萍水河防洪工程模型試驗(yàn)分析

盧啟東

（江西省水利水電開發(fā)有限公司，江西 南昌 330029）

1 工程概況

萍水河防洪工程所在的萍水流域是湘江下游一級支流，流域全長166 km，流域面積5 675 km2。根據(jù)萍鄉(xiāng)氣象站1981～2010年的相關(guān)氣象統(tǒng)計(jì)資料，流域內(nèi)多年降水量均值1 624.70 mm；歷年月降水量最大值為659.40 mm，出現(xiàn)在6月，月降水量最小值為0.60 mm，出現(xiàn)在12月；全年發(fā)生日雨量大于100 mm的天數(shù)為4.40d，日雨量大于50 mm 的天數(shù)18 d。萍水流域洪水屬于典型的暴雨洪水，年洪水最大值一般出現(xiàn)在4～9月份，其中以6月份發(fā)生的頻次最大，7月份以后，在臺風(fēng)等外界因素的影響下也存在較大的發(fā)生短歷時(shí)洪水的可能。

通過模型試驗(yàn)，研究該防洪工程修建前后河床變形及不同設(shè)計(jì)洪水流場等情況，從而為萍水河防洪工程設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

2 模型設(shè)計(jì)

此研究主要進(jìn)行萍水河防洪工程所在流域歷史洪水驗(yàn)證，工程建設(shè)前后河道在10年、20年一遇洪水下的沖刷深度，工程建設(shè)及洪水條件對河道壅水的影響，堤頂高程，護(hù)砌高程，堤線優(yōu)化等的計(jì)算分析。

2.1 設(shè)計(jì)原則

結(jié)合該防洪工程所在流域河道特性、試驗(yàn)要求及工程實(shí)際，采取整體變態(tài)河工模型進(jìn)行該防洪工程建設(shè)前后河道水力特性及沖淤變化的動(dòng)床模型試驗(yàn)。在進(jìn)行研究河段模擬時(shí)必須保證水工模型水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相似于河床變形，具體包括水流重力與慣性力的相似以及河床沖刷變形的相似，并按照滿足最小水深和流態(tài)相似等要求選擇幾何比尺。依據(jù)水流、泥沙相似準(zhǔn)則和模型幾何比尺設(shè)計(jì)要求，所提出的該防洪工程水工模型控制比尺具體見表1。

表1 水工模型比尺匯總表

2.2 模型布置

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康募斑^程控制要求進(jìn)行該防洪工程特征水位觀測點(diǎn)及平面布置。動(dòng)床區(qū)實(shí)行沙塑制地形，上游定床一區(qū)通過水泥抹面、塑花增糙，河槽設(shè)計(jì)寬度5～8 mm，長度25～30 mm；下游定床二區(qū)通過水泥抹面、碎石增糙，河槽設(shè)計(jì)寬度5～8 mm，長度25～30 mm；灘區(qū)通過粗石增糙，該段設(shè)計(jì)寬度8～10 mm，長度30～40 mm。為確保模型起動(dòng)過程與萍水河防洪工程實(shí)際接近，還應(yīng)保證模型沙選擇的合理性，為此應(yīng)專門進(jìn)行模型泥沙起動(dòng)水槽試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本研究所選擇的模型沙的起動(dòng)過程基本符合梅葉～彼得公式及沙莫夫公式。根據(jù)模型沙粒徑比尺的比較結(jié)果，最終確定以篩選處理后的中值粒徑0.60～0.90 mm的信陽粗砂為模型沙。

3 模型試驗(yàn)

萍水河防洪工程所在流域于2014 年發(fā)生大洪水，重現(xiàn)期15a，出現(xiàn)時(shí)間較近、查證資料詳實(shí)、代表性強(qiáng)。通過模型試驗(yàn)，增糙處理后試驗(yàn)河段水位和調(diào)查洪痕吻合，觀測點(diǎn)水位所對應(yīng)的誤差均不超出0.12 m，符合試驗(yàn)水位相似方面的要求。

3.1 自然狀況模型試驗(yàn)

工程所在流域河道沿程的洪水比降并不相同，在交匯區(qū)水流的作用下，河段上游比降值僅為0.04%，交匯后的洪水比降為0.14%，下游河段受地形影響后比降增大至0.23%；此后的河段因受到下游河岸地形的挾持，比降又恢復(fù)緩慢狀態(tài)，降至0.05%。

3.1.1 洪峰流場流態(tài)

結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果，工程所在流域河勢受到河道地形的影響較大，對于10年一遇洪水，水流主要沿河槽成蜿蜒流動(dòng)態(tài)勢；此后隨著流量的增大，水流的慣性也隨之增強(qiáng)；對于20年一遇洪水的洪峰期，河勢主流基本呈走直趨勢。河道上游交匯區(qū)河勢表現(xiàn)出較為明顯的擠壓趨勢，主流偏向河道左側(cè)，并在左岸樁號1+020附近緊貼左岸、直逼堤防，造成左岸主流水位明顯高出右岸水位。此范圍內(nèi)左右岸流速分別在2～2.50 m/s和1.30～2.10 m/s范圍內(nèi)變化，超過此范圍后主流偏向左岸呈下行態(tài)勢。

對于20 年一遇洪水，其洪水期內(nèi)洪水所對應(yīng)的河勢于10年一遇洪水期基本一致，1+000斷面以下主流主要沿河道右岸蜿蜒推進(jìn)，到達(dá)交匯區(qū)之后便與河道右偏主流結(jié)合成連續(xù)偏轉(zhuǎn)寬流帶，并表現(xiàn)出趨直的河勢；在超出2+000 斷面后河道寬度增大，主流呈逐步擴(kuò)散趨勢。對于10年和20年一遇洪水，主流流速通常不超出1.60～2.60 m/s及2～2.80 m/s的范圍，最大流速可分別達(dá)到2.90 m/s和3.40 m/s?？傊?，根據(jù)放水試驗(yàn)結(jié)果，防洪工程所在河道河勢整體穩(wěn)定。

3.1.2 河床沖淤變形

洪峰上漲期內(nèi)，流域河段河床沖刷普遍，且主槽沖刷嚴(yán)重，局部河段甚至存在較為強(qiáng)烈的溯源沖刷和沿程沖刷；其余河道原串溝也存在十分明顯的沖刷展寬，但漫水區(qū)河床并未發(fā)生較大變形。洪峰下落期間，流域河段主河槽沖刷態(tài)勢仍然存在，但是強(qiáng)度比上漲期明顯減弱，寬度較大河槽回淤不明顯，但原沖刷深度較大、展寬較小的串鉤回淤普遍；大尺度沙坡運(yùn)動(dòng)在這一時(shí)期明顯減緩，甚至在部分河段還因泥沙堆積而出現(xiàn)停滯沙洲、嫩灘。10 年和20 年一遇洪水下沖刷深度一般在0.60～1.20 m和0.80～2 m之間，局部沖深最大可達(dá)2.50 m和3.20 m。

3.2 工程條件方案試驗(yàn)

3.2.1 堤防工程

根據(jù)不同量級洪水的放水試驗(yàn)結(jié)果，洪水期間河勢居中，全斷流均勻過流，河勢順暢，不存在典型的回流區(qū)和偏流區(qū)，為此可以斷定，該防洪工程平面布置合理。結(jié)合該河段模型實(shí)際過流情況，水流平順，且洪峰期間洪水位不高，河道流速不超出2.50～3.80 m/s 范圍；河段也不存在強(qiáng)烈的沖淤變形，對工程安全無較大影響。所以該河段設(shè)計(jì)過流寬度也切實(shí)合理。防洪工程附近洪水來流平順，無明顯的平面立軸環(huán)流與折沖水流，防洪堤防底部所設(shè)置的鋼絲石籠防護(hù)帶對減緩岸坡沖刷、保護(hù)堤防安全具有重要作用。但交匯區(qū)左岸堤防在長期頂沖作用下存在較深的局部沖刷，必須加強(qiáng)防沖處理。

3.2.2 攔河壩特征洪水水面線

洪水平堤前水位基本隨著流量的提升而升高，對于不同頻率洪水水面線而言，因攔河壩上游河道主流線向左偏斜，即使同一橫斷面流速仍表現(xiàn)出較大的不同，左岸水位明顯低于右岸；不同河段主流側(cè)水位均呈較低趨勢，直到邊灘回流區(qū)水位才恢復(fù)較高。

下游攔河壩建成后使得上游攔河壩壩前水流流速降低、水面比降減小，水流擴(kuò)散時(shí)間延長，進(jìn)而在該河段交匯區(qū)內(nèi)因水流頂托作用引發(fā)壅水的可能性較大。攔河壩前因小范圍反坡水面線的存在，壅水造成水位差，下游還會(huì)發(fā)生水跌，此處的水面線也會(huì)表現(xiàn)出較為明顯的局部性下降，增大下游流態(tài)的復(fù)雜程度。攔河壩下游右岸存在強(qiáng)烈的局部回流，進(jìn)而對此處河床產(chǎn)生強(qiáng)烈的淘刷，沖坑深度較大。攔河壩下游壩踵四周還存在強(qiáng)烈的立軸旋渦和橫軸旋渦，同樣對所在位置河床造成淘蝕。大洪水過后，會(huì)在攔河壩下游壩踵四周沿壩軸線方向留下明顯的沖刷溝，洪水經(jīng)過攔河壩后，右堤周圍便頻繁出現(xiàn)小流速回流區(qū)。

通過對不同頻率下實(shí)際水位的分析發(fā)現(xiàn)，該河段洪水位受到防洪工程較大的遏制影響，對于水流收縮及流速加大河段，洪水位明顯偏低，而對于低速回流區(qū)域水位又明顯偏高。此外，攔河壩的修建對于河段局部流態(tài)也存在明顯影響，壩前存在明顯壅水，壩后又表現(xiàn)為水跌。

3.2.3 攔河壩河床沖淤變形

經(jīng)過對典型洪水后河道地形的測量和分析發(fā)現(xiàn)，該防洪工程堤壩增設(shè)鋼絲石籠防護(hù)后攔河壩上游左右堤和河道的沖刷程度明顯減弱。10年一遇洪水下左堤沖深最大達(dá)到3.20 m，右堤淤積厚度則在0.50～1.20 m；20 年一遇洪水下主流主要表現(xiàn)為居中態(tài)勢，對河岸根部的沖刷明顯減小，左堤沖深不超出0.30～1.20 m的范圍，右堤淤積則在0.50～1.60 m。

4 結(jié)論

綜上所述，通過對萍水河防洪工程水工模型試驗(yàn)的分析得出，所研究河段在小規(guī)模洪水及大洪水下主流偏左、居中，洪水流速最大可達(dá)3～4 m/s，左岸頂沖所引發(fā)的沖刷深度較大，且在河床沖刷的作用下，流量不變情況下退水水位比漲水水位低。防洪工程建成后河勢逐漸從偏左狀態(tài)扭轉(zhuǎn)為居中及全斷面過流，且不存在典型的回流和偏流區(qū)，表明防洪工程平面布置較為合理；交匯區(qū)因頂沖的作用而使河道局部沖刷加大，為此必須加強(qiáng)防沖處理，也表明該防洪工程堤岸所采取的鋼絲石籠防沖措施抵御局部沖刷的效果良好。