長江下游揚中環島崩岸段河勢變化及水動力特征分析

曹雙　劉沛　蔡磊　郭德俊

摘要：為了預防崩岸的發生，對長江下游揚中河段環形島嶼水動力特性及河勢變化情況進行了研究。構建了水動力模型并采用非結構網格中心網格有限體積法求解，對河道斷面形態及河坡比變化進行了分析。結果表明：沉船對指南村崩窩處水位、流速場影響不大，崩窩外側深槽區陡然劇烈沖刷下切是崩窩發生的直接誘因。對于太平洲洲頭左右緣、小炮沙左汊出口段、落成洲右汊出口段等部位，應預防大流量級下主流對環島近岸河床的沖刷，以避免導致岸坡失穩，甚至在灘地狹窄區域直接沖垮洲堤;太平洲洲頭左右緣及泰洲大橋左汊大橋下游側近岸沿岸水流長期流速較大，使近岸河床屬于易沖區，應采取措施預防沖刷以免造成邊坡失穩。

關鍵詞：崩岸;河勢變化;水動力特征;數學模型;環島;長江下游;揚中河段

中圖法分類號：TV147

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.010

1河段概況

長江下游揚中段江心洲發育。北側自洲頭至落成洲河道主流頂沖，深槽貼岸，河床長期以沖刷為主，在長江中下游崩岸治理中被列為重點險工險段，見圖1。南側夾江洲頭段及中部彎曲部位也是局部深槽靠岸，高水位下水流湍急，河床沖刷。長江下游揚中河段河道近年斷面特征見表1。

近10多年來，長江下游來水來沙條件發生了較大的變化，特別是水流含沙量較三峽水庫蓄水前大.幅下降，降幅超過60%。長期清水沖刷作用引發下游部分河段發生崩岸，危及江堤及沿岸居民的安全[1-7]2017年11月8日05：00左右，揚中市三茅街道指南村泰州大橋上游約1.5km處江岸發生較大尺度崩岸，崩岸從外灘向長江干堤迅速延伸，11：20長江千堤開始坍失，至18：00崩岸基本趨于穩定。此次崩岸造成岸線崩塌540m，坍失主江堤440m，崩岸最大進深190m，坍失房屋9戶、江堤涵洞1座，坍失土地面積9.733hm2（146畝）。

2長江中下游崩岸研究現狀

影響崩岸的因素一般分為4類：河岸邊界條件、河流水沙動力條件、水文氣象因素以及人類活動81。對于崩岸的預防主要從河岸邊界條件和河流水沙動力條件l9-1l2個方面考慮，本文主要研究水動力條件對于河岸的影響。

國內對于長江中下游崩岸的研究和預測方法包括：①通過神經網絡預測崩岸的各影響因素8，需要一定的數據量才能得到較為準確的結果;②構建河岸穩定評價體系，根據各影響因子權重，計算出崩岸的總權重來預測崩岸2，需要結合大量的崩岸實例以不斷完善評價指標;③使用先進的現代儀器監測河岸以預測崩岸[9，成本投入較大;④通過模擬崩岸試驗制定崩岸預防措施13-19]9，能夠快速找出崩岸規律，但無法完全模擬真實的崩岸場景。對于不同地區，河岸邊界、水文氣象以及人類活動等影響因素難以形成共性，唯有水動力因素在不同地區具有共性。本文針對水動力因素進行研究，能夠直接分析得出沖刷力較大的位置，提前針對岸邊的結構實施防沖措施。

3水動力模型分析

3.1計算依據

長江下游防洪設計水位近期仍采用《長江流域綜合規劃報告（2012～2030年）》公布的設計標準，按1954年型洪水設計，長江下游防洪設計水位（無臺風影響）為5.35m（江陰水位站），相應設計流量97400～100400m/s（千流85400m'/s，加淮河近期規劃人江12000m'/s，遠期規劃人江15000m'/s）。考慮到崩岸在洪中、枯期的發生概率，從枯水至洪水分5級流量級計算。

3.2基本原理

3.2.1水動力計算原理

采用平面二維模型MIKE21FM，以垂線平均的水流因素作為研究對象，模擬研究水域不同水文條件下非穩態水動力過程，并通過工況計算分析工程建設前后水動力的變化情況。本文采用非結構化網格的水動力模塊進行模擬。

3.2.2模型特點

對于河道灘地復雜的地貌形態，傳統矩形網格如單一矩形差分網格、矩形嵌套網格和曲線網格很難貼合地形邊界。由于長江邊界形狀和河底地形比較復雜，本文模型采用能較好擬合邊界的不規則三角網格作為計算網格（見圖2）。

3.2.3二維淺水控制方程

（1）提出假設。Bousinesq渦粘假定：建立紊動應力和時均流速梯度的關系：

式中，t為時間;x，y，z為右手Cartesian坐標系;n為水位;h為靜止水深;u，v，w分別為流速在x、z方向上的分量;p.為當地大氣壓;p為水密度;p.為參考水密度;f=22sing，為Coriolis參量（其中l=0.729x104s-，為地球自轉角速率，中為地理緯度）;f和fu分別為地球自轉引起的加速度;syw，Syy，syx，syw為輻射應力分量;T，Tn，T.，T為水平粘滯應力項;S為源匯項;u。，v。為源匯項水流流速。

3.2.4初始條件

（1）邊界條件。開邊界：

n，=n，（t）或u，=u，（t）或，=y，（t）

式中，n，、u，、j，為開邊界r上的已知水位、流速過程。

閉邊界：

（2）初始條件：

式中，no為計算初始時刻水位空間分布函數。

3.2.5計算方法

模型求解采用非結構網格中心網格有限體積法[20-21]。對笛卡兒坐標系下二維淺水方程歸一化：

4模型計算方案

4.1數學模型率定與驗證

4.1.1

率定與驗證計算條件

模型采用計算河段2017年8月的實測水文資

料進行率定，采用2017年2月的實測水文資料進行驗證計算。

2017年8月實測期間，布設了K-1L、K-3R、K-6L、K-8L、K-11R等5個水位觀測點;布置了KAZ1、KAZ2、KAZ4L、KAZ4R、KAZ6、KAZ9、KAZ10、KAZ1L、KAZ11M等9個測流斷面進行流速、流向、流量測驗。

局部河演分析表明：指南村崩窩突發是由于坡腳外深槽大幅沖刷下切逼岸、近岸河坡土層抗沖性較差，加之各流量級下近岸流速較大等幾重因素疊加造成的。

治理后的河道斷面變化表明，崩窩外側不規則大深槽依然存在，考慮到模型所算各級水位下近岸流速較大，應對該河段加強監測。

參考文獻：

[1]陳靜茹，張沐川，薛瑤.長江干流江蘇段崩岸應急治理工程經濟效益綜合評價[J].水利規劃與設計，2018（4）：18-21.

[2]李威，黎良輝，賴敬飛，等.長江中下游河流崩岸研究綜述[J].山東工業技術，2018（21）：106.

[3]彭良泉，周波，蘆偉宏對長江中下游崩岸治理設計的幾點思考[J].水利水電快報，2017，38（11）：56-59.

[4]彭良泉，周波.長江中下游崩岸預測若千問題的探討[J].水利水電快報，2017，38（11）：87-90.

[5]盧金友，朱勇輝，岳紅艷，等.長江中下游崩岸治理與河道整治技術[J].水利水電快報，2017，38（11）：6-14.

[6]長江水利委員會.長江中下游護岸工程65年[J].水利水電快報，2017，38（11）：1-5.

[7]褚明華，黃先龍.2016年長江中下游崩岸應急整治思考[J].中國水利，2016（21）：10-11，16.

[8]許全喜，談廣鳴，張小峰.長江河道崩岸預測模型的研究與應用[J].武漢大學學報（工學版），2004，37（6）：9-12.

[9]鄧宇，賴修蔚，郭亮.長江中下游崩岸監測及分析研究[J].人民長江，2018，49（15）：13-17.

[10]余文疇，岳紅艷.長江中下游崩岸機理中的水流泥沙運動條件[J].人民長江，2008，39（3）：64-66.

[11]歐陽履泰，王強，陳敏.長江中下游千流河道崩岸治理[J].人民長江，2000，31（8）：1-3.

[12]王延貴，齊梅蘭，金亞昆.河道岸灘穩定性綜合評價方法[J].水利水電科技進展，2016，36（5）：55-59.

[13]王延貴沖積河流岸灘崩塌機理的理論分析及試驗研究[D].北京：中國水利水電科學研究院，2003.

[14]王路軍.長江中下游崩岸機理的大型室內試驗研究[D].南京：河海大學，2005.

[15]高清洋.長江中下游河道基于坡腳沖刷的崩岸試驗研究[D].長沙：長沙理工大學，2017.

[16]高清洋，劉曉輝，楊陽，等.長江中下游河道順直崩岸頻發段護岸布置形式試驗研究[J].水運工程，2018（7）：91-95.

[17]劉祥玉，劉曉輝，高清洋，等.長江中下游順直河道水流沖刷引發崩岸的模擬試驗[J].水運工程，2019（4）：1-8.

[18]丁彬.長江安徽段彎道河岸崩岸的模型試驗及數值分析[D].合肥：合肥工業大學，2018.

[19]王年華，李明，張來平.非結構網格二階有限體積法中黏性通量離散格式精度分析與改進[J].力學學報，2018，50（3）：527-537.

[20]熊英，關暉，吳錘結.基于有限體積法的非結構網格大渦模擬離散方法研究[J].應用數學和力學，2016，37（11）：1129-1144.

[21]舒安平，周星，余明輝，等.岸坡崩塌條件下彎道環流與水流剪切力的變化特征[J].水利學報，2018，49（3）：271-281.

（編輯：李慧）