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        基于MIKE-21新沂河海口樞紐加固工程分流比研究

        2022-07-16 15:56:42李銘杰
        海河水利 2022年3期
        關鍵詞:設計標準行洪過流

        李銘杰

        (江蘇省淮沭新河管理處,江蘇 淮安 223001)

        分汊河道屬于沖積河道內(nèi)比較普遍的一種平面形態(tài)。分流比參數(shù)改變時容易導致各級支汊出現(xiàn)變化,同時也影響著河道的防洪、航運等安全問題[1-4]。在含有分汊河段的河道管理中,分流比的關注度逐步提高,相關的研究也在持續(xù)增多。分流比變化時會產(chǎn)生多方面影響,導致河道下游在水源利用以及防洪等方面出現(xiàn)較多問題[5-8]。

        新沂河口地形較上一次物模試驗已發(fā)生較大變化,閘前導流堤、各閘底板均發(fā)生不同程度的沉降。因匯流方式的改變,受到水流沖刷等因素影響,分流口、閘下港道等形成一定的淤積,灘地與深泓糙率也有變化。結合2019 年8 月行洪監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn),相對于設計值,實際分流比出現(xiàn)了顯著變化,中深泓行洪能力難以滿足運行要求。采用MIKE-21 探究了該工程分流比改變原因,重新校核控制斷面水位是否滿足標準,為新沂河口下一步治理提供理論依據(jù),研究成果可為相關工程提供參考。

        1 數(shù)值模型與計算參數(shù)

        研究中采用了二維洪水演進模型,基于MIKE-21 工具開展研究,有效模擬出水面在道路、小區(qū)、綠地、河道等不同地形狀況下漫流過程。模擬結果以數(shù)據(jù)、表格、圖像、動畫等形式輸出,可以直觀進行分析和應用,內(nèi)容包括洪水水量的空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時。在二維水動力學模型中涉及連續(xù)、動量2種方程,如下所示。

        式中:H代表水深(m);Z代表水位(m);B為地面高程(m),Z=H+B;M和N分別為x和y方向的單寬流量(m2/s);u和v分別為x和y方向上的流速分量(m/s);n為糙率系數(shù);g為重力加速度(m/s2);q為源匯項。

        方程沒有考慮科氏力和紊動項的影響。依據(jù)河段具體情況來設置模型邊界,具體包括左右、上下邊界,分別對應著兩側河堤、138+000—灌河邊界,河道總長保持在8 km 上下。此次研究結合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)確定灌河概化控制水位如下所示:下游高、中、低水位分別是4.00、0.88、-2.15 m,本次計算主要研究在高水位下深泓的過流能力,因此下游控制水位取4.00 m。上游邊界為50 a一遇洪水7 800 m3/s。

        針對模型分流比等進行檢驗,利用2019 年8 月行洪監(jiān)測信息,并且利用了糙率參數(shù)。糙率取值參考南京水利科學院編制的《新沂河二期工程??诳刂茢U建模型試驗研究》中的設計糙率,泓道n=0.020,閘上灘地n=0.030,閘下灘地n=0.040。結果顯示,計算的分流比與行洪監(jiān)測結果基本一致,最高誤差僅為3.53%,因此可以用于模擬各深泓的過流情況,模型計算范圍如圖1所示。

        圖1 模型計算范圍

        2 計算模型驗證

        現(xiàn)狀地形下,上游流量為5 480 m3/s,下游水位為1.67 m。該工況與2019年8月行洪監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合,然后將測量的結果和計算數(shù)據(jù)進行對比,根據(jù)得到的結果確定模型是否達到了預期效果,計算結果詳見表1。結合表1中的信息可知,測量數(shù)據(jù)和計算結果基本是一致的,存在偏差最大的是北深泓,具體為3.53%,其他2 個位置的偏差相對較小,偏差總體處于較小的范圍內(nèi),通過該模型可以有效對深泓過流狀況進行模擬分析。

        表1 率定工況分流比計算結果

        3 計算結果分析

        3.1 現(xiàn)狀地形下的計算結果

        此次研究中主要采用了2 種現(xiàn)狀地形,分別是行洪前、后地形,具體如圖2所示,相對于設計方案,現(xiàn)狀河道斷面出現(xiàn)了顯著變化。其中,分流魚嘴處偏向南、北深泓方向河底高程相對較小,中深泓方向明顯更高。在2019 年8 月行洪沖刷之后,各個深泓閘下引河均受到?jīng)_刷,但是沖刷程度不同,沖刷最大的是北深泓河底。其他部位高程在沖刷之后并未出現(xiàn)顯著變化,具體結果如圖2所示。

        圖2 行洪前后地形

        在研究過程中需要對邊界條件進行合理設置,其中上游設計50 a 一遇洪水流量為7 800 m3/s、下游潮位為4.00 m?;谠摴r對深泓分流比等進行校核分析,最終得到結果詳見表2。根據(jù)結果可知,相對于設計值,實際分流比存在顯著偏差。在流量上也存在類似問題,相對于設計值,北深泓、南深泓流量明顯更高,然而中深泓并未達到設計要求。沖刷之后在一定程度上提高了中深泓分流比,使得其過流能力有所改善,然而相對于設計值依然存在顯著偏差。各個位置的水位變化情況如圖3所示,在沖刷前、后的控制斷面141+000水位分別是5.28、4.99 m,出現(xiàn)了顯著變化,已經(jīng)達到控制水位(5.12 m)標準。由此可知,沖刷在一定程度上降低了控制斷面水位。沖刷前后的分流比計算結果,詳見表2。

        表2 地形圖基本等高距 m

        表2 沖刷前后分流比計算結果

        圖3 沖刷前后模型內(nèi)水位

        3.2 模擬地形下的計算結果

        在本次研究中分析了影響分流比的因素,重點研究了分流口、閘上下游引河河底高程影響,設計了不同方案。方案1:對魚嘴和閘上引河進行開挖,達到-5 m高程,具體涉及魚嘴上游200 m到3個節(jié)制閘段,其余部位不進行處理;方案2:開挖中深泓閘下引河,達到-5 m高程,其余部位不進行處理;方案3:前2種方案均采用,其余部位不進行處理。針對上述3種方案進行計算分析,最終得到結果詳見表3—5。

        由表3 可知,在開挖之后分流比出現(xiàn)了不同變化,其中南深泓與北深泓均減小,而中深泓提高。相對于現(xiàn)狀地形并未出現(xiàn)顯著變化,中深泓分流比也沒有達到設計標準。根據(jù)上述結果可知,分流比與分流魚嘴及閘上引河開挖之間的關系不大,并未出現(xiàn)顯著變化。在開挖之后能夠有效地提高各深泓過流能力,141+000 水位為4.91 m,可以達到設計標準(設計控制水位5.12 m)。根據(jù)表4 可知,在開挖之后分流比出現(xiàn)了不同的變化,其中南深泓與北深泓均減小,而中深泓提高,并且已經(jīng)達到了過流能力設計標準。結合上述分析可知,分流比和中深泓閘下引河開挖存在顯著相關性,使得前者得到明顯的改善。各中深泓過流能力顯著提高,141+000 水位值已經(jīng)達到了設計要求。根據(jù)表5 可知,在開挖之后南深泓、北深泓分流比降低,而中深泓分流比顯著增大,在流量增量上相對于前2種方案總和更高,據(jù)此判斷應該優(yōu)先進行中深泓下游引河開挖,然后進行魚嘴開挖。開挖之后顯著提升了中深泓過流能力,141+000水位達到4.78 m,符合設計標準。

        表3 方案1分流比計算結果

        表4 方案2分流比計算結果

        表5 方案3分流比計算結果

        4 結論

        (1)根據(jù)邊界條件,上游50 a 一遇洪水流量為7 800 m3/s,下游潮位為4.00 m,南、北深泓的實際分流比相對于設計值明顯更高,而中深泓未達到設計值;另外,由于141+000 水位達到5.28 m,并未達到設計標準。

        (2)洪水行洪產(chǎn)生了顯著的沖刷作用,導致分流比出現(xiàn)了一定變化,其中南、北深泓有所降低,而中深泓顯著提高,但是仍然未達到設計值要求,在過流能力上仍然存在不足。另外,141+000 水位達到4.99 m,符合設計標準。

        (3)在中深泓閘下引河、魚嘴開挖之后,南深泓、北深泓分流比降低,而中深泓分流比顯著增大,在流量增量上提升明顯。但是2種方案的優(yōu)先級是不同的,閘下引河方案應該更高。據(jù)此判斷應該優(yōu)先進行下游引河開挖,然后進行魚嘴開挖。在開挖之后有效提升了中深泓過流能力,141+000 水位達到4.78 m,符合設計標準。

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