基于數(shù)值模擬的山區(qū)河道治理方案應(yīng)用研究

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(huì)造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對(duì)山區(qū)河道治理方案的應(yīng)用研究，對(duì)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(duì)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(duì)鋼筋混凝土擋墻等護(hù)岸方案進(jìn)行分析對(duì)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(dòng)周邊區(qū)域發(fā)展。張堅(jiān)[5]為合理設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于黃河流域的治理需全面推進(jìn)。本文根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)黃河下游河道情況多變且復(fù)雜的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)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(jì)算區(qū)域剖分為94 299個(gè)計(jì)算單元。其中，艾山防護(hù)堤按照11 700 m3/s流量設(shè)防。

3 計(jì)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(jià)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(duì)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(jì)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(huì)對(duì)護(hù)堤產(chǎn)生沖淤影響。

表1 兩場設(shè)計(jì)洪水特征值

4 結(jié)果分析

4.1 洪水傳播

對(duì)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(jì)算演進(jìn)過程

圖3 百年一遇型洪水計(jì)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(shí)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(shí)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(duì)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(huì)形成洪峰滯后現(xiàn)象，外灘的洪量將會(huì)通過退洪口門回到主槽。

綜上所述，對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(jì)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(jí)別洪水主槽沖刷量與入口流量大小呈正比。對(duì)于10年一遇型洪水時(shí)，雙防線方案的沖淤量明顯要低于去生產(chǎn)堤方案；而對(duì)于百年一遇型洪水時(shí)，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(duì)于泥沙輸移性質(zhì)的研究，通過對(duì)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(duì)大規(guī)模漫灘洪水時(shí)，去生產(chǎn)堤方案灘區(qū)在極短時(shí)間內(nèi)大范圍淹沒周邊環(huán)境，但雙防線方案則對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(jí)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(shí)，雙防線方案的沖淤量較好；百年一遇型洪水時(shí)，雙防線方案和去生產(chǎn)堤方案的沖淤量相對(duì)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。