SMS模型在灘險整治方案優化與比選中的應用

郭紅波

摘 要：利用SMS（Surface—Water Modeling System）模型，采用六結點的三角形網格單元計算模擬了黃河銀川段航運建設工程（北灘至臨河鄉灘河段）兩個整治方案工程前后流場及水位的變化情況，從水深、流速、比降等方面分析比較各方案整治效果，為灘險整治方案的優化和比選提供強有力的技術支持。

關鍵詞：SMS模型 灘險整治方案 優化與比選

黃河銀川段航運建設工程的建設是寧夏自治區打造“黃河金岸”宏偉目標的需要。本工程根據河床演變特點，結合黃河銀川段實際情況，對黃河銀川段85km河段，通過采取疏浚、固灘、護洲、護岸等工程措施，束水歸槽，塑造良好的灘槽型態，拓寬航道寬度，增加淺灘航道水深，同時對工程河段通過提高航標配布等級，實現航道尺度為1.3m×22m×270m（水深×航道寬度×彎曲半徑）的整治目標，將航道維護標準提高至Ⅴ級。北灘至臨河鄉灘段河段是該工程的一部分，本次計算通過水動力模型對北灘至臨河鄉灘段天然及整治方案情況進行計算，將工程前后水位和流速進行對比，并對比不同整治方案情況下整治效果，為設計提供推薦方案。

2.計算過程

本次計算根據整治流量確定計算入口流量為Q=660m3/s，計算出口水位1106.03m（大沽高程），確定模型邊界條件。

2.1網格劃分

北灘至臨河鄉灘段模型總長約12.4km，北灘至臨河鄉灘段設計提供了兩個整治方案見圖1和圖2所示。采用六結點的三角形網格單元對工程后河段計算區域進行網格劃分見圖3和圖4所示，對布置整治建筑物區域網格進行加密處理。

2.2模型驗證

本模型根據實測地形資料對計算工況整治水位進行驗證模型糙率。根據各控制點水位對模型進行調試，本河段的糙率取值在0.032～0.041之間。

2.3計算成果

整治水位計算工況條件（流量Q=660m3/s）下，計算河段沿設計航線水位圖見圖5和圖6，計算河段流場圖見圖7和圖8，水位和流速變化值見表1。

3.方案的優化與比選

①本計算建立北灘至臨河鄉灘段二維水流數學模型，模型計算結果與天然實測值吻合較好，誤差符合規范要求，模型可用于工程計算。

②計算北灘至臨河鄉灘段總長約12.44km，上游河段河道彎曲支岔和江心洲較多，下游河段相對順直。該灘成灘原因及礙航情況主要是深槽緊貼左、右岸岸線，左岸凸岸彎曲半徑及航寬均不滿足通航要求，右岸岸線不規整，兩岸相錯突出導致航槽極彎曲，航槽有效航寬嚴重不足，為全河段航道最險灘之一，加之局部水深不足而礙航。

③方案一和方案二整治前水深基本都在2m以上，局部部位不能滿足設計航深1.3m以上，配合疏浚工程以后，整個計算河段水深均能滿足設計水深要求。

④實施整治工程后計算結果表明：布置整治建筑物河段在筑壩與疏浚共同作用下表現為：水位雍高、水深增加且能夠滿足設計水深要求，在太銀鐵路橋處整治建筑物較密集的河段，由于筑壩作用明顯，使得整治后該區域水流流速有所增加，在計算流量下，水流流速較分布較均勻，整治流量下，方案一最大流速約為1.38m/s，最大變化值為0.48m/s；方案二最大流速約為1.72m/s，最大變化值為0.82m/s。

整治方案在左右岸設計壩體的初衷就是為了固定整治線，穩定河形，縮窄河床，束水歸槽，集水攻沙，增大主槽水流沖刷力，保持航槽水深。從以上計算結果來看，整治方案一和方案二均達到了預期的整治效果。

方案一和方案二在計算河段下游整治建筑物的布置是一樣的，不同之處在于，不同之處在于，在計算河段上游處，方案二在左岸新開槽航道放棄原有右岸主航槽，從整治前后計算河段壅水情況來分析，設計流量情況下，方案一和天然情況更為接近，水位最大壅高值為0.31m，方案二水位最大壅高值為 1.36m；從流速變化來分析，方案一更多的保留了原天然河道，整治后流速變化總體來看比方案二要小。

綜上所述，確定方案一為推薦方案。

4.結語

SMS二維水流數學模型可以較好地模擬整治灘險的水流條件及工程實施后的整治效果，為灘險整治方案的優化和比選提供強有力的技術支持。

參考文獻：

[1]USERS GUIDE T0 RMA2 WES VERSION 4.3，U.S.Army，Engineer Research and Development Center Waterways Experiment Station Hydrau1ics Laboratory， 1997.

[2]SMS tutorials version 8.0 ，Brigham Young University -Environmental Modeling Research Laboratory March 15，2002.

[3]黃河銀川段航運建設一期工程（太中銀鐵路橋～黃沙古渡風景區段）初步設計報告[R].四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，2014，9.