沙潁河三八村切灘段航道整治設計及通航條件數值模擬

高勝，胡應苗 （安徽省港航建設投資集團有限公司，安徽 合肥 230022）

沙潁河發源于河南省伏牛山，流經河南省平頂山、漯河、周口等地市，自界首入安徽省阜陽市境內，于潁上沫河口入淮河，是淮河的最大支流[1，2]。干流河道全長620km，總落差665m，流域面積36651km2。三八村等彎道切灘疏浚工程位于潁上閘下游2km，河槽呈“∧”形彎曲，彎道長度約3.3km。工程航道設計等級為Ⅳ級，由于彎道彎曲半徑較小[3，4]，約200m，通航水流條件較差，不滿足Ⅳ級標準要求，本文擬對工程段進行航道整治設計，并借助數學模型對整治前后航道通航條件進行系統分析。

1 工程概況

1.1 水文條件

沙潁河屬淮河水系，與淮河汛期與雨季一致，夏季雨量充沛，水位高，流量大；冬季降雨稀少，水位低，流量小。沙潁河洪水主要由暴雨形成，漯河以西沙河干流、北汝河、澧河上游是沙潁河流域暴雨中心多發地區；沙潁河上游山區流域坡度陡，集流快，汛期徑流量往往占總徑流量的70%～80%[5]。本工程范圍內設計最高通航水位為27.05m，對應的最高通航流量為2100m3/s，最低通航水位為17.00m。

1.2 工程地質

工程區域位于淮河以北的平原地帶，河道支流較多，溝渠交錯，一般地面高程25m～35m。鉆孔揭示河道兩岸地下水一般為潛水，地質以粉土、粉質粘土以及淤泥質粉質粘土為主。由于河水流速的變化，沉積環境發生很大變化，地層范圍和厚度變化均較大，部分地段分布有粉砂。

1.3 工程等級

本次航道規劃等級為天然及渠化河流Ⅳ級雙線標準，航道設計最高通航水位取10%頻率洪水位（10年一遇洪水位），設計最低通航水位取95%保證率水位。航道底寬50m，最小通航水深2.8m，最小彎曲半徑330m。

2 航道整治設計

沙潁河為渠化河流，水流造床作用相對弱小，解決枯水期航道尺度不足問題，采用疏浚工程措施是最經濟可行的解決方式，局部彎曲河道通過采取裁彎取直、削灘、切灘等工程措施改善航行條件[6]。

三八村處河槽呈“∧”形彎曲，彎道彎曲半徑較小，不能滿足Ⅳ級航道標準要求，采用沿現河槽局部采取切嘴工程措施治理方案。該處彎道受地形條件限制，若航道彎曲半徑按照Ⅳ級航道標準要求取330m，則切嘴較多，形成小規模的裁彎，河中將留有一塊小面積的河洲，對汛期船舶安全航行不利。本次設計該處航道彎曲半徑取300m。對航道底寬作局部加寬處理。根據計算，加寬值為18.7m，取19m，該方案航道里程2.7km。工程方案布置圖和彎頂斷面開挖圖見圖1。

圖1 工程方案布置圖

3 模型建立

針對沙潁河三八村段彎曲較大的河道特點，采用建立在三角形網格上的專業二維模型MIKE 21 FM進行模擬計算，該模型具有邊界適應性好，計算速度快、考慮水動力條件全面等特點，并在長江口深水航道治理、淮河干流劉臺子航段裁彎等多個工程得到應用，取得了較好的效果，為解決航道整治中遇到的水流問題提供了有力的技術支撐[7-9]。

3.1 水流方程

模型的水流運動方程為基于Boussinesq假定和靜水壓力假定的垂向平均不可壓縮流體雷諾平均Navier-Stokes方程。

3.1.1 連續方程

3.1.2 方向動量方程

3.1.3 方向動量方程

式中，x，y為笛卡爾坐標系坐標；t為時間；η為水位；d為靜止水深；h=η+d為總水深;u、υ分別為x、y方向上的速度分量，字母上帶橫杠是平均值，例如為沿水深平均的流速，由以下公式定義：是柯氏力系數，為地球自轉角速度，φ為當地緯度；g為重力加速度；ρ為水的密度；分別為輻射應力分量；S為源項；為源項水流流速。

式中，A為系數。

粘滯應力梯度項可轉換為

式中，Δ為單元面積 (m2)；Cs為系數，取 0.25～1.0。

3.2 網格劃分和計算參數

根據工程河段特點，選取潁上閘下至三八村彎道出口段全長約8km河道構建水動力模型計水沙數學模型。計算區域被剖分為25105個三角形計算單元，共13090個計算節點。模型網格最小內角為15°，最大內角為133°，網格區域變化為0.45，沒有畸形網格出現，模型網格質量良好。其中灘地網格尺度為10m～20m，主槽和航道網格尺度為5m～10m，網格的疏密分布能夠詳細反映實際地形的變化，見圖2。

圖2 數學模型三八村彎道局部網格剖分

時間步長：最小時間步長0.01s。

糙率：主槽糙率為 0.025～0.028，河道灘地糙率為0.035～0.04。

紊動黏性系數：采用Smagorinsky公式計算，取0.28。

3.3 模型率定驗證

以2018年汛前（6月27日）為起算地形，配合2018年6月27日～9月24日實測水沙資料為進出口邊界，對上述模型進行率定和驗證。

圖3給出了潁上閘下和碼頭兩個測點的水位計算值與實測值的驗證結果。由圖中可見，兩個測點計算的水位過程與實測值均吻合較好，誤差一般控制在0.10m以下，說明模型對邊界的處理和糙率的選取是合理的。

圖3 水位計算值與實測值比較

3.4 計算控制條件

模型共研究兩種河道地形，即航道整治工程實施前河道地形和三八村彎道裁彎半徑為300m的竣工后地形。針對不同的地形，數學模型分別制作相應的網格文件進行分析計算。

分析新老河槽分流比時，需要在三八村彎頂附近垂直河道方向劃定分析斷面，斷面對應河道設計中心線樁號約為K164+908。該斷面切灘前現狀河槽定為老河槽，切灘后老河槽右岸灘地新開挖部分定為新河槽，新、老河槽流量占上游來流總流量百分比為其分流比，見圖4。由圖可知，三八村彎道河道整治工程前彎道中部河槽寬度約165m，河道中心線曲率半徑約200m；整治工程（2017年測）后彎道中部河槽寬度約270m，河道中心線曲率半徑約300m。

圖4 整治工程后局部地形及新老河槽分割示意圖

根據沙潁河河道整治工程通航水位的設計，并對潁上閘下近年來水位流量資料的分析，選取3組工況，包括了平灘水位以下、平灘和最高通航水位。具體工況選擇見表1。

模型計算工況 表1

4 計算結果分析

選取最不利工況，即最高通航水位工況進行工程模型計算結果分析。

4.1 流場、流速分布變化

整治前后工程段流場分布圖見圖5。分析可知：

圖5 整治前、后流速分布圖

①平灘流量以下（600m3/s）：工程前流速最大值位于彎頂下游，最大流速為1.2m/s～1.3m/s，彎頂部位主流偏向于左岸，主流過于集中、局部流速偏大，流速值在0.5m/s～0.6m/s之間。整治后，彎頂區主流偏向于右岸新河槽，由于切灘后彎頂主槽過流斷面面積變大，使得彎頂斷面流速相比較切灘工程前有所減小，彎頂位置主流過于集中、局部流速偏大的情況明顯改變，切灘上下游流速分布更加均勻，通航水流條件改善明顯，流速值為0.2m/s～0.5m/s。老河槽流速較小，流速值僅為0.1m/s～0.2m/s，但沒有出現回流。航道水流平順，流態較好。

②平灘流量（1000m3/s）：由于洪水尚未漫灘，流態和平灘以下流態基本一致。工程前，但由于流量加大，河道內流速有所增加，最大流速為1.4m/s～1.6 m/s，彎頂部位主流偏向于左岸，流速值在0.7m/s～1.0m/s之間。整治后，彎頂區主流偏向于右岸新河槽，流速值在0.4m/s～0.65m/s之間。老河槽流速較小，流速值僅為0.1m/s～0.4m/s，但沒有出現回流。航道水流平順，流態較好。

③最高通航水位（2100 m3/s）：工程前，洪水全部漫灘，雖然流量相比較工況2增加了1100 m3/s，但是由于洪水漫灘，水流過流面積急劇增加，灘地糙率的增加，使得河道水流流速相較于工況2有所減小，最大流速為1.4m/s～1.5m/s，彎頂部位流速值有所增加在0.8m/s～1.2m/s之間。整治后，彎頂部位右岸新河槽流速值有所增加在0.5m/s～0.85m/s之間。航道水流平順，流態較好。

4.2 水動力軸線變化

整治前后水動力軸線變化見圖6。分析可知，工程后，水動力軸線略微向開挖側擺動，最大擺動距離為10.3 m，平均擺動距離為1.29 m，擺動幅度較小。凹岸側流速值減少，凸岸側流速值增大。

圖6 工程前后水流軸線對比圖

4.3 工程后新老河分流比

彎頂切嘴后分流比分析斷面處新、老河槽位置分割見圖4，模型輸出各計算工況分流比分析斷面處新、老河槽行洪流量，由此計算新老河槽分流比。計算結果見表2。

由表2可以看出：三八村彎道切灘后，河槽主流明顯偏向右岸新河槽，新河槽分流比為59.6%～61.3%，老河槽僅38.7%～40.4%；隨著流量增大，右岸新河槽分流比減小，但新河槽分流比大于老河槽的情況沒有改變。

整治工程后新、老河槽分流比 表2

4.4 橫向流速

在三八村彎道航道進口段、彎頂處、出口段設置流速分析斷面，用于提取各斷面流速值。模型流速分析斷面位置見圖2。整理計算各工況實際流速、流向與航道夾角、橫向流速見表3。由表可知，這5個斷面橫向流速變化呈現出的規律基本一致，即隨著流量的增加，斷面的最大流速、主流線與航道的夾角都存在明顯的上升趨勢，受其影響，橫向流速也在不斷的攀升。各工況下橫向流速均小于航道最大允許流速0.3m/s，滿足通航要求。

斷面流速分析表 表3

5 結論

針對沙潁河三八村彎道現有的條件設計了沿現河槽局部采取切嘴工程措施治理方案，并建立了二維水動力維數學模對工程整治后效果進行了分析。結果表明：

①三八村彎道切灘后，切灘處彎道主流過于集中、局部流速偏大的情況明顯改變，切灘上下游流速分布更加均勻，各工況下橫向流速均小于航道最大允許流速0.3m/s，滿足通航要求；

②工程后河槽主流明顯偏向右岸新河槽，新河槽分流比為59.6%～61.3%，老河槽僅38.7%～40.4%；隨著流量增大，右岸新河槽分流比略有減小，但新河槽分流比大于老河槽的情況沒有改變。受此影響，各流量級凹岸頂沖點普遍下移，建議加強對河道的觀測及護岸工作；

③本工程整治方案合理有效，整治后，工程河段內通航條件顯著改善。