基于數(shù)值模擬的山區(qū)河道治理方案應用研究

徐 奔

(深圳市廣匯源環(huán)境水務有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概 述

我國幅員遼闊，河流眾多，河流數(shù)量達到45 203條。多年來，因降雨導致的洪澇災害，給當?shù)匕傩赵斐闪司薮蟮慕洕鷵p失。而且，我國山地眾多，山洪的發(fā)生也會造成無法挽回的經濟損失。因此，針對山區(qū)河道治理方案的應用研究，對我國山區(qū)河道治理具有十分重要的意義。

程磊[1]基于數(shù)值模擬，對施工過程全程監(jiān)控，從而使河道治理更科學、規(guī)范。逄雅萍等[2]結合工程實際，從質量、條件等方面出發(fā)，對鋼筋混凝土擋墻等護岸方案進行分析對比，從而選出最優(yōu)護岸結構。高超[3]通過結合實際工況，重點闡述山區(qū)河道生態(tài)治理水平應該如何提升，為后續(xù)工程提供參考。許光虎[4]結合近期山區(qū)河道治理的發(fā)展，分析格賓網的合理運用，使山區(qū)河道具有安全性，可以有效帶動周邊區(qū)域發(fā)展。張堅[5]為合理設計河道治理情況，結合工程實際，提出小型河道在暴雨洪水情況下的計算方法。史督[6]總結前人在河道治理方面的應用與現(xiàn)狀，分析了相關技術的作用性。孫新[7]基于工程實例，對山區(qū)河道治理工程進行分析和研究，探討其具備的優(yōu)勢和發(fā)展側重點。

本文基于數(shù)值模擬對山區(qū)河道治理方案進行研究，具體分析在去生產堤方案和雙防線方案下，對黃河流域艾山河道的治理情況；分析在10年一遇和百年一遇型洪水下，艾山河道的泥沙去留和防護情況，為山區(qū)河道治理研究提供參考。

2 工程概況

黃河對我國的發(fā)展有著舉足輕重的作用，其在歷史上多次改道，導致在其下游灘地被其他施工工程分成百來塊灘區(qū)。因此，對于黃河流域的治理需全面推進。本文根據設計單位布局設置，在黃河流域第一道防線預留分洪和退水口，且主槽相鄰灘地為內灘，防線灘地為外灘，具體情況見圖1。

圖1 初步方案平面簡化示意圖

黃河下游花園口到艾山，河段全長361 000 m，覆蓋面積2 853 000 000 m2。本文研究區(qū)域針對艾山河道治理情況進行研究，其河道洪峰流量為4 331 m3/s、含沙量為60 kg/m3。由于數(shù)值模擬是河道治理方案研究的有效工具，可以有效應對黃河下游河道情況多變且復雜的特點，因此設計控導工程附近網格尺寸為10 m，主槽網格尺寸在80 m之內，灘區(qū)網格尺寸在200 m之內，且計算區(qū)域剖分為94 299個計算單元。其中，艾山防護堤按照11 700 m3/s流量設防。

3 計算方案

由于鋼筋混凝土預制樁和預制板結構施工快、穩(wěn)定性強且價格便宜，因此艾山防護采用鋼筋混凝土預制樁和預制板進行防護。數(shù)值模擬模型對于過流部位概化為溢流堰，其公式為：

(1)

式中：Q為過流量，m3/s；σs、ε分別為淹沒系數(shù)和側收縮系數(shù)；H0為水頭差，m；B為堰頂寬，m。

為反映不同條件下艾山灘區(qū)滯洪沉沙能力及洪水演進情況，以兩場洪水作為入流條件，分別為洪水10年一遇型和洪水百年一遇型，兩場設計洪水特征值見表1。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，10年一遇型洪水的洪峰流量未超過標準，而百年一遇型洪水的洪峰流量超過標準且將向外灘分洪或溢流。但相較于百年一遇型洪水，10年一遇型洪水的含沙量較高，會對護堤產生沖淤影響。

表1 兩場設計洪水特征值

4 結果分析

4.1 洪水傳播

對于洪水傳播情況，百年一遇型洪水和10年一遇型洪水在去生產堤方案和雙防線方案兩種情況下的演進過程見圖2和圖3。

圖2 10年一遇型洪水計算演進過程

圖3 百年一遇型洪水計算演進過程

由圖2和圖3可知，10年一遇型洪水流量整體小于百年一遇型洪水。其中，10年一遇型洪水的兩種方案都隨時間呈先增大后減小的變化趨勢；百年一遇型洪水的去生產堤方案的洪峰流量穩(wěn)定在6 000～9 000 m3/s之間，而雙防線方案的洪峰流量隨時間呈先減小后增大之后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。10年一遇型洪水由于來流小于防護標準，有效阻止河道過流斷面，從而使雙防線方案的洪水波演進比去生產堤方案更快，且雙防線方案的洪峰流量也高于去生產堤方案。而對于百年一遇型洪水，來流大于防護標準，由于雙防線方案分洪至外灘，導致部分洪量在外灘之上，從而減緩洪水的傳播速度，導致下游斷面流量出現(xiàn)減緩。當洪量在外灘達到一定值后，會形成洪峰滯后現(xiàn)象，外灘的洪量將會通過退洪口門回到主槽。

綜上所述，對于防護標準洪水情況，雙防線方案能夠有效保護灘區(qū)，同時可起到灘區(qū)蓄滯洪水作用，降低防洪壓力。

4.2 沖淤分布

對于河段沖淤分布，治理方案中的沖淤部位和沖淤量是主要方面。本文對艾山河段洪水橫向分區(qū)間沖淤量與灘地平均淤積厚度進行統(tǒng)計分析，見表2。

表2 兩種類型洪水橫向分區(qū)間沖淤量與灘地平均淤積厚度

由表2可知，同一方案下，不同級別洪水主槽沖刷量與入口流量大小呈正比。對于10年一遇型洪水時，雙防線方案的沖淤量明顯要低于去生產堤方案；而對于百年一遇型洪水時，雙防線方案的沖淤量與去生產堤方案相差不大，且雙防線方案的內灘沖淤量明顯要高于去生產堤方案，從而提升防洪效果。

4.3 泥沙輸移性質

對于泥沙輸移性質的研究，通過對比不同方案和不同洪水類別比較艾山的輸沙量過程，見圖4和圖5。

圖4 10年一遇型洪水出口輸沙過程

由圖4和圖5可知，無論那種洪水類型下，雙防線方案出口泥沙量都大于去生產堤方案的出口泥沙量，且雙防線方案可以有效提升河段輸沙能力。因此，雙防線方案可以有效提升河道治理的防洪效果。

4.4 雙防線方案的分洪與退水過程

當面對大規(guī)模漫灘洪水時，去生產堤方案灘區(qū)在極短時間內大范圍淹沒周邊環(huán)境，但雙防線方案則對河道具有滯洪作用。由于10年一遇型洪水來流小于防護標準，因此選用百年一遇型洪水進行研究。其中，雙防線方案下艾山分洪與退洪過程見圖6。

圖5 百年一遇型洪水出口輸沙過程

圖6 分洪與退洪過程曲線

由圖6可知，分洪過程與退洪過程相關，可分為未分洪階段、初始分洪階段、分洪與退洪平衡階段以及退水階段。其中，未分洪階段外灘可以得到有效保護；初始分洪階段灘區(qū)需要集中分洪；分洪與退洪平衡階段的分洪與退洪過流量大致相當；退水階段口門過流量逐漸往下回落，直至結束。去生產堤方案和雙防線方案下艾山平均淹沒水深變化過程見圖7。

圖7 平均淹沒水深變化過程曲線

由圖7可知，雙防線方案的平均淹沒水深隨時間變化快速增大，之后趨于穩(wěn)定，但總體小于去生產堤方案平均淹沒水深。

5 結 論

本文基于數(shù)值模擬對山區(qū)河道治理方案進行研究，通過去生產堤方案和雙防線方案下艾山的治理情況，分析在10年一遇型洪水和百年一遇型洪水下，艾山河道在兩種方案下的洪水傳播、沖淤分布、泥沙輸移性質和雙防線方案的分洪與退水過程。結論如下：

1) 10年一遇型洪水來流小于防護標準；百年一遇型洪水來流大于防護標準。10年一遇型洪水流量整體小于百年一遇型洪水，且隨時間呈先增大后減小的變化趨勢；百年一遇型洪水的去生產堤方案的洪峰流量穩(wěn)定在6 000～9 000 m3/s之間，但雙防線方案的洪峰流量隨時間呈先減小后增大之后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

2) 同方案下，不同級別洪水主槽沖刷量與入口流量大小呈正比。10年一遇型洪水時，雙防線方案的沖淤量較好；百年一遇型洪水時，雙防線方案和去生產堤方案的沖淤量相對一致，但雙防線方案可以提升防洪效果。

3) 雙防線方案出口泥沙量大于去生產堤方案的出口泥沙量，且可有效提升河段輸沙能力。

4) 分洪過程與退洪過程相關，可分為未分洪階段、初始分洪階段、分洪與退洪平衡階段以及退水階段。雙防線方案的平均淹沒水深總體小于去生產堤方案平均淹沒水深。