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        基于數(shù)值模擬的山區(qū)河道治理方案應(yīng)用研究

        2022-12-26 12:02:26
        水利科技與經(jīng)濟(jì) 2022年12期

        徐 奔

        (深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518000)

        1 概 述

        我國幅員遼闊,河流眾多,河流數(shù)量達(dá)到45 203條。多年來,因降雨導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害,給當(dāng)?shù)匕傩赵斐闪司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。而且,我國山地眾多,山洪的發(fā)生也會造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。因此,針對山區(qū)河道治理方案的應(yīng)用研究,對我國山區(qū)河道治理具有十分重要的意義。

        程磊[1]基于數(shù)值模擬,對施工過程全程監(jiān)控,從而使河道治理更科學(xué)、規(guī)范。逄雅萍等[2]結(jié)合工程實(shí)際,從質(zhì)量、條件等方面出發(fā),對鋼筋混凝土擋墻等護(hù)岸方案進(jìn)行分析對比,從而選出最優(yōu)護(hù)岸結(jié)構(gòu)。高超[3]通過結(jié)合實(shí)際工況,重點(diǎn)闡述山區(qū)河道生態(tài)治理水平應(yīng)該如何提升,為后續(xù)工程提供參考。許光虎[4]結(jié)合近期山區(qū)河道治理的發(fā)展,分析格賓網(wǎng)的合理運(yùn)用,使山區(qū)河道具有安全性,可以有效帶動周邊區(qū)域發(fā)展。張堅(jiān)[5]為合理設(shè)計河道治理情況,結(jié)合工程實(shí)際,提出小型河道在暴雨洪水情況下的計算方法。史督[6]總結(jié)前人在河道治理方面的應(yīng)用與現(xiàn)狀,分析了相關(guān)技術(shù)的作用性。孫新[7]基于工程實(shí)例,對山區(qū)河道治理工程進(jìn)行分析和研究,探討其具備的優(yōu)勢和發(fā)展側(cè)重點(diǎn)。

        本文基于數(shù)值模擬對山區(qū)河道治理方案進(jìn)行研究,具體分析在去生產(chǎn)堤方案和雙防線方案下,對黃河流域艾山河道的治理情況;分析在10年一遇和百年一遇型洪水下,艾山河道的泥沙去留和防護(hù)情況,為山區(qū)河道治理研究提供參考。

        2 工程概況

        黃河對我國的發(fā)展有著舉足輕重的作用,其在歷史上多次改道,導(dǎo)致在其下游灘地被其他施工工程分成百來塊灘區(qū)。因此,對于黃河流域的治理需全面推進(jìn)。本文根據(jù)設(shè)計單位布局設(shè)置,在黃河流域第一道防線預(yù)留分洪和退水口,且主槽相鄰灘地為內(nèi)灘,防線灘地為外灘,具體情況見圖1。

        圖1 初步方案平面簡化示意圖

        黃河下游花園口到艾山,河段全長361 000 m,覆蓋面積2 853 000 000 m2。本文研究區(qū)域針對艾山河道治理情況進(jìn)行研究,其河道洪峰流量為4 331 m3/s、含沙量為60 kg/m3。由于數(shù)值模擬是河道治理方案研究的有效工具,可以有效應(yīng)對黃河下游河道情況多變且復(fù)雜的特點(diǎn),因此設(shè)計控導(dǎo)工程附近網(wǎng)格尺寸為10 m,主槽網(wǎng)格尺寸在80 m之內(nèi),灘區(qū)網(wǎng)格尺寸在200 m之內(nèi),且計算區(qū)域剖分為94 299個計算單元。其中,艾山防護(hù)堤按照11 700 m3/s流量設(shè)防。

        3 計算方案

        由于鋼筋混凝土預(yù)制樁和預(yù)制板結(jié)構(gòu)施工快、穩(wěn)定性強(qiáng)且價格便宜,因此艾山防護(hù)采用鋼筋混凝土預(yù)制樁和預(yù)制板進(jìn)行防護(hù)。數(shù)值模擬模型對于過流部位概化為溢流堰,其公式為:

        (1)

        式中:Q為過流量,m3/s;σs、ε分別為淹沒系數(shù)和側(cè)收縮系數(shù);H0為水頭差,m;B為堰頂寬,m。

        為反映不同條件下艾山灘區(qū)滯洪沉沙能力及洪水演進(jìn)情況,以兩場洪水作為入流條件,分別為洪水10年一遇型和洪水百年一遇型,兩場設(shè)計洪水特征值見表1。

        由表1可以發(fā)現(xiàn),10年一遇型洪水的洪峰流量未超過標(biāo)準(zhǔn),而百年一遇型洪水的洪峰流量超過標(biāo)準(zhǔn)且將向外灘分洪或溢流。但相較于百年一遇型洪水,10年一遇型洪水的含沙量較高,會對護(hù)堤產(chǎn)生沖淤影響。

        表1 兩場設(shè)計洪水特征值

        4 結(jié)果分析

        4.1 洪水傳播

        對于洪水傳播情況,百年一遇型洪水和10年一遇型洪水在去生產(chǎn)堤方案和雙防線方案兩種情況下的演進(jìn)過程見圖2和圖3。

        圖2 10年一遇型洪水計算演進(jìn)過程

        圖3 百年一遇型洪水計算演進(jìn)過程

        由圖2和圖3可知,10年一遇型洪水流量整體小于百年一遇型洪水。其中,10年一遇型洪水的兩種方案都隨時間呈先增大后減小的變化趨勢;百年一遇型洪水的去生產(chǎn)堤方案的洪峰流量穩(wěn)定在6 000~9 000 m3/s之間,而雙防線方案的洪峰流量隨時間呈先減小后增大之后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。10年一遇型洪水由于來流小于防護(hù)標(biāo)準(zhǔn),有效阻止河道過流斷面,從而使雙防線方案的洪水波演進(jìn)比去生產(chǎn)堤方案更快,且雙防線方案的洪峰流量也高于去生產(chǎn)堤方案。而對于百年一遇型洪水,來流大于防護(hù)標(biāo)準(zhǔn),由于雙防線方案分洪至外灘,導(dǎo)致部分洪量在外灘之上,從而減緩洪水的傳播速度,導(dǎo)致下游斷面流量出現(xiàn)減緩。當(dāng)洪量在外灘達(dá)到一定值后,會形成洪峰滯后現(xiàn)象,外灘的洪量將會通過退洪口門回到主槽。

        綜上所述,對于防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)洪水情況,雙防線方案能夠有效保護(hù)灘區(qū),同時可起到灘區(qū)蓄滯洪水作用,降低防洪壓力。

        4.2 沖淤分布

        對于河段沖淤分布,治理方案中的沖淤部位和沖淤量是主要方面。本文對艾山河段洪水橫向分區(qū)間沖淤量與灘地平均淤積厚度進(jìn)行統(tǒng)計分析,見表2。

        表2 兩種類型洪水橫向分區(qū)間沖淤量與灘地平均淤積厚度

        由表2可知,同一方案下,不同級別洪水主槽沖刷量與入口流量大小呈正比。對于10年一遇型洪水時,雙防線方案的沖淤量明顯要低于去生產(chǎn)堤方案;而對于百年一遇型洪水時,雙防線方案的沖淤量與去生產(chǎn)堤方案相差不大,且雙防線方案的內(nèi)灘沖淤量明顯要高于去生產(chǎn)堤方案,從而提升防洪效果。

        4.3 泥沙輸移性質(zhì)

        對于泥沙輸移性質(zhì)的研究,通過對比不同方案和不同洪水類別比較艾山的輸沙量過程,見圖4和圖5。

        圖4 10年一遇型洪水出口輸沙過程

        由圖4和圖5可知,無論那種洪水類型下,雙防線方案出口泥沙量都大于去生產(chǎn)堤方案的出口泥沙量,且雙防線方案可以有效提升河段輸沙能力。因此,雙防線方案可以有效提升河道治理的防洪效果。

        4.4 雙防線方案的分洪與退水過程

        當(dāng)面對大規(guī)模漫灘洪水時,去生產(chǎn)堤方案灘區(qū)在極短時間內(nèi)大范圍淹沒周邊環(huán)境,但雙防線方案則對河道具有滯洪作用。由于10年一遇型洪水來流小于防護(hù)標(biāo)準(zhǔn),因此選用百年一遇型洪水進(jìn)行研究。其中,雙防線方案下艾山分洪與退洪過程見圖6。

        圖5 百年一遇型洪水出口輸沙過程

        圖6 分洪與退洪過程曲線

        由圖6可知,分洪過程與退洪過程相關(guān),可分為未分洪階段、初始分洪階段、分洪與退洪平衡階段以及退水階段。其中,未分洪階段外灘可以得到有效保護(hù);初始分洪階段灘區(qū)需要集中分洪;分洪與退洪平衡階段的分洪與退洪過流量大致相當(dāng);退水階段口門過流量逐漸往下回落,直至結(jié)束。去生產(chǎn)堤方案和雙防線方案下艾山平均淹沒水深變化過程見圖7。

        圖7 平均淹沒水深變化過程曲線

        由圖7可知,雙防線方案的平均淹沒水深隨時間變化快速增大,之后趨于穩(wěn)定,但總體小于去生產(chǎn)堤方案平均淹沒水深。

        5 結(jié) 論

        本文基于數(shù)值模擬對山區(qū)河道治理方案進(jìn)行研究,通過去生產(chǎn)堤方案和雙防線方案下艾山的治理情況,分析在10年一遇型洪水和百年一遇型洪水下,艾山河道在兩種方案下的洪水傳播、沖淤分布、泥沙輸移性質(zhì)和雙防線方案的分洪與退水過程。結(jié)論如下:

        1) 10年一遇型洪水來流小于防護(hù)標(biāo)準(zhǔn);百年一遇型洪水來流大于防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。10年一遇型洪水流量整體小于百年一遇型洪水,且隨時間呈先增大后減小的變化趨勢;百年一遇型洪水的去生產(chǎn)堤方案的洪峰流量穩(wěn)定在6 000~9 000 m3/s之間,但雙防線方案的洪峰流量隨時間呈先減小后增大之后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

        2) 同方案下,不同級別洪水主槽沖刷量與入口流量大小呈正比。10年一遇型洪水時,雙防線方案的沖淤量較好;百年一遇型洪水時,雙防線方案和去生產(chǎn)堤方案的沖淤量相對一致,但雙防線方案可以提升防洪效果。

        3) 雙防線方案出口泥沙量大于去生產(chǎn)堤方案的出口泥沙量,且可有效提升河段輸沙能力。

        4) 分洪過程與退洪過程相關(guān),可分為未分洪階段、初始分洪階段、分洪與退洪平衡階段以及退水階段。雙防線方案的平均淹沒水深總體小于去生產(chǎn)堤方案平均淹沒水深。

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