樁板組合沖水壩流態導控功效數理模擬分析

鄧衛斌，余 敏

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330025)

流態導控是河道水工安全和科學治理的技術研究領域，良好的流態干預技術對河道調節行流和控制積淤會發揮特定功效。本文參考案例工程實用數據，借助二維平面流水動力MIKE21FM數理模擬分析方式，對樁板組合沖水壩流態導控功效進行分析探討，以期為同類工程應用提供技術參考，助力建設高調流功效的樁板組合沖水壩工程。

1 樁板組合沖水壩概念

樁板組合沖水壩由預制樁和預制板組合配置而成，借助入水角差異在河槽水流中形成功效環流，達成流速控制和流態干預，實現調節淤積的特定功效。樁板組合沖水壩具體構造及工作機理見圖1及圖2。

圖1 樁板組合沖水壩結構

圖2 樁板組合沖水壩工作機理

樁板組合沖水壩底部錨固、中部成墻、頂部透水，不但擁有過水優勢，還能夠經過深基樁錨固，獲得更為穩定牢固的壩基礎。樁板組合沖水壩施工可以實施沖水沉樁工藝，預置射水管于預制樁結構內部，沉樁施工時，以高壓水沖刷樁尖及附近淤沙泥或巖土體，消除樁尖阻力，讓樁體在自身重力及其他應力復合作用下，逐步沉樁就位。沉樁施工操作相對阻力小、耗時短、效率高和造價低。樁板組合沖水壩能夠形成相對較強且可以人為調整的功效環流，對防范堤防沖毀、控制河灘退縮和保護區域生態植被尤其具有應用價值。

2 數理模型及實驗組次

本文參考某黃河流段樁板組合沖水壩行流治淤工程實用技術數據，利用二維平面流水動力MIKE21FM模型開展樁板組合沖水壩功效模擬計算分析。借助該計算系統的非結構網格演算生成器對模擬區域地形給與模擬剖分，生成模擬計算分析所需要的網絡文件，其網格面積最大不超過0.001 km2。案例樁板組合沖水壩平面配置見圖3。案例模擬地形及網格剖分見圖4。

灘地糙率取值0.030，河槽糙率取值0.025。實驗系列分別是：①一座樁壩，基于45°、30°和15°共3種入水角；②橫向樁壩3座，基于45°、30°和15°共3種入水角；③縱向樁壩3座，基于30°入水角，縱向樁壩間距取為45、30和15 m；④取30°入水角，縱向樁壩間距取值30 m，橫向樁壩分別取三排9座、兩排6座和一排3座。主要模擬參數變化見表1。

圖3 案例樁板組合沖水壩配置平面圖

圖4 案例模擬地形及網格剖分

入水角度 /(°)排數縱間距 /m樁厚 /m樁高 /m樁長 /m流量 /m3·s-1151(3)150.38153 000302(6)300.38153 000603(9)450.38153 000

3 樁板組合沖水壩導控功效模擬計算分析

3.1 基于入水角差異的導控功效分析

1) 差異入水角單壩水位流速分布。實驗組次見表2：

表2 差異入水角等同流量單座橫向壩實驗組次

基于3種入水角度，樁板組合壩上下游的水位、流速分布狀態見圖5-圖7。

圖5 入水角15°的單壩水位流速分布

圖6 入水角30°的單壩水位流速分布

圖7 入水角60°的單壩水位流速分布

圖5-圖7揭示，在單座組合樁工況下，并沒有引發顯著動速率變化，而且在樁板組合壩的近處水流即可恢復正常，導送溜長度相對較短。所以在入水角差異時，單座樁板組合壩的導控功效差異并不明顯。

2) 差異入水角3壩水位流速分布。樁板組合壩初始部位與單座部位相同，后兩壩則以間距10 m橫向于凸岸側布配。布設參數見表3。

表3 差異入水角等同流量3座橫向壩實驗組次

基于3種入水角，樁板組合壩上下游的水位、流速分布狀態見圖8-圖10。

圖8 入水角15°的3壩水位流速分布

圖9 入水角30°的3壩水位流速分布

圖10 入水角60°的3壩水位流速分布

通過橫向3座樁板組合壩基于差異入水角條件的水位流速分布可以發現，在選用橫向3座樁板組合壩工況下，上下游水流方向和送溜長度均較前述單座工況下顯著加大。

3.2 基于縱向樁間距差異的導控功效分析

實驗組次參數見表4。

表4 差異樁距相同入水角組合壩實驗組次

基于縱向上的45、30和15 m間距差異條件，計算獲取樁板組合壩的水位流速分布狀態，見圖11-圖13。

圖11 基于15 m間距的水位流速分布

圖12 基于30 m間距的水位流速分布

圖13 基于45 m間距的水位流速分布

圖11-圖13揭示，加大樁壩密度不管是縱向還是橫向，其對上下游送溜長度及導流長度均起到助力和強化作用。沿河面縱向和壩基、壩中和壩頭對應部位，取10個測點，計算提取其水位流速狀態值，并相應計算水位差、流速差的最小值、最大和平均值演變情況，計算成果見表5-表7。

表5 基于樁距差異的上下游流速差

表6 基于樁距差異的上下游水位差

表7 基于樁距差異的上下游水力狀態

經過比較上述數據可以發現，3座縱向樁板組合壩和縱向間距差異工況條件下，樁板組合壩送溜長度分別為78.10、59.76和64.03 m，相對于單座樁板組合壩的送溜區域僅在50 m左右，3座樁板組合壩送溜區域有顯著加增。樁板組合壩縱向上的間距為45、30和15 m時，3座樁板組合壩水位前后差在-1.045～0.220 m之間，相對于單座配置的功效有明顯提高；縱向上間距取45 m時，樁板組合壩上下游水體水位差相對最大，表現為下游水位顯著降低；從表7也能夠看到，樁板組合壩阻水能力隨著樁間距加大而逐漸提高。

綜合以上水位差及流動速率分析發現，縱向間距差異時，樁板組合壩流動速率差及水位差的最小最大值間的差異并不十分明顯。縱向上間距取值45 m時，樁板組合壩在阻水功效相對較好。所以，樁板組合壩在縱向間距差異布配時，對整體導控功效的影響并不大。計算結果揭示，選用縱向3座樁板組合壩水位上下游差最小最大值之差與單壩水位上下游差最小最大值之差間存在顯著加增，所以加增樁板組合壩的樁壩縱向密度，能夠強化阻水功效。

3.3 基于布配組合差異的導流功效分析

1) 基于布配組合差異的水位速率分布。為分析橫向布配數差異對導控功效的影響，以3座縱向樁壩設置于1排、2排及3排為條件，開展模擬計算和分析，實驗組次參數見表8。

表8 布配結構差異入水角等同的樁板組合壩實驗組次

計算所得樁板組合壩附近的水位流速分布狀態見圖14-圖16。

圖14 組合壩1排樁工況水位流速分布

圖15 組合壩2排樁工況水位流速分布

圖16 組合壩3排樁工況水位流速分布

經過橫向加增樁板組合壩的配置數，從樁板組合壩上下游水位流動速率分布狀態中可以看到，隨著排數的加增，樁板組合壩的流動速率發生劇烈變化，而且隨著橫向布配數的加增，樁板組合壩對上下游的影響距離也存在顯著提高。

2) 基于間距差異的導控功效分析。沿河面縱向和壩基、壩中和壩頭對應部位，取10個測點，計算對應位置水位和流速分布狀態，同時計算水位差、流動速率差的最小最大值及均值變化狀態，計算成果見表9-表11。

表9 基于排列差異的組合壩水位上下游差

表10 基于排列差異的組合壩流速上下游差

表11 基于排列差異的組合壩水力上下游差

數據比較揭示，在布配形式差異時，樁板組合壩的阻水功效有顯著差異，阻水功效隨布配數量的加增而顯著提升。水位在-1.497～-0.082 m范圍演變，水位變化顯著加大；前后流動速率在-0.873～-1.353 m/s之間演變，差異范圍相對較小。3排9座配置時，水位上下游差相對最大，表現為下游水位顯著下降。1排工況的下游導流影響范圍是179.79 m；2排工況的下游導流影響范圍是216.33 m；3排工況的下游導流影響范圍是263.32 m，相對單排工況加增顯著。

綜合上述數據可以看到，隨著樁壩排數布配的加增，組合壩的導流影響范圍發生顯著提升，尤其較比單排樁設置的導流影響范圍，提升尤為顯著，所以樁板組合壩的排數設置變化對導流影響范圍和送溜長度影響較大。而且，隨著樁壩排數布配的加增，流動速率變化卻并不明顯，或許是由于3排9座或縱向3座配置時樁板組合壩的間距相對較小，阻水面積相對較大，對水流存在一定程度的阻礙作用，致使發生漫頂過流，水流流動速率在上下游就未出現顯著改變。總而言之，在樁板組合壩橫縱向均提高布設密度時，樁板組合壩的阻水功效相對橫向3座及單排樁板組合壩的送溜和阻水功效均更為顯著，所以應適當加增樁板組合壩的配置密度，會對河道導控功效有顯著改善。

4 結 語

本文參考案例工程實用數據，借助二維平面流水動力MIKE21FM數理模擬分析方式，對樁板組合沖水壩流態導控功效進行分析探討：①梳理介紹樁板組合沖水壩概念；②建立樁板組合沖水壩二維平面流水動力MIKE21FM數理計算模型；③開展樁板組合沖水壩導控功效模擬計算分析；④經分析確認，在縱向及橫向加增樁壩數量，樁板組合壩附近的水位流動速率變化并不顯著；而樁板組合壩在縱向3座的配置下，加增縱向布配數，樁板組合壩的附近導流影響范圍和水位流動速率變化顯著，導控功效顯著增強。