論丁壩壩長變化對河道斷面流速分布的影響

孫宇飛

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 概述

大遼河系指太子河入渾河匯流口三岔河起，至河口止的一段河流，河長96km。本文選擇大遼河崗皮嶺險工段為例，該河段位于大遼河三岔河至田莊臺段，河段具有洪沖枯淤的特性，河道蜿蜒曲折，灘槽分明，是較典型的平原彎曲型河道，造床流量約1000～1200m3/s。該河段既受河水控制又受潮水影響，使彎道凹岸不斷上提下挫，造成塌岸，形成多處險工。該險工現狀已有防護工程，共有丁壩10座，壩間為平順護岸。現狀河道及丁壩平面位置如圖1所示。

本文采用河道二維水力計算的方式，在現狀丁壩布置的基礎上，進行不同壩長方案水力計算結果的比較，分析不同設計壩長對該河段河道斷面流速分布的影響。

圖1 現狀河道及丁壩平面位置圖

2 計算方法及方案選擇

2.1 計算方案

本次計算是在現狀丁壩位置選擇不同丁壩壩長的計算方案來比較不同方案下的河道斷面流速，選取的計算方案見表1。

表1 選擇計算方案情況說明表

針對選取的計算方案，考慮區域河道水流力學性質及現狀丁壩工程的工程特點，選取與該河段防洪標準相應的50年一遇防洪流量和河床平灘流量2個流量級作為本次水力計算的典型流量。

考慮不同計算方案對河道斷面流速影響的情況，本次選取垂直于各丁壩壩軸線共10個壩上斷面及壩上游、下游、壩間共11個壩間斷面做為觀測斷面，以比較各斷面流速分布的變化情況。鑒于大遼河主槽為主要過流區域，且丁壩均布置于河道主槽之中，因此，觀測斷面以現狀主槽兩端為界，選取觀測斷面位置，如圖2所示。

圖3 二維計算模型基礎地形示意圖

圖2 觀測斷面位置圖

2.2 計算范圍

沿大遼河自崗皮嶺村至下游盤山南塘抽水站，計算河長2.4km。

2.3 地形處理

采用基礎地形數據為2013年實測1∶1000帶狀地形圖及河道大橫斷。依據實測河道地形及水力計算軟件中網格處理及地形插值等相應功能，建立并插值形成計算區域網格基礎地形，如圖3所示。

2.4 糙率

本次水力計算參照已有水力計算成果，結合現狀河道的地形、地貌、河槽組成、水流條件等特性，并考慮近年來河段地貌、植被變化及清障等因素對糙率的影響，最終確定河道糙率。主槽糙率為0.022～0.025，灘地糙率為0.09～0.13。

2.5 起點水位及計算流量

(1)設計洪水流量及起點水位的確定

大遼河50年一遇設計洪水流量為8795m3/s；起點水位參照已有水面線計算成果，經線性插值確定。

(2)平灘流量及起點水位的確定

參照已有成果中相關論述，選擇1200m3/s作為平灘流量進行計算，以說明在表征綜合造床作用的平灘流量下工程區域的水流特性。平灘流量下模型的起點水位參照已有水面線計算成果，線性內插確定平灘流量下模型起點水位。

3 洪水流量下流速分布影響分析

3.1 壩上斷面

各壩上斷面不同方案下流速分布對比如圖4、5所示。由圖可見，由于丁壩擠占主槽行洪斷面，引起斷面流速分布變化，丁壩壩身位置普遍出現流速增大現象，隨著丁壩壩長的增加，流速最大增加值位置普遍向對岸側偏移。然而丁壩壩長對不同斷面的影響不盡相同。彎頂上游位置丁壩斷面(如1#、3#)隨著丁壩壩長的增加，流速分布變化較大區域集中在靠近丁壩壩身位置，丁壩的挑流作用對對岸一側(即河道左岸)流速分布影響較小，3#斷面各方案下相同位置流速最大差值為1.23m/s，對岸一側相同位置流速最大差值為0.09～0.16m/s，究其原因，是因為彎頂上游處河道主流貼近凹岸，丁壩挑流對河道凹岸主要過流區域作用較為明顯，而對河道對岸作用相對較小。

彎頂下游丁壩斷面(如8#)隨著丁壩壩長的增加，流速變化最為明顯區域仍集中在丁壩壩身位置附近，而全斷面流速(包括對岸一側)均出現了較為明顯的變化，8#斷面各方案下相同位置流速最大差值為1.84m/s，對岸一側相同位置流速差值為0.97～1.16m/s，隨著河段進入彎頂以下，主流逐漸居中，因此丁壩擠占河道斷面對全斷面的流速分布的均產生了一定的影響。

圖4 洪水流量下各方案3#斷面流速分布圖

圖5 洪水流量下各方案8#斷面流速分布圖

3.2 壩間斷面

各壩間斷面不同方案下流速分布對比如圖6、7所示。由圖可見，壩間斷面受上下游丁壩的作用，引起各斷面流速分布呈現了不同程度的變化，河道凹岸一側(右側)由于丁壩挑流的作用，近岸流速普遍有所減小。

不同斷面受丁壩壩長影響流速分布的變化仍有其各自的特點：彎頂上游位置斷面(如1#+)隨著丁壩壩長的增加，凹岸側流速普遍有所減小，對岸一側流速變化相對不明顯，1#斷面各方案下凹岸相同位置流速最大減小值為0.40m/s，對岸一側相同位置流速差值為-0.02～0.03m/s。

彎頂下游壩間斷面(如8#+)隨著丁壩壩長的增加，凹岸一側流速仍然出現了不同程度的減小，對岸一側流速卻出現了不同程度的增加，8#+斷面各方案下凹岸相同位置流速最大減小值為0.96m/s，對岸一側相同位置流速最大增加值為1.14m/s。

圖6 洪水流量下各方案1#+斷面流速分布圖

圖7 洪水流量下各方案8#+斷面流速分布圖

4 平灘流量下流速分布影響分析

4.1 壩上斷面

各壩斷面不同方案下流速分布對比如圖8、9所示。由圖可見，平灘流量下，各斷面隨著丁壩壩長的變化呈現出的斷面流速分布規律較為一致，凹岸位置隨著不同丁壩壩長的阻水作用流速最大值或流速最大增加值及其位置出現了不同程度的變化，對對岸一側來講，丁壩的挑流作用比較明顯，各斷面流速均出現了較為明顯的增大。

2#斷面各方案下凹岸位置流速變化值為-0.47～0.16m/s，對岸位置流速最大增加值為0.40m/s，10#斷面各方案下凹岸位置流速變化值為-0.53～0.48m/s，對岸位置流速最大增加值為0.69m/s。

圖8 平灘流量下各方案2#斷面流速分布圖

圖9 平灘流量下各方案10#斷面流速分布圖

4.2 壩間斷面

各壩間斷面不同方案下流速分布對比如圖10、11所示。平灘流量下，各壩間斷面隨著丁壩壩長的變化呈現出的斷面流速分布規律同樣較為一致，凹岸位置由于丁壩的阻水作用，各斷面流速均明顯減小，只是不同丁壩壩長下流速最大減小值及其出現位置有所不同，對岸一側受丁壩挑流作用，各斷面流速均出現了較為明顯的增大。

2#+斷面各方案下凹岸位置流速最大減小值為0.39m/s，對岸位置流速最大增加值為0.47m/s，6#+斷面各方案下凹岸位置流速最大減小值為0.60m/s，對岸位置流速最大增加值為0.62m/s。

圖10 平灘流量下各方案2#+斷面流速分布圖

圖11 平灘流量下各方案6#+斷面流速分布圖

5 成果分析

由以上計算成果可知，洪水流量和平灘流量下丁壩壩長的變化均引起河道斷面流速分布的變化。隨著丁壩壩長增加，擠占主槽行洪斷面的面積也隨之增加，引起的斷面流速的變化也愈加明顯，不同流量下河段不同位置流速分布變化的特點也有所不同。

(1)洪水流量下，隨著丁壩壩長的增加，壩上斷面壩身位置流速普遍增大，流速最大增加值位置逐漸向對岸側偏移。河道彎頂上游位置壩上斷面流速分布變化較大區域集中在壩身位置附近，對岸一側流速分布變化較小。彎頂下游位置壩上斷面壩身位置流速變化仍最為明顯，而全斷面流速分布均受丁壩長度的影響出現了較為明顯的變化。

(2)洪水流量下，壩間斷面由于受上下游丁壩的作用，斷面流速分布呈現了不同程度的變化。丁壩壩長越長，流速分布的變化程度越為明顯。河道凹岸側壩身上下游位置受丁壩阻水挑流的作用近岸流速普遍有所減小，河道彎頂上游位置斷面對岸一側流速變化相對不明顯，彎頂下游位置斷面對岸一側流速受丁壩挑流影響出現了不同程度的增大，壩長越長，流速增加值越大。

(3)平灘流量下，壩上斷面隨丁壩壩長的增加呈現出的斷面流速分布規律較為一致。凹岸側壩身位置隨著不同丁壩壩長的阻水作用流速最大值或流速最大增加值及其位置出現了不同程度的變化，對岸一側受丁壩挑流作用較為明顯，各斷面流速增大均較為明顯，壩長越長，流速增加值越大。

(4)平灘流量下，壩間斷面隨丁壩壩長變化呈現出的斷面流速分布規律同樣較為一致。凹岸側壩身位置受丁壩阻水作用各斷面流速均明顯減小，對岸一側受丁壩挑流作用各斷面流速均明顯增加，壩長越長，流速變化值越大。

6 結論

丁壩壩長的增加雖可降低近岸流速，防止凹岸沖刷崩退，但也會引起壩身位置流速的增加，進而影響丁壩工程自身的建筑結構安全。同時由于丁壩的挑流作用，對岸一側流速普遍增大，會增加河道對岸岸線沖刷后退的可能。實際工程運用中，宜根據河道水力特性，結合當地工程實際經驗，綜合考慮諸多因素，合理確定丁壩工程布置及結構型式。

本文選擇典型河段為平原區蜿蜒型河段，文中僅考慮典型河段丁壩壩長對河道斷面流速分布的影響，其余丁壩諸多影響因素及其對河道水力特性其他方面的影響仍有待進一步研究。

[1] 張瑞瑾. 河流泥沙動力學(第二版)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1998.

[2] 謝鑒衡. 河床演變及整治[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1997.

[3] 李煒, 徐孝平. 水力學[M]. 武漢: 武漢水利電力大學出版社, 1999.

[4] 崔承章, 熊治平. 治河防洪工程[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2004.

[5] 錢寧, 萬兆惠. 河流泥沙動力學[M]. 北京: 科學出版社, 1983.

[6] 遼寧省水利水電勘測設計研究院. 太子河(含大遼河)防洪治理工程可行性研究報告[R]. 沈陽. 2015.

[7] 遼寧省水利水電勘測設計研究院, 太子河(含大遼河)應急防洪治理工程盤山縣大遼河右岸崗皮嶺護岸工程初步設計報告[R]. 沈陽. 2014.

[8] 陳志軒. 透水丁壩下游流場初步探討[J]. 河海大學學報, 1987, 15(01): 19- 27.

[9] 孔祥柏, 胡美英, 吳濟難, 等. 丁壩對水流影響的試驗研究[J]. 水利水運科學研究, 1983(02): 67- 77.

[10] 蔣煥章, 蘇治平. 丁壩防護試驗研究[J]. 鐵道工程學報, 1984(02).

[11] 李國斌, 韓信, 傅津先. 非淹沒丁壩下游回流長度及最大回流寬度研究[J]. 泥沙研究, 2001(03): 68- 73.

[12] 劉俊成, 宋秀宏. 平原蜿蜒型河道險工整治措施與應用[J]. 水利規劃與設計, 2009(02): 31- 33.