山洪溝道防沖建筑物壅水風險評估模型及應用

郭立兵 田福昌 曹魯贛 苑希民

摘要：為合理評價山洪溝道防沖建筑物壅水風險，基于Saint-Venant方程組和Villemonte堰流公式，構建了防沖建筑物壅水風險評估水動力模型。根據防沖建筑物的實際情況和設計要求，將防沖建筑物概化為薄壁堰。將該模型應用于防沖建筑物分布密集的寧夏北武當溝，分析評估梯級防沖坎壅水風險，并提出優化措施建議。計算結果表明：所建模型能夠較精確地模擬山洪演進過程和防沖建筑物壅水風險，充分體現了防沖建筑物的阻水效果。研究成果對溝道山洪的精細仿真模擬與風險評估具有一定參考價值。

關鍵詞：山洪模擬；防沖建筑物；壅水風險評估；Villemonte堰流公式；北武當溝

中圖分類號：TV131.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.010

為了滿足河道的抗沖刷要求，通常會在河道中修建防沖坎等防沖建筑物。防沖建筑物減小了河道過流斷面面積，并增大局部水頭損失，導致河道水流情況更加復雜。山洪暴發時，防沖建筑物前水位壅高，將對沿岸防洪產生諸多不利影響，合理評估山洪溝道溢流防沖建筑物壅水風險是十分必要的。

近年來，相關學者針對河道—維水動力模型的研究較多，成果頗豐。M.A.Nassar[1]利用一維SOBEK模型，模擬了灌溉改造工程對河道水位的影響；N.Pra-manik等[2]在缺少河道實測斷面數據的情況下，利用衛星遙感影像建立了MIKE11模型，所建模型能夠較精確地模擬印度Brahmani河流的洪水演進過程；Zhang X.等[3]提出了一種潮汐作用的表達式，并將潮汐作用表達式與Saint-Venant方程組結合，模擬了潮汐作用對洪水演進的影響；朱茂森[4]將河道—維模型應用于遼河流域的水質計算，模擬了水體污染物的遷移、擴散和衰減過程；郝紅升等[5]構建了一維水動力模型，分析了電站排水及水庫泄水對河流水環境的影響。雖然河道—維水動力模型已得到較多應用，但其在河道防沖建筑物壅水風險評估中的應用研究比較少見。

本研究基于Saint-Venant方程組和Villemonte堰流公式，以寧夏北武當溝為研究對象，建立山洪溝道防沖建筑物壅水風險評估的一維水動力模型，將防沖建筑物概化為薄壁堰，重點分析梯級防沖坎對溝道洪水演進過程的影響，評估防沖建筑物壅水風險，并提出減災優化措施建議。

1 模型原理

1.1 溝道—維水動力模型

溝道—維水動力模型是基于Saint-Venant方程組建立的，并利用Abbott六點隱式格式[6-7]求解該方程組，Saint-Venant方程組[8]如下：式中；B為溝道過流橫斷面寬度；z為溝道水深；Q為溝道總流量；q為溝道單寬旁側流量；t為時間；s為間距坐標；g為重力加速度；A為溝道過流橫斷面面積；i為溝底坡降；R為水力半徑；C為謝才系數。

1.2 防沖建筑物概化與Villemonte堰流公式

針對防沖坎等防沖建筑物，在一維水動力模型中，可以利用局部水頭損失的能量方程計算過流量[9]，也可以利用一些相對簡單的公式進行計算，比如Villemonte堰流公式[10]。Villemonte堰流公式適用于在淹沒出流情況下薄壁堰的流量計算。在寧夏北武當溝研究區段內，溝道防沖坎采用鉛絲籠水平護腳，防沖坎頂部厚度為0.4m，防沖坎頂部厚度和坎頂水頭的關系通常滿足薄壁堰條件；防沖坎位于河道底部，坎頂高程和下游水位的關系通常滿足淹沒出流條件[11-12]。根據溝道防沖坎的實際情況和設計參數，本研究將防沖建筑物概化為薄壁堰。Villemonte堰流公式為式中：Qs為防沖建筑物頂部過流量；a為流量系數；W為堰頂寬度；Hu與Hd分別為防沖建筑物上游和下游水位；Hw為堰頂高程。

2 應用實例

2.1 研究區概況

選擇防沖建筑物分布密集、具有代表性的寧夏北武當溝為研究對象。北武當溝位于寧夏石嘴山市大武口區，由歸德溝、韭菜溝匯合而形成。研究區段位于煤機鐵路專用線3#橋和大武口攔洪庫之間。研究區段內溝道總長7.2km，最大寬度457m，最小寬度100m，平均比降0.71%，堤防全部為土堤，臨、背河坡比均為1：6。該區段防沖建筑物分布密集，共設置3座梯級防沖坎。北武當溝地處石嘴山市，該地區為寧夏兩大暴雨中心之一，流域內水土流失嚴重，山洪暴發頻繁（多出現在7-8月）。頻發的山洪極有可能導致防沖建筑物處發生洪水漫溢，威脅兩岸安全。針對該河段構建防沖建筑物壅水風險評估水動力模型，分析梯級防沖建筑物的壅水風險以及防沖建筑物對洪水演進的影響。研究區域位置見圖1。

2.2 防沖建筑物壅水風險評估模型建立

2.2.1 河網概化與主要參數設置

北武當溝模擬范圍為煤機鐵路專用線3#橋至大武口攔洪庫（中域），溝道全長7.2km。為了使模擬結果更加符合實際情況，利用溝道實測斷面數據，在防沖建筑物前后及溝道蜿蜒曲折的區域，對溝道斷面進行內插加密處理，加密之后壅水模型共設置124個溝道斷面，其中溝道實測斷面97個。溝道糙率是對溝道模型精度影響較大的參數，查閱相關地區資料[13]，設定北武當溝溝道綜合糙率為0.035。綜合考慮模型穩定及運算效率等多種因素，設定北武當溝一維水動力模型計算步長為10s。

2.2.2 防沖建筑物概化處理

因北武當溝上段較陡，不能滿足溝道抗沖刷要求，故結合城市功能區需要和沿線工程地質情況，在比降較大、存在安全隱患的重點溝段設置了3座防沖坎，分段調整比降。防沖建筑物頂部厚度較小，根據防沖建筑物的實際情況和設計參數，在壅水風險評估模型中，考慮防沖建筑物的阻水作用，將防沖坎概化為薄壁堰。

根據實測斷面資料進行整編處理，模型內防沖建筑物參數設置見表1，1號防沖坎處溝道橫斷面見圖2。

2.2.3 邊界條件確定

模型上游控制邊界條件為煤機鐵路專用線3#橋斷面設計洪水過程。北武當溝并無水文測站長期監測資料，考慮該區域暴雨洪水特性，根據區域暴雨洪水資料[14]，利用設計暴雨推求北武當溝設計洪水，采用地區均衡法得到3#橋斷面100a—遇設計洪水過程，見圖3。

模型下游控制邊界為大武口攔洪庫入庫斷面（見圖4），控制出流條件為該斷面水位一流量關系。采用曼寧公式推求入庫斷面水位一流量關系，斷面比降為0.0071、糙率為0.035，推求結果見圖5。

2.3 山洪計算結果與風險評估建議

2.3.1 溝道洪水計算結果

根據所建北武當溝溝道—維水動力模型，考慮梯級防沖坎壅水作用，模擬北武當溝100a—遇洪水演進過程，推算各斷面水位、流量等，提取河道計算斷面最高水位，連接各斷面最高水位，繪制河道最高水面線，見圖6。

由圖6可知，在100a—遇洪水情況下，北武當溝洪水最高水位低于兩岸堤頂高程，但3座防沖坎壅水作用尤為明顯，最高壅水水位接近堤頂高程。如遇超百年稀遇洪水，則應特別注意洪水漫溢淹沒影響，潛在風險較大。

2.3.2 防沖建筑物壅水風險分析

由北武當溝溢流防沖建筑物壅水風險評估模型計算結果可知，防沖建筑物很大程度上影響了溝道行洪，導致溝道水位壅高。經統計，北武當溝100a—遇洪水防沖建筑物壅水水位見表2。

當北武當溝遭遇100a—遇洪水時，1號防沖坎最高水位1106.75m，距左堤頂2.23m，距右堤頂2.56m，溝道最大水深3.95m，坎前最大壅水高度2.75m；2號防沖坎最高水位1105.70m，距左堤頂0.23m，距右堤頂0.20m，河道最大水深3.98m，坎前最大壅水高度2.78m；3號防沖坎最高水位1103.67m，距左堤頂0.95m，距右堤頂0.93m，溝道最大水深4.07m，坎前最大壅水高度2.87m。1、2、3號防沖坎頂部厚度分別是最大坎頂水頭的0.15倍、0.14倍、0.14倍，頂部厚度小于0.67倍坎頂水頭，防沖坎頂部厚度和坎頂水頭的關系滿足薄壁堰條件，驗證了將防沖建筑物作為薄壁堰處理的合理性。分析可知，防沖建筑物壅水效果較為明顯，壅水高度較大，導致溝道行洪能力減弱，將對兩岸堤防安全和沿岸防洪等產生不利影響。雖然坎前最高水位未超過堤頂高程，但防沖建筑物處水位與堤頂接近，屬防汛重點關注位置。

2.3.3 溝道防沖建筑物優化措施建議

由山洪計算結果和防沖建筑物壅水風險分析結果可知，防沖建筑物減小了溝道過流斷面面積，壅水抬升作用較為明顯，導致溝道行洪能力減弱。根據溝道防沖建筑物的水位、流量等，從降低防沖建筑物壅水風險角度提出以下幾點優化措施建議：①在山區溝道滿足抗沖刷要求的條件下，應盡可能避免或減少防沖坎等防沖建筑物，包括防沖建筑物的數量和規模；②為了減弱防沖坎的阻水效果和減小銜接處上下游水位差，防沖坎坎頂石料宜采用斜面石；③因防沖坎壅水水位接近堤頂高程，故為了避免堤防在長期高水位作用下發生流土、管涌和潰堤等險情，對防沖建筑物處的兩岸堤防應進行加高、加固處理，并在迎水坡面設置混凝土防滲墻、防滲斜板及防滲趾墻；④為了避免超百年稀遇洪水造成洪水漫溢，可在防沖建筑物的某一側或兩側修建適當的導洪堤，導洪堤結構可采用漿砌石重力式直墻。3結語

為了合理評估溝道防沖建筑物壅水風險，基于Saint-Venant方程組和Villemonte堰流公式，建立了適用于模擬防沖建筑物雍水過程的一維水動力模型。針對溝道防沖建筑物的過流特點，將防沖建筑物概化為薄壁堰。模型應用于防沖建筑物密集的寧夏北武當溝防沖坎壅水分析，結果表明：在100a—遇洪水情況下，防沖建筑物壅水效果明顯，壅水高度較大，防沖建筑物處水位距堤頂較近，導致溝道行洪能力減弱，設置防沖建筑物的溝段屬防汛重點關注位置。從降低防沖建筑物塞水風險角度提出了幾點優化措施建議，所建模型適用于評估山洪溝道防沖建筑物的壅水風險，也可用于溝道山洪演進過程的精細仿真模擬。

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