栗銘陽 張寶森 方國華 汪自力

（1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098）

0 引 言

透水樁壩作為一種新型河道整治建筑物，其施工方便快速，物料好選且經(jīng)濟實用。在實際工程中阻擋過流產(chǎn)生阻水作用，具有緩流效果，促使含沙水流在其壩后落淤造灘，營造新的水流邊界條件，從而達(dá)到控導(dǎo)河勢固灘保堤的目的[1-3]。由于其具有基礎(chǔ)埋深大、堅固不搶險、壩后可緩流落淤、大洪水還可漫頂行洪等特點而受到治黃工作者越來越多的關(guān)注。目前已在河南境內(nèi)的韋灘工程、孤柏嘴工程、張王莊工程、東安工程中等得到了應(yīng)用[4]。透水樁壩在設(shè)計時是作為不搶險建筑物，但在實際運行過程中由于復(fù)雜的水流條件，樁壩混凝土結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重，相鄰樁壩間泥沙淤積，堵塞了樁壩間的過流通道，降低了樁壩的緩流落淤效果。因此，研究透水樁壩在實際運行下的緩流效果很有必要。

混凝土管透水樁壩的治河理念為“以壩護(hù)彎、以彎導(dǎo)流”，透水樁壩按照設(shè)計時的布置以一定的樁間距沿治導(dǎo)線成排排列，相鄰樁壩間隔布置一方面可束窄過流通道，使水流在樁壩周圍形成緩流從而減緩流速，另一方面也讓樁壩有一定的透水性，在遇到大流量水流時也能確保流態(tài)穩(wěn)定，減小對河岸的淘刷[5]。姚文藝等[6]通過河工動床模型試驗對透水樁壩緩流效果進(jìn)行研究，認(rèn)為樁壩的透水率越大緩流作用越差。周慶生[7]通過模型試驗研究，對影響緩流落淤效果不同因素進(jìn)行分析，得出最有利于透水樁壩緩流的透水率為20.4%。郭江麗[8]對不同的樁壩工程進(jìn)行評價，認(rèn)為混凝土管樁緩流作用顯著，能有效減緩河岸淘刷?？紤]到物理試驗的復(fù)雜性，使用MIKE21 FM研究水工建筑物的運行情況已經(jīng)成為近些年的熱點。鎖曉南等[9]利用MIKE21對黃河四排口河段的丁壩進(jìn)行了洪水演進(jìn)模擬，分析了丁壩附近的流場情況。王新強[10]基于MIKE21 FM建立木蘭溪下游二維數(shù)學(xué)模型，仿真計算閘下水位流量關(guān)系，為水閘消能防沖設(shè)計提供依據(jù)。汪然等[11]使用MIKE21建立基于河道及潁河蘆華圩堤防的二維水流數(shù)學(xué)模型，對蘆華圩3種規(guī)劃退堤方案的局部流場進(jìn)行研究，為堤防退堤方案設(shè)計提供了參考。然而，對于透水樁壩在工程中實際應(yīng)用的數(shù)值模擬研究嚴(yán)重缺乏，本文以東安工程為原型，采用數(shù)值模擬方法對東安透水樁壩實際運行的水動力條件進(jìn)行研究。

筆者利 用MIKE21 FM 軟件，基于2021 年1 月1 日至4 月12 日花園口水文站水文數(shù)據(jù)構(gòu)建了東安工程透水樁壩二維水動力模型，對比分析了修筑透水樁壩前后河道的水動力特征的變化，對東安工程的緩流效果進(jìn)行研究。研究成果可為透水樁壩的設(shè)計和實際運行提供參考。

1 MIKE21 FM模型構(gòu)建

1.1 工程概況

東安工程位于河南省焦作市武陟縣南部（圖1），地理位置為東經(jīng)113°24′9″、北緯34°59′20″，工程河段隸屬黃河下游河段，上起棗樹溝河口、下訖黃河中游的終點桃花峪，流域面積約為18.32 km2。工程河段屬于游蕩河型，其平面形態(tài)為藕節(jié)狀。棗樹溝到北竹園村河段河道較窄，在北竹園村處有支流沁河匯入黃河，北竹園村到桃花峪大橋河段較寬，且河勢變化大，為弓形河道。

圖1 東安工程河道

東安工程所處河段從20世紀(jì)80年代開始有計劃地進(jìn)行了整治。按照控導(dǎo)主流、護(hù)灘保堤的方針，采用因勢利導(dǎo)，以壩護(hù)灣、以灣導(dǎo)流的方法整治中水河槽。在棗樹溝控導(dǎo)工程、東安透水樁壩工程束縛下，該河段已成為人工控制的彎曲性河段。

東安工程采用單排鋼筋混凝土灌注樁結(jié)構(gòu)，灌注樁直徑0.8 m、樁長29 m，相鄰樁中心間距1.2 m。樁壩上部設(shè)有工作便橋，工作便橋上布置有欄桿、扶手，欄桿采用立方體樁式結(jié)構(gòu)，扶手采用鏈接式，建造時對兩兩相鄰的樁壩進(jìn)行連續(xù)梁澆筑，形成連續(xù)的樁排。工程始建于2000 年，運行使用過程中，在原基礎(chǔ)上延伸，直到2020 年整體完工，最后一次擴建由原始長度5 748 m擴大至6 714 m，長度增加了966 m。東安樁壩在多年運行下混凝土結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重，相鄰樁間泥沙淤積，堵塞了樁壩間的過流通道，降低了樁壩的緩流落淤效果。樁壩連線的中軸線也在水流的長期作用下發(fā)生偏移[12]。此外，于2021年4月11日前后兩次出險，出險時根據(jù)花園口水文站記錄，流量為995 m3/s，在小流量作用下透水樁壩連續(xù)兩次發(fā)生樁排倒塌，據(jù)現(xiàn)場拍攝視頻顯示，出險時透水樁壩本身鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞，向河岸側(cè)整體倒塌。

1.2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.2.1 研究方法

MIKE21 FM 水動力模型的控制方程是基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程。

二維非恒定淺水方程組為：

式中：t為時間；x，y為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；η為水位；d為靜止水深；h=η+d為總水深；u、v分別為x、y方向上的速度分量；f是哥氏力系數(shù)，f=2ωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；g為重力加速度；ρ為水的密度；sxx、sxy、syy分別為輻射應(yīng)力分量；S為源項；vs(us，vs)為源項水流流速。

Tij為水平黏滯應(yīng)力項，包括黏性力、紊流應(yīng)力和水平對流，這些量是根據(jù)沿水深平均的速度梯度用渦流黏性方程得出的：

1.2.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用的地形數(shù)據(jù)為無人船搭載多波束測深儀現(xiàn)場測量的水下地形數(shù)據(jù)，考慮到無人船行駛安全和測量儀器安全，選擇了水深相對較深的區(qū)域進(jìn)行測量，通過將測量數(shù)據(jù)插值得到整個計算區(qū)域的水下地形高程值。模型計算所采用的流量資料為花園口水文站實測資料，2021 年1 月1日至4月12日流量過程見圖2。

圖2 花園口水文站流量過程

1.3 MIKE21 FM模型建立及驗證

將實測地形資料進(jìn)行插值，模型上游邊界位于棗樹溝河口，采用花園口實測流量作為邊界條件，下游邊界位于桃花峪，邊界條件設(shè)置為自由出流。考慮到河道形狀變化起伏較大，但地形起伏不大，采用三角形網(wǎng)格對模擬區(qū)域進(jìn)行劃分，水流在透水樁壩位置流動時存在能量耗散，為體現(xiàn)水流的、黏滯效應(yīng)[13]，對重點研究區(qū)域采用矩形網(wǎng)格局部加密，該數(shù)學(xué)模型計算網(wǎng)格由13 458 個節(jié)點、25 024 個網(wǎng)格組成，流域內(nèi)共有東安工程單樁4 921個，生成的網(wǎng)格模型見圖3。模型糙率n 取0.032，模型模擬的時段為2021 年1 月1 日8 時至2021 年4 月12 日8 時，模擬的時間步長為300 s，模擬步數(shù)為29 088步。本次研究不考慮支流沁河的影響。

圖3 東安工程地形網(wǎng)格及樁壩位置圖

將模擬結(jié)果與在4月12日上午利用無人船搭載ADCP測量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，斷面1、2、3、4的位置見圖4。斷面1位于透水樁壩發(fā)生倒塌的位置，此外分別以30 m為間距，得到斷面2、3、4。起點距為順?biāo)鞣较蚓嗫陂T起始點的距離，模擬值與實測值的比較見圖5。

圖4 斷面位置

圖5 數(shù)學(xué)模型與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對比

由圖5知，河道斷面點流速分布模擬值與實測值存在偏離，模擬的點流速分布曲線比現(xiàn)場測量曲線顯得稍加尖銳。

在模型“口門”處斷面1上，模擬點與實測點的擬合效果較好，最大流速差僅為0.16 m/s；斷面2模擬點的斷面流速分布總體大于測量點，流速最大處的流速偏差量最大，為0.34 m/s。斷面3、斷面4離“口門”較近，模擬結(jié)果的斷面流速分布與實測值相差不大，但變化趨勢有所區(qū)別，偏離的最大值分別為0.21 m/s、0.19 m/s。流速誤差分析結(jié)果見表1。

表1 各斷面平均流速誤差分析

由表1 可知，4 個斷面平均流速分布的模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量的結(jié)果相對誤差在0.56%～8.55%，“口門”附近，模擬值與實測值的擬合較好，斷面平均流速差為0.014 m/s，相對誤差為0.79%，即經(jīng)分析，本次數(shù)值計算能較好地模擬東安工程河道的水動力特性。

2 東安工程作用效果分析

2.1 對河道水深的影響

為研究出險河段的變化趨勢，選取透水樁壩出險處斷面1取平均值進(jìn)行研究。從圖6可以看出，水深在1月呈下降趨勢，在1月底、2月初達(dá)到最小值，2月呈上升趨勢，3月水深變化幅度較大，上旬呈波浪狀上升，于3 月17 日到達(dá)峰值9.8 m之后急速下降并穩(wěn)定在8.5 m左右。

圖6 出險河段水深變化

透水樁壩修建后會使河段的水深發(fā)生變化，透水樁壩減小了河道的過流面積，占用了過流通道，水流阻力增大，樁壩附近的河流動力變化較大，造成河道一定范圍內(nèi)產(chǎn)生壅高[14]，圖7為透水樁壩修建后的河道壅水等值線圖。從圖7可以看出，在樁壩的上下游處產(chǎn)生不同程度的壅水，在出險位置處水深變化較大，河道轉(zhuǎn)折處上游產(chǎn)生壅水，下游產(chǎn)生跌水，與河道收窄、過流斷面減小、流速增大有關(guān)。此外，在河道轉(zhuǎn)折處水深變化情況最復(fù)雜，最大壅水位于出險位置附近。典型位置壅水高度見表2。

圖7 透水樁壩修建前后壅水等值線圖

表2 壅水高度m

2.2 對河道流速的影響

在2021年1月1日至4月12日的來水條件下，東安工程斷面1平均流速值在0.4～1.8 m/s 變化。1月流速變化不大，穩(wěn)定在0.5 m/s左右，于1月15日達(dá)到最小值，10-14日、16-20日有小幅度波動，但總體呈減小趨勢；2月流速持續(xù)增加；3月流速波動較大，在3月2-19日流速甚至出現(xiàn)近似于“M”狀的循環(huán)變化趨勢，之后直到出險時間點，流速變化幅度較平緩，流速變化與水深變化類似。出險位置流速變化見圖8。

圖8 出險位置流速變化

為了研究透水樁壩實際緩流作用，分別對1 月12 日、2 月12 日、3 月12 日、4 月12 日有無透水樁壩這兩種工況進(jìn)行對比，圖9 為出險工程段的兩種工況流速對比圖，透水樁壩附近的流速變化等值線均為負(fù)值，表明水流在該處流速下降，在出險位置處緩流作用最為明顯，流速減小值最大。此外，河道內(nèi)修建透水樁壩后，除在樁壩附近產(chǎn)生較明顯的緩流作用外，還在河道轉(zhuǎn)折位置產(chǎn)生小范圍的加速區(qū)。出險位置在1月12日、2月12日、3月12日、4月12 日的流速變化分別為-0.22 m/s、-0.20 m/s、-0.48 m/s、-0.44 m/s。

圖9 樁壩修建前后流速變化等值線圖

由于樁壩的阻礙作用使水流流速減小，樁前后的河流動力發(fā)生變化。為了進(jìn)一步研究樁壩的緩流效果，在模型中設(shè)置采樣點（圖10），樁前后共有20個計算點，共計10組。

圖10 采樣點位置分布

將各個采樣點模擬全時段共計29 088 個流速點的緩流效果并取其平均值，緩流效果計算公式為：緩流效果=（壩前流速-壩后流速）/壩前流速×100%[15]，10組采樣點的緩流效果計算結(jié)果見表3。

由表3 可知，第6 組、7 組采樣點平均緩流效果最好，達(dá)到15%左右。第6 組、7 組采樣點位于出險位置附近，而8 組、9組采樣點靠近河道轉(zhuǎn)折段，對比其他組測驗點的緩流效果可以看出，出險位置附近緩流效果最明顯，且靠近轉(zhuǎn)折處透水樁壩的緩流效果明顯高于非轉(zhuǎn)折河段。

表3 緩流效果

3 結(jié) 論

本文以東安透水樁壩工程為研究對象，使用MIKE21 FM水動力模型，分析了東安工程對河道水動力條件的影響情況，以花園口水文站實測流量，模擬了2021年1月1日至2021年4月12日東安工程河道的運行情況，結(jié)論如下：

（1）MIKE21 FM軟件能較好地模擬透水樁壩工程，模擬斷面流速與實測斷面流速最大誤差在8.55%左右，模擬結(jié)果比較理想，結(jié)果可為其他河道整治工程的數(shù)值模擬提供參考。

（2）東安工程出險位置從3 月中旬至4 月初水深變化較大，4月至出險時間點水深變化較平穩(wěn)。透水樁壩束窄了過水通道，在河道內(nèi)產(chǎn)生壅水，出險位置附近壅水高度最大，最大壅水高度達(dá)0.02 m。

（3）透水樁壩具有緩流效果，在出險位置附近緩流作用最為明顯，流速減小值最大。通過對10組測驗點進(jìn)行計算，出險位置附近最大緩流效果達(dá)15.56%，轉(zhuǎn)折河段緩流效果在13%左右，其他位置緩流效果約為10%。