算方式通過水深對糙率進(jìn)行調(diào)整[13-14]。水平渦粘系數(shù)取默認(rèn)值0.28，干水深為0.005 m，淹沒水深為0.05 m，濕水深度為0.1 m。

2.4 模型驗(yàn)證

采用實(shí)測資料的計(jì)算洪水水位進(jìn)行率定驗(yàn)證[14]，模型計(jì)算區(qū)域無水文站點(diǎn)等實(shí)測水文資料，故將布置5座溢流堰工況下水位計(jì)算結(jié)果與河道綜合治理可研報(bào)告中治理河段各斷面設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行對比分析。表2為各斷面模擬水位值與設(shè)計(jì)水位對比驗(yàn)證，從表中數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)率定計(jì)算值與設(shè)計(jì)值吻合較好，絕對誤差與相對誤差均在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證結(jié)果總體上符合模擬精度要求。

表2 典型過水?dāng)嗝嫠挥?jì)算值與設(shè)計(jì)值對比(P=10%)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 水位特征

圖3為袁河新泉鄉(xiāng)段布置梯級攔河溢流堰實(shí)施前后十年一遇洪水情況下水位、水深沿程變化情況。在無堰運(yùn)行時(shí)，水位沿程變化表現(xiàn)較為穩(wěn)定，無大落差突變斷面，河段主河道內(nèi)平均水深為1.95 m，最大水深為2.4 m，最小水深為1.2 m。增加溢流堰模擬結(jié)果顯示，主河道平均水深增加至2.44 m，水面高程及水深分布以溢流堰為界，各溢流堰處上下游形成明顯的水位差，最大落差出現(xiàn)在4號堰處約1.6 m，其次2號堰處水位落差約為1.2 m，3號堰由于與2號堰布置間距較近，受2號堰雍水影響，最小落差出現(xiàn)在3號堰處約0.2 m。

圖3 袁河新泉鄉(xiāng)段計(jì)算區(qū)域沿程水面變化

結(jié)合統(tǒng)計(jì)及理論分析，工程后梯級溢流堰的布置抬高了局部河底高程，增加河床阻力，使水位整體表現(xiàn)為抬升，且溢流堰上游相較與下游水位雍高更為顯著，雍高值隨堰高的增加而增加，受地形比降影響形成回水區(qū)長度在200～500 m之間。最大雍水高度出現(xiàn)在4號堰上游靠近堰體附近，水深由1.2 m增加至3.2 m，其次2號堰上游水深由1.6 m增加至3.2 m，根據(jù)沿程水面線與河岸、河底高程對比，2號堰與4號堰上游局部河道處于高水位運(yùn)行，接近堤頂，增加了河道防洪壓力，存在一定的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 流速變化

基于梯級溢流堰實(shí)施前后的流速對比見圖4，無堰運(yùn)行時(shí)，河道平均流速為3.47 m/s，此時(shí)，河道最大流速發(fā)生在支流交匯口下游大坡降且河道匯流束窄處約為5 m/s。增加溢流堰模擬結(jié)果顯示，此時(shí)河道平均流速為2.32 m/s，河道整體流速表現(xiàn)為顯著下降，且溢流堰上游流速下降較下游更加顯著，如1號堰上游最大流速由4.8 m/s下降至1.5 m/s，2號堰上游最大流速由4.8 m/s下降至1.5 m/s，4號堰上游最大流速由3.6 m/s下降至2.5 m/s，有利于河岸及河床穩(wěn)定性。

圖4 布置溢流堰后河道流速等值線

結(jié)合水位變化分析可知溢流堰上下游存在較大水頭差，堰下游局部流速下降幅度較小，如1號堰、4號堰下游流速變幅在±0.4 m/s之間，該區(qū)域易受到洪水沖刷侵蝕；但當(dāng)梯級溢流堰布置間距較近，形成“階梯-深潭[15-16]”結(jié)構(gòu)，如1號堰、2號堰及3號堰組合布置，能夠有效消減水流動能，使其區(qū)間內(nèi)流速顯著降低?？梢?，溢流堰的存在，對水流起到滯緩作用，水域流速分布表現(xiàn)為堰上流速小、堰下流速大，邊灘小、深槽大的特點(diǎn)，梯級溢流堰組合布置形成“階梯-深潭”結(jié)構(gòu)，對工程水域流態(tài)具有局部調(diào)整作用，改變了原河道的水動力特性分布格局。

3.3 沖刷分析

根據(jù)沖刷分析公式計(jì)算各典型斷面的泥沙起動流速、護(hù)岸沖刷深度，結(jié)果見表3。分析可知，粒徑越大，啟動流速越大，沖刷深度越??；局部水深越大，啟動流速越大，沖刷深度越?。恍羞M(jìn)水流速度越小，沖刷深度也越小。相應(yīng)的定性關(guān)系符合理論分析。

表3 典型斷面河床起動流速及沖刷深度(P=10%)

結(jié)合水位與流速計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在各典型斷面無布置溢流堰情況下，計(jì)算起動流速在1.67～2.63 m/s，均小于河道行進(jìn)水流速度，且此時(shí)受河床影響，主流擺動較大，水深較小，易形成較大的迎沖角，將對近岸產(chǎn)生局部沖刷，沖刷計(jì)算深度為0.99～1.51 m，其中最大沖刷深度在12號斷面處，為1.51 m。在各典型斷面修建溢流堰情況下，計(jì)算起動流速在1.55～2.57 m/s，沖刷深度在-0.82～0.23 m之間，沖刷深度大幅下降，部分河道還有淤積可能。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測地形數(shù)據(jù)與工程設(shè)計(jì)原河床高程對比分析發(fā)現(xiàn)，5號堰(15號斷面)位于梯級溢流堰第一級階梯處，該處局部沖刷深度計(jì)算值為-0.57 m，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)其淤積作用最為明顯；其次2號溢流堰(6號斷面)上游段接近新泉溪支流下游，支流匯入流量流速增大，該處局部沖刷深度計(jì)算值為0.23 m，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該處有多個(gè)約1 m深的沖坑。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及分析，在各典型斷面修建溢流堰能夠有效降低上游流速，減緩水流的沖刷作用。在各堰下游河道中，水流經(jīng)過堰頂發(fā)生自由跌水或表面射流，沖擊下游河床形成沖坑，使得水流在急流和緩流間交替，此過程中水流紊動強(qiáng)烈，水流內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦摻和作用，消耗大量的水流能量，達(dá)到消能效果[17]。但在沖坑發(fā)育過程中，河床基礎(chǔ)變形較大，導(dǎo)致4號堰下消能防護(hù)建筑結(jié)構(gòu)損毀，1號堰和4號堰下游局部區(qū)域由于地形落差較大，下游攔河溢流堰所形成的回水區(qū)長度有限，水流流速仍較大，并不能完全保護(hù)全部工程河段，如1號堰與4號堰下游分別出現(xiàn)4.0、4.5 m/s左右的高速流水區(qū)域，不利于堰體及床面穩(wěn)定，需進(jìn)一步除險(xiǎn)加固。研究河段內(nèi)整體上梯級溢流堰增大水流阻力和河床抗沖刷力，有利維持較為穩(wěn)定的河床環(huán)境。

4 結(jié) 論

(1)修筑攔河溢流堰抬高了局部河底高程，增加了河床阻力，使得河道水位整體表現(xiàn)為抬升。各堰上下游形成較大水位落差，堰上游雍水更加顯著，如2號堰與4號堰上游水位較無堰時(shí)前分別增加了1.2、1.6 m，處于高水位運(yùn)行，增加了上游河岸防洪壓力。

(2) 攔河溢流堰的存在，對水流起到滯緩作用，改變了原河道水動力特性，主河道流速明顯下降，流速分布產(chǎn)生較大的空間異質(zhì)性，表現(xiàn)為堰上流速顯著降低，堰下游流速變幅較小。

(3) 梯級溢流堰的布置使新泉段河道形成較為成熟人工“階梯-深潭”體系，使得水流在急流與緩流之間交替，水流紊動強(qiáng)烈，消耗水流能量，起到增加水流阻力，有效降低流速，防止河道沖刷，穩(wěn)定河岸結(jié)構(gòu)等作用。單在2號堰及4號堰下游局部河道中由于堰上下游水位落差較大，下游流速仍較高，存在較大水流沖刷，不利于堰體及床面穩(wěn)定，需進(jìn)一步除險(xiǎn)加固。

致謝：莫特麥克唐納咨詢(北京)有限公司上海分公司徐鴻德高級環(huán)境顧問及萍鄉(xiāng)市建筑設(shè)計(jì)院楊進(jìn)輝院長為野外考察及研究工作提供了指導(dǎo)與幫助，特此致謝。