江安護坡工程對航道水流結構影響分析

王文偉

摘要：以江安縣物流中心護坡工程為例，采用二維水流數學模型對護巖工程施工前后工程河段流速、水位的變化進行計算。通過水面比降、近岸流速、主流流速以及流速變化影響范圍等方面進行分析。結構表明，修建工程后施工河段的右岸附近流態明顯得到改善。

關鍵詞：護坡工程航道水流結構

江安縣隸屬于四川宜賓市，位于四川南部長江干流的宜賓和瀘州之間。有著名的國家級風景區、重點文物保護單位，省級重點文物保護單位、森林公園等自然人文景觀。江安縣按“長江經濟帶”發展規劃，啟動江安城市配送中心項目建設。項目選址位于江安鎮大橋附近，緊鄰長江和省道308北側。項目建成后將成為川南地區重要物流節點，有效改變江安現有物流企業基礎薄弱，整體發展水平不高的現狀，對全縣物流產業也將形成有力支撐。

因物流中心護坡工程涉及少量填土，占據部分有效過水面積，將對河道水流結構產生影響。隨著理論與計算技術不斷發展，數學模型已廣泛應用于工程上。在實際工作中，由于工程建設對水流的影響不是特別大，一維數學模型計算只能體現在斷面水位、流量等水流因素，而無法反映平面形態上的特性。而二維水流數學模型，可以對工程附近的水位、流速、流態等水流情況在工程前后的變化更為直觀清晰。

工程概況

工程具體位置為四川省宜賓市江安縣江安長江大橋下游約1.5km河道右岸，工程占據陸域岸線長約780m。涉及工程范圍坡腳線高程基本在246-251m，只涉及少量不規則岸線基巖以內的填土工程。根據施工規劃方案，填土區域范圍盡量順應了河勢方向，所填土區域基本位于岸邊基巖控制線以內的易產生回流的不規則部位。圖1為工程不規則岸線凹岸內擬填土工程示意圖。

為了預測擬建工程對該河段航道水流條件的影響，采用平面二維水流數學模型，通過計算修建工程后的施工河段與未修建工程時河段的航道水流條件，對比分析物流中心護坡工程建設對該段航道水流結構的影響。選取計算區域為牛角壩-怡樂鎮河段共長約10.0km的河段。數模在計算域內共布置392×250個網格點。計算區域范圍為10000×5000m。網格沿x方向間距一般30m，沿Y方向間距一般為20m。該工程的枯、中水期與洪水期典型流量為：2980m3/s、6710m3/s、30500m3/s。

利用2009年8月實測的工程河段河道的實測水面線進行驗證。水位計算值與實測值最大不超過0.05m。總體上該數學模型計算水位與實測值基本吻合，說明計算具有一定可靠性，可進行工程實際研究。

工程對航道水流結構影響

1、河道水面比降的變化

一般由于工程的束流作用，通常表現為工程上游河段及工程段水位壅高、工程下游河段水位降低，這種水位壅高或降低將在上游或下游一定范圍內逐漸消失。數模計算成果表明，計算河段的水位變化主要取決于物流中心護坡工程少量填土對河道過水面積的影響。工程所占據的河道面積愈大，阻水作用愈強，其相應的水位變化越大。護坡工程對河道水位影響較小，工程修建后河道最大水位壅高值約0.06m。表1給出了工程河段代表流量下河道最大水面比降及其變化。

計算表明，選取洪水期與中、枯水期工程河段的水面比降進行對比：各級流量下最大水面比降略有增加，增大幅度最大為0.03‰。

2、河道近岸流速的變化

圖2為對比工程河段，建設前、后洪水期河道二維平面流速分布。從圖中可以看出，原河道在岸邊基巖有部分回流，填土后主流速基本順直于河道，對岸邊形成沖刷作用的橫向流速明顯減少。流態相較于原來未修建工程前的回流等不利流態有明顯改善，說明沿河岸基巖以內填土將原有不規則邊岸進行規整，有利于該段整體流場的穩定以及斜流作用的減弱。

中、枯水期典型代表流量下施工河段在修建工程后的流場如圖3、圖4，從圖中可知在中水期該段流場整體較為平順，沿河心方向，斜流顯著減少，未出現明顯的不利流態（回流、泡漩），在進入黑石磧段后流態相對仍保持較為穩定狀態。枯水期代表流量下流場分布與中水期基本一致，流態相對較為穩定。

修建工程后施工河段的右岸附近流態較未修建前更為穩定，保持順河而下，未出現回流以及泡漩等不利流態。由于填土區域占據河道過水面積對河道起到一定的束窄作用，因而流速略有增加，并且流速沿主流方向，橫向流速減少。

3、河道主流流速的變化

工程河段為山區河流的順直段，河道形態變化在枯水期對主流影響更為明顯。因而，選取枯水期施工區域的三個典型斷面，通過對斷面流速分布進行未修建前與修建后的變化對比，分析工程對該河段的主流流速影響（見圖5）：

圖5工程河段施工前后典型斷面枯水期流速分布變化對比

斷面1流速分布變化：擬建工程后主流速帶略有向河心偏移，說明填土后流速主流帶有稍微的調整（圖5（a））。

斷面2流速分布變化：由于填土工程，右岸附近流速顯著減少，主流速有一定的提高，說明束窄作用使得流速略有提高（圖5（b））。

斷面3流速分布變化：擬建工程后原有右岸附近流速明顯降低，主流速整體向河心稍有偏移，最大流速基本維持原有水平，未出現顯著的增加（圖5（c））。

4、河道流速變化影響范圍

洪水期及中、枯水期的流速僅在施工水域略有增加，增加幅度最大僅為0.03m/s（枯水期），而其影響范圍最大幅度發生在枯水期。根據前述分析選取枯水期擬建工程前后的流場變化影響范圍進行分析，圖6為修建前后流場相對變化等值線圖。

由圖可知：工程施工區域的流場變化主要集中于工程附近，其上游約200m以及下游約200m內范圍，隨后影響逐漸減小為0。擬建工程對黑石磧段流場改變較弱，等值線逐漸減少為趨于0，因此，工程修建后對河段的流場影響范圍對其上下游的影響不明顯。

結論

本文采用正交貼體平面二維水流數學模型，分析江安縣物流中心護坡工程因涉及少量填土占據部分有效過水面積所導致的河道水流結構變化。選取洪、中、枯三級典型流量過程進行計算，從河道水面比降、近岸流速、主流流速以及流速變化影響范圍等方面進行分析研究。

結果表明，工程建設后河道最大水位壅高值約0.06m，洪水期及中、枯水期的流速僅在施工水域略有增加，增加幅度最大僅為0.03m/s（枯水期）。因回填土將原有不規則邊岸進行規整，有利于該段整體流場的穩定以及斜流作用的減弱，使得修建工程后施工河段的右岸附近流態較未修建前更為穩定，保持順河而下，未出現回流以及泡漩等不利流態。在枯水期流速影響范圍大致在上下游400m范圍內。

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