黃河禹潼河段控導(dǎo)拐頭壩長(zhǎng)度比選研究

王李平 安超 孫凱

摘 要：禹潼河段是黃河進(jìn)入下游前最后一段寬河道段，自然滯洪沉沙作用明顯。為協(xié)調(diào)河道防洪、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、滯洪沉沙、護(hù)灘護(hù)站、控導(dǎo)河勢(shì)等治理任務(wù)及目標(biāo)，新一期河段防洪治理工程中，新建續(xù)建控導(dǎo)工程采用了新型控導(dǎo)拐頭壩方案，在控導(dǎo)工程上首布置拐頭壩，可調(diào)整壩后水流流場(chǎng)，預(yù)防回淤口進(jìn)水導(dǎo)致水流抄工程后路。通過(guò)構(gòu)建控導(dǎo)拐頭壩三維模型，采用數(shù)值模擬分析、比選、論證并確定拐頭壩長(zhǎng)度，結(jié)果表明：工程長(zhǎng)度1000m布置500m回淤口方案最優(yōu)，拐頭壩長(zhǎng)度采用200m。

關(guān)鍵詞：控導(dǎo)拐頭壩；水流流場(chǎng)；數(shù)值模擬；黃河禹潼河段

中圖分類號(hào)：TV85；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.012

引用格式：王李平，安超，孫凱.黃河禹潼河段控導(dǎo)拐頭壩長(zhǎng)度比選研究[J].人民黃河，2022，44（1）：58-60，70.

StudyonComparisonandSelectionoftheLengthofControlTurning Head GroininYumenkou TongguanReachoftheYellowRiver

WANGLiping，ANChao，SUNKai

（YellowRiverEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Zhengzhou450003，China）

Abstract：TheriversectionfromYumenkoutoTongguanisthelastwideriversectionbeforetheYellowRiverentersintothelowerreaches. Itsnaturalfunctionofflooddetentionandsedimentdepositionisobvious.Inordertocoordinatethetasksandobjectivesoffloodcontrol，eco logicalenvironmentprotection，flooddetentionandsedimentdeposition，beachprotection，stationprotectionandcontrolandguideriverre gime，inthenewstageoffloodcontrolandguideworks，anewschemeofcontrolturning headgroinwasadoptedforthenewcontinuationof controlandguideworks，whichwasfirstlyusedinthecontrolandguideworks.Itcouldadjusttheflowfieldbehindthegroinandpreventthe waterflowingintothebacksite.Throughbuildingathree dimensionalmodelofcontrolturning headgroinanddeterminingthelengththrough analysis，comparisonanddemonstrationbyusingnumericalsimulation，itshowsthattheschemeof1000mlongworksandthebacksiltout letof500misthebestandthelengthofturning headgroinis200m.

Keywords：controlturning headgroin；flowfield；numericalsimulation；Yumenkou TongguanReachofYellowRiver

黃河禹潼（禹門口至潼關(guān)）河段為晉、陜兩省的天然界河，北接晉陜峽谷，南臨三門峽河谷，河段全長(zhǎng)132.5km，涉及山西運(yùn)城市以及陜西省渭南市。黃河禹門口以下河道驟然放寬，河床由100m的峽谷展寬為4km以上，河道內(nèi)分布有大量灘地，黃河過(guò)潼關(guān)后河寬收縮為850m，折向東流。該段河道穿行于汾渭地塹谷凹地區(qū)，兩岸為高出河床50～200m的黃土臺(tái)塬。該河段屬于淤積性游蕩型河道，是黃河進(jìn)入下游河段前最后一段寬河道河段，其自然滯洪沉沙作用明顯，是黃河干流利用灘區(qū)落淤處理泥沙的重要河段。按照國(guó)務(wù)院批復(fù)的《黃河流域防洪規(guī)劃》有關(guān)禹潼河段的治理布局，依據(jù)河道治導(dǎo)控制線，開展了河段系統(tǒng)綜合治理，兩岸共興建河道整治工程36處，工程長(zhǎng)度169.114km。

在河段系統(tǒng)綜合治理的基礎(chǔ)上，楊韌等[1]結(jié)合調(diào)研及資料分析論證提出了黃河小北干流河段規(guī)劃治理思路，研究認(rèn)為應(yīng)結(jié)合水沙條件變化，依據(jù)兩岸兼治、輕重緩急的原則開展工程措施布局規(guī)劃。潘軼敏等[2]從河道治理工程對(duì)濕地影響的角度，分析了禹潼段河道治理工程對(duì)黃河河漫灘補(bǔ)給、黃河側(cè)流、濕地穩(wěn)定性影響，并從工程布局、施工方式、建筑材料、水文情勢(shì)等幾個(gè)方面分析認(rèn)為，工程不會(huì)阻隔黃河與兩岸灘地的水力聯(lián)系，隨著禹潼河段主流逐步穩(wěn)定，有利于黃河濕地面積相對(duì)穩(wěn)定。張志堅(jiān)等[3]從濕地保護(hù)的角度分析論證了河道工程與濕地相應(yīng)影響及關(guān)系，研究認(rèn)為禹潼段黃河濕地是該河段治理以后所產(chǎn)生的生態(tài)保護(hù)效益的集中體現(xiàn)，它與黃河上游濕地及黃河下游入海口濕地一起，共同對(duì)黃河流域內(nèi)的氣候環(huán)境起著不可忽視的重要作用，應(yīng)當(dāng)引起流域機(jī)構(gòu)及當(dāng)?shù)卣母叨戎匾暡⒓右员Ｗo(hù)。周麗艷等[4]研究了有壩放淤引水時(shí)機(jī)及規(guī)模，綜合分析認(rèn)為引水時(shí)機(jī)一般應(yīng)在每年的7月下旬和8月上旬。當(dāng)流量大于400m3/s、含沙量大于40kg/m3時(shí)開始引洪放淤可以達(dá)到淤區(qū)淤粗排細(xì)效果。楊麗豐[5]分析了黃河禹潼河段沖淤特點(diǎn)及防洪形勢(shì)，認(rèn)為河道淤積導(dǎo)致支流入黃基面抬升，對(duì)支流入黃產(chǎn)生不利影響。孫美云等[6]采用分段馬斯京根法進(jìn)行黃河龍潼河段洪水預(yù)報(bào)，結(jié)果與實(shí)際吻合良好。專家學(xué)者從河段防洪規(guī)劃、綜合治理、濕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)、河道放淤、工程建設(shè)等多方面對(duì)禹潼河段綜合治理提出了研究思路、方法及對(duì)策，為禹潼河段綜合治理奠定了基礎(chǔ)。

禹潼河段河道治理工程布置主要有工程平面布置、回淤口位置及長(zhǎng)度確定兩方面的難點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化工程及回淤口布置，可實(shí)現(xiàn)護(hù)灘護(hù)站、濕地穩(wěn)定及滯洪沉沙的有機(jī)統(tǒng)一。往期禹潼河段治理工程中，控導(dǎo)工程沿治導(dǎo)線布置，對(duì)工程回淤口位置、長(zhǎng)度進(jìn)行了比選、論證及實(shí)踐，受河勢(shì)變化及洪水影響，在運(yùn)行過(guò)程中存在部分工程被水流抄后路現(xiàn)象，導(dǎo)致工程出險(xiǎn)。為協(xié)調(diào)解決好禹潼河段河道防洪、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、滯洪沉沙的治理任務(wù)，保障沿岸群眾生產(chǎn)、生活安全和兩岸大型機(jī)電灌站的引水安全，維持河段兩岸濕地格局相對(duì)穩(wěn)定，新一期河段防洪治理工程中，新續(xù)建控導(dǎo)工程采用了新型控導(dǎo)拐頭壩方案，在控導(dǎo)工程上首布置拐頭壩，可調(diào)整壩后水流流場(chǎng)，預(yù)防回淤口進(jìn)水導(dǎo)致水流抄工程后路。本文通過(guò)構(gòu)建控導(dǎo)拐頭壩三維模型，采用數(shù)值模擬分析、比選、論證并確定拐頭壩長(zhǎng)度，為工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供依據(jù)。

1 計(jì)算方法選取

1.1 二維淺水模型

為了論證分析控導(dǎo)拐頭壩設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)水流條件及水力特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)合控導(dǎo)拐頭壩設(shè)計(jì)長(zhǎng)度下壩后水流流場(chǎng)變化，論證并確定拐頭壩合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。從模型的幾何形狀來(lái)看，水平方向的長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于水深，本次計(jì)算采用二維淺水模型（shallowwaterflows）較為合適，符合以下條件的均勻流體的流動(dòng)可視為二維淺水流動(dòng)。

（1）有自由表面。

（2）以重力為主要驅(qū)動(dòng)力，以水流與固體邊界之間及水流內(nèi)部的摩阻力為主要耗散力，有時(shí)還存在水面氣壓場(chǎng)、風(fēng)應(yīng)力及地球自轉(zhuǎn)柯氏力等的作用。

（3）水平流速沿垂線近似均勻分布，不必考慮對(duì)數(shù)或指數(shù)等形式的垂線流速分布。

（4）水平運(yùn)動(dòng)尺度遠(yuǎn)大于垂直運(yùn)動(dòng)尺度，垂向流速及加速度忽略，水壓力接近靜壓分布。

1.2 控制方程

模型控制方程包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程，對(duì)于水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度、流速等水力參數(shù)沿垂向變化可以忽略的流動(dòng)，可引入布辛涅斯克假設(shè)和靜水壓力假設(shè)，將三維水流運(yùn)動(dòng)控制方程沿水深積分，得到水深平均二維模型的控制方程如下：

1.3 模型及邊界選取

以韓家莊控導(dǎo)下延工程為例，韓家莊控導(dǎo)下延工程分兩段布置，總長(zhǎng)度2.0km。本次分析對(duì)象為下段壩拐頭壩，工程主順河向取1800m范圍，為模型y向；垂直水流方向以壩軸線附近開始向岸邊取1200m范圍，為模型x向；水深方向以實(shí)際地形與設(shè)計(jì)高水位控制。

模型建立采用CATIA軟件，建筑物和地形采用1∶1即原型尺寸進(jìn)行建立，建筑物采用包含雁翅壩垛實(shí)際形狀，地形以壩段局部高程點(diǎn)與總布置結(jié)合抽取點(diǎn)云的方式模擬，計(jì)算模型見圖1。計(jì)算邊界在主河道側(cè)以水位變化邊界為主，不考慮水流順河向的較小流速影響，靠岸坡處邊界為連續(xù)邊界，順河向上游邊界為水位邊界，下游為流出邊界，模型豎向邊界底部為墻面邊界、頂部采用連續(xù)邊界。網(wǎng)格尺寸控制在2.0m左右，由程序自動(dòng)生成，總網(wǎng)格數(shù)為103萬(wàn)個(gè)。

2 數(shù)值模擬分析及成果

為優(yōu)化分析確定控導(dǎo)工程拐頭壩長(zhǎng)度，本次對(duì)工程回淤口布置形式進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)合往期工程布局，選擇工程長(zhǎng)度500m布置200m回淤口、工程長(zhǎng)度1000m布置500m回淤口兩種方案，分析范圍為禹門口至黃淤62斷面，漫灘洪水級(jí)別選用5000m3/s，采用1967年實(shí)測(cè)洪水作為設(shè)計(jì)洪水，洪峰流量為5150m3/s，場(chǎng)次洪水水量為122.3億m3，從過(guò)洪量、流場(chǎng)、口門流速三個(gè)方面研究確認(rèn)本期工程采用工程長(zhǎng)度1000m布置500m回淤口方案。

依據(jù)確定的工程及回淤口布局，拐頭壩數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程為主河道水位逐漸由338.0m抬升至339.88m，并達(dá)到穩(wěn)定流態(tài)。水位抬升時(shí)間為120s，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為600s。

計(jì)算考慮了拐頭壩長(zhǎng)度分別為100、200、300m等3種工況，計(jì)算結(jié)果以流速為主呈現(xiàn)整個(gè)流場(chǎng)不同時(shí)間的分布情況。圖2為100、200、300m控導(dǎo)拐頭壩100、400s時(shí)的流速云圖。流速云圖展示了主河道水位逐漸提升并達(dá)到穩(wěn)定流態(tài)后，不同工況下工程壩后淹沒情況、導(dǎo)流效果、工程掩護(hù)效果。

3 拐頭壩長(zhǎng)度比選結(jié)論

依據(jù)工程及回淤口布置數(shù)值模擬成果，適當(dāng)增大工程長(zhǎng)度及回淤口有利于增大回淤口處過(guò)洪量，過(guò)洪量的增大對(duì)灘槽水沙交換較為有利。根據(jù)流場(chǎng)分析，回淤口增大后，工程附近灘地流速分布均勻，流速大都在0.3～0.4m/s之間，流速不大有利于滯洪沉沙；根據(jù)回淤口口門處流速分析，當(dāng)回淤口寬度過(guò)小時(shí)，可能在回淤口附近因過(guò)流集中導(dǎo)致出現(xiàn)較大流速，從而引起壩前河槽刷深，根石、坦石沖塌，增加工程出險(xiǎn)概率。因此，采用工程長(zhǎng)度1000m布置500m回淤口方案是有利的，可作為工程拐頭壩長(zhǎng)度比選研究的基礎(chǔ)。

結(jié)合確定的工程及回淤口布局，本次拐頭壩長(zhǎng)度比選依據(jù)水位逐步抬升后水流趨于穩(wěn)定，通過(guò)三維數(shù)值模擬分析壩后流速分布，論證不同拐頭壩長(zhǎng)度工程壩后掩護(hù)效果，從而確定本期工程拐頭壩長(zhǎng)度。從3種工況下控導(dǎo)拐頭壩100～600s時(shí)流速云圖對(duì)比，可以看出拐頭壩長(zhǎng)度為100m時(shí)壩段后面基本全部淹沒，導(dǎo)流效果較差，控導(dǎo)工程順直壩段壩后全段基本受水流沖刷；長(zhǎng)度延長(zhǎng)到200m和300m時(shí)，導(dǎo)流效果比較好，順直壩段受控導(dǎo)拐頭壩導(dǎo)流影響，全段基本不受水流沖刷，有利于防范水流抄工程后路的風(fēng)險(xiǎn)。綜合水流流場(chǎng)、流速、工程量及投資等因素比選，推薦控導(dǎo)拐頭壩長(zhǎng)度采用200m，既能預(yù)防回淤口進(jìn)水導(dǎo)致水流抄工程后路，又能合理控制拐頭壩長(zhǎng)度、工程量及工程投資。

本文研究結(jié)論為確定禹潼河段控導(dǎo)工程拐頭壩長(zhǎng)度提供了依據(jù)，但根據(jù)本次數(shù)值模擬流速云圖分析，控導(dǎo)工程直線段部分壩后被淹沒，本次水位抬升控制在1m以內(nèi)，在水位進(jìn)一步抬升的情況下存在沖刷破壞的風(fēng)險(xiǎn)。下一步應(yīng)結(jié)合禹潼河段歷史實(shí)測(cè)及理論分析洪水成果，分析大流量情況下控導(dǎo)工程拐頭壩布置方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，本期將工程布置方案優(yōu)化為工程長(zhǎng)度1000m布置500m回淤口方案有利于灘槽水沙交換及滯洪沉沙；工程采用拐頭壩方案有利于防止水流抄工程后路，通過(guò)比選，拐頭壩長(zhǎng)度采用200m既有利于防止水流抄工程后路，又能合理控制工程投資。

通過(guò)構(gòu)建三維模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，合理確定控導(dǎo)工程拐頭壩長(zhǎng)度，有利于優(yōu)化黃河禹潼河段新續(xù)建控導(dǎo)工程平面布置，實(shí)現(xiàn)該河段滯洪落淤、護(hù)灘護(hù)站、濕地保護(hù)及控導(dǎo)河勢(shì)，有利于控導(dǎo)工程布置形式的創(chuàng)新，對(duì)于河段防洪工程布置與設(shè)計(jì)有指導(dǎo)性。

黃河禹潼段“十三五”治理工程安排新續(xù)建控導(dǎo)工程12處，長(zhǎng)度23.86km，工程建設(shè)運(yùn)行后，應(yīng)加強(qiáng)工程監(jiān)測(cè)，特別是汛期工程運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)，開展拐頭壩布置方案后評(píng)價(jià)，為禹潼河段進(jìn)一步治理進(jìn)行布置方案優(yōu)化提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

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