裁彎取直工程對河道防洪影響分析①

羅亞偉

(中國水利水電第七工程局第三分局 郫縣 611730)

朱殿芳

(成都市市政工程設(shè)計研究院 610015)

裁彎取直工程對河道防洪影響分析①

羅亞偉

(中國水利水電第七工程局第三分局 郫縣 611730)

朱殿芳

(成都市市政工程設(shè)計研究院 610015)

本文采用平面二維數(shù)學模型，對成都市府河上游段河道裁彎取直工程實施前后河道水流運動特性進行了計算分析，討論了裁彎取直整治工程對河道行洪的影響，并就河道未來演變趨勢進行了探討。研究成果為城市河道改造提供了技術(shù)支持，同時豐富了河道裁彎取直研究成果。

截彎取直工程 河道防洪 影響 分析

① 國家自然科學基金項目(50949057)。

1 引言

河流過度彎曲時，河身蜿蜒曲折，對宣泄洪水不利，河灣發(fā)展所造成的嚴重塌岸對沿河城鎮(zhèn)和農(nóng)田也是極大威脅。當河環(huán)起點和終點距離很近時，洪水漫灘時，由于水流趨向于走比降最大的流線，在一定條件下，會在河漫灘上開辟出新的流路，溝通畸灣河環(huán)的兩個端點，這種現(xiàn)象稱為河流的自然裁灣。自然裁灣往往因大洪水所致，裁灣點由洪水控制，常會帶來一定的洪水災害現(xiàn)象。為避免這種自然裁灣的危害，人們可以結(jié)合河道水沙運動特點，人為地裁直河道，縮短洪水流路，增加河道的泄洪能力，這種河道治理方式稱為人工裁彎取直。

一般認為河道實施“裁彎取直”可有效降低裁彎段上游洪水位并提高上游的防洪能力，裁彎后上游比降加大，洪水位降低，河床有所刷深。下荊江蜿蜒型河流三處裁彎后，由于河道長度縮短近1/3，因而造床作用加強，河床普遍下切，水位降低［1］。也有研究者認為裁彎取直工程實施后槽蓄作用減少，將會加大洪峰流量，提前洪峰出現(xiàn)的時間［2］。

河流裁灣取直后，新河發(fā)展，老河灣逐漸淤廢。河道的演變過程涉及新老河灣復雜的分水分沙過程，河灣的發(fā)展演化過程更是錯綜復雜。謝鑒衡等［3］曾開展了裁灣取直工程水力計算及河道變形計算工作，在進行一系列假設(shè)的基礎(chǔ)上，初步開展了河道裁彎取直相關(guān)計算工作。其后，限于問題本身的復雜性，很少有學者開展這方面的理論研究工作，近年來關(guān)于河道裁彎取直的研究，多限于工程實例介紹方面。王康林等［4］介紹了永寧江裁彎取直工程的基本情況，并就設(shè)計中的主要控制建筑物的設(shè)計情況進行了介紹。王成菊［5］介紹了姚田水電站利用“S”形河灣發(fā)電、泄洪的成功范例。近年來，隨著數(shù)值模擬方法的進步，也有研究者采用數(shù)學模型研究裁灣取直工程對河道行洪影響［6］。

本文介紹成都市市政河道府河上游段河道按規(guī)劃裁彎取直治理前后河道水力參數(shù)的變化情況，豐富了城市河道裁彎取直治理工程經(jīng)驗。

2 工程概況

工程河段位于成都市西北三環(huán)路上游府河干流，現(xiàn)狀河段長2.8km，天然河道縱坡約為1.6‰。該段河道目前存在的突出問題是灣多水塞、過流不暢;現(xiàn)狀河道過流寬度僅30～40m，且河槽淤積嚴重，過流能力不足10年一遇。根據(jù)《成都市防洪規(guī)劃》，府河工程河段規(guī)劃防洪標準為200年一遇洪水，為保障河道行洪安全，該段河道在平面線形上做裁彎取直，取直后該段河道長1.1km。工程河段現(xiàn)狀及規(guī)劃岸線如圖1所示，由圖1可見，三環(huán)路橋以上現(xiàn)狀河道岸線曲折，過流斷面狹窄，行洪能力低下，在三環(huán)路橋梁上游段，河道與橋梁大角度斜交，過流不暢，河道過流能力與下游已整治河段不相適應，亟待對河道進行整治，以提高區(qū)域防洪能力。

結(jié)合已有裁彎取直工程經(jīng)驗，考慮到府河工程河段屬于市政行洪河道，應避免設(shè)置跌水工程，以免引起持續(xù)的噪聲污染，對整治河段采用統(tǒng)一比降進行改造，彎頸間河道落差平灘到整治河道全段范圍，設(shè)計河道縱比降為2.7‰。配合城市景觀建設(shè)需要，改造河道采用復式斷面型式，整治斷面如圖2所示。

圖1 府河裁彎取直工程河段現(xiàn)狀與規(guī)劃河道對比情況

圖2 府河改造斷面

3 計算原理和模型

為分析河道裁彎工程實施前后河道水流運動特性，采用平面二維數(shù)學模型對現(xiàn)狀及裁彎取直后河道水流運動特性進行了計算分析。

3.1 平面二維數(shù)學模型基本原理

沿水深平均的平面二維流動基本方程為水流連續(xù)方程：

水流動量方程：

以上式中 U、V——垂線平均流速;

z——水位;

H——水深;

g——重力加速度。

方程的數(shù)值計算采用有限體積法。

3.2 計算范圍

數(shù)值計算分別針對現(xiàn)狀及裁彎取直后河道水流運動特性進行，計算范圍：縱向取府河改造工程起點上游約200m，下游至整治工程終點下游約300m的已改造河段的順直段，主河道總長約1.7km。改造后老河灣仍參與過流，含老河灣，計算段總長度約3.5km(其中老河灣長約1.8km)。橫河范圍：整治河段取設(shè)計河堤岸頂，總寬度59m，整治段以下按現(xiàn)狀河道斷面(已整治)考慮，橫河寬度為50m。對于天然河道及改造后老河灣，橫河方向取現(xiàn)狀河道岸頂寬度。天然河道岸線曲折，邊界不規(guī)則，計算中按三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行剖分，共剖分為17565個節(jié)點、32613個單元。改造后主河道岸線歸順，采用四邊形網(wǎng)格進行剖分，網(wǎng)格縱向最大長度為6m，橫向網(wǎng)格主槽部分最大寬度為3m，兩側(cè)河岸位置網(wǎng)格橫向尺度為1.5m，老河灣及其與改造后主河道銜接段采用三角形網(wǎng)格進行剖分。改造后河道計算區(qū)域共剖分為20249個節(jié)點、27521個單元。天然及實施裁灣取直工程后計算網(wǎng)格如圖3、圖4所示。

3.3 計算邊界條件

模型計算上游采用流量邊界，下游采用水位邊界。工程河段200年一遇洪水來流流量為406m3/s，下游控制斷面水位為510.68m。

根據(jù)河道斷面情況，改造后河道主槽糙率取為0.025，綠化帶糙率取為0.03，對于天然河道(及改造后老河灣)，按綜合糙率0.025考慮。

圖3 天然河道網(wǎng)格示意圖

圖4 實施裁彎取直工程后河道網(wǎng)格示意圖

4 防洪影響分析

4.1 對沿程斷面水位、流速的影響分析

河道改造工程對老河灣進行了裁彎取直，設(shè)計行洪能力由裁直后的主河道承擔，老河灣不參與行洪，但作為城市景觀保留。圖5為整治后河道流速等值線圖，由圖5可見，由于整治工程設(shè)計為采用統(tǒng)一比降裁直河道，老河灣起點至終點間的落差分攤到整個整治河道范圍內(nèi)，因此老河灣進、出口間水位差較天然時顯著降低，河灣內(nèi)水流動力較天然時顯著降低，工程實施后老河灣內(nèi)水流流速僅0.25m/s左右。另一方，對于主河道而言，由于流路趨直，河道比降加大，過流斷面增加，整治后主河道流速明顯較天然時增加，改造后河道主槽流速一般在3.6m/s左右，兩側(cè)復式流速則普遍在2m/s以下。

府河華僑城段天然河道行洪能力不足，難以達到防御200年一遇洪水的要求，按現(xiàn)狀河道行洪斷面，在發(fā)生200年一遇洪水時，河道水位較高(計算中未考慮兩岸漫流滯洪作用，河道水位按斷面自然加高進行考慮)。府河進行改造后，河道斷面增加，流路歸順，比降加大，水位較天然時明顯降低。由下表可見，由于改造后的河道與下游河道銜接平順，改造工程尾端的CS16斷面水位較天然時降低0.2m左右。對于改造段，由于改造后河道流路順暢，水位普遍較天然時降低。其中裁彎取直工程段上游水位較天然降低約2.6～3.6m。老河灣段，由于裁彎工程將灣頸上、下游直接貫通，水流流路縮短，水位落差降低，老河灣上、下口水位較天然時分別降低2.4m、0.9m左右。老河灣未封閉，河灣內(nèi)水位介于河灣進口與出口斷面水位之間，1.8km長河道水位落差僅0.1m左右。

表中同時給出了沿程斷面流速變化情況，從中可見，沿程各斷面流速總體較天然時略有增加，但部分天然河道過流斷面狹窄的河段流速較天然時有所降低。表中整治后后河道斷面流速總體趨于均勻，流速普遍在2.5～3.5m/s左右，流速大小適中，既可以避免泥沙在河槽內(nèi)淤積，又不致對新建河堤產(chǎn)生嚴重沖刷，有利于整治斷面的保持。

圖5 裁彎取直工程實施后河道流速等值線圖

沿程斷面水位、流速變化表

4.2 對河勢穩(wěn)定的影響分析

河流裁彎取直工程改變了河道水流動力軸線位置，一般對河道河勢改變較大。府河改造工程按規(guī)劃將天然1.8km長的老河灣，在灣頸位置采用彎道將上下游貫通，改造后灣頸間河道長度變?yōu)?60m(裁彎比6.9)。裁彎取直工程段河道流路、流速、流向、水位均發(fā)生較大改變。裁彎取直工程實施后，主河道流路規(guī)順，受堤防保護，新河道河勢穩(wěn)定有保障。對于老河灣，由于河彎進、出口水位落差小，水流動力明顯降低，今后老河灣主要作為景觀河道存在，不作為防洪通道。其河勢穩(wěn)定的關(guān)鍵在于避免泥沙淤積。從河道設(shè)計情況看，老河灣入口位于改造后的連續(xù)彎道的下彎道凹岸側(cè)，老河灣與設(shè)計河道交角較大，接近60°，大洪水時水流流路趨直，指向老河灣的流速較小，對泥沙進入老河灣有一定的限制作用;老河灣出口段受環(huán)流影響，泥沙有向凸岸(河灣對岸)搬運的趨勢，兩方面均對減少進入老河灣泥沙，從而避免老河灣的累計性淤積有利。但必須指出的是，由于總體上老河灣流速較低，進入老河灣的泥沙基本均會在老河灣內(nèi)淤積，因此必須盡量做好防沙措施，盡量避免泥沙進入老河灣。

5 結(jié)語

本文介紹了成都市市政排洪河道改造工程相關(guān)水力計算工作。對于城市防洪河道的裁彎取直改造，需兼顧城市景觀、環(huán)境需要，改造工程不宜設(shè)置較大的跌坎以消除灣頸間的床面高差，河道改造后，老河灣作為景觀河道保留，河灣動力降低。本文對改造后河道的防洪及河勢穩(wěn)定情況進行了計算分析，總結(jié)如下：

由于改造工程擴大了行洪斷面，規(guī)順了岸線，全河道范圍內(nèi)增加了河道比降，河道改造后行洪能力較天然顯著增加，裁彎取直段上游河道水位較天然大幅度降低。

整治后后河道岸線規(guī)順，水流流速分布趨于均勻，沿程及橫向流速變化較小，有利于避免泥沙在主河道內(nèi)淤積，同時消減了天然高流速，有利于整治工程的抗沖安全。老河灣水流動力明顯較天然時降低，但由于裁彎取直工程兼顧了老河灣入流及出流流態(tài)，可有效避免洪水期泥沙進入老河灣，盡量保持老河灣的穩(wěn)定。

需要指出的是，本文提到的河道裁彎取直改造設(shè)計，為兼顧防洪與城市景觀、環(huán)境需求，裁彎取直段的河床落差被平均到整治河段范圍內(nèi)，該建設(shè)方案避免了跌水噪聲污染，但同時降低了老河灣的水流動力，對作為景觀河道保留的老河灣的泥沙淤積及河道水質(zhì)均可能存在潛在的不利影響，這方面尚需進行更深入的比較研究。

1 長江水利科學研究院河流研究室．下荊江裁灣經(jīng)驗總結(jié)［J］．人民長江，1987(1)：11 －34．

2 王景章．渭河下游仁義裁灣工程總結(jié)［J］．人民長江，1983(3)：16 －19．

3 謝鑒衡等．裁彎取直的水力計算和河床變形計算［J］．武漢水利電力學院學報，1963(2)：16 －29．

4 王康林，趙秀珍．永寧江河道整治工程裁彎取直技術(shù)探討［J］．浙江水利科技，2002(5)：75 －77．

5 王成菊．遙田水電站裁彎取直工程泄洪方案優(yōu)選［J］．湖南水利，1995(2)：11 －14．

6 張曉波，包紅軍．山區(qū)型河道“裁彎取直”防洪影響分析［J］．水電能源科學，2009(3)：42－44，66．