塔里木河干流河段河道整治工程沖刷數值模擬

金慶日

（塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000）

0 引言

洪水是導致地形地貌變化和坡面侵蝕形成的主要原因[1]，這些大多是人類無法控制的因素。每年6月至9月，我國部分流域受到季風的影響，降雨量陡增，平均降雨量可達1 800 mm/a[2，3]。豐富的水資源仍未得到充分利用，反而頻繁的洪水造成了嚴重的災難，流域內的一些地區不斷受到河岸侵蝕和洪水的破壞[4]。下墊面的復雜構造和季風性降雨會導致河中的水流存在不穩定性，因此對于洪水的形成，預報的難度較大[5]。但是可以通過物理模型和數值模擬對河流平衡沖刷深度進行預測，從而設計出合適的河道整治建筑物，進一步抵御侵蝕繼續發展[6]。

1 研究區概況

塔里木河全長2 179 km，由葉爾羌河、和田河、喀什噶爾河、阿克蘇河等匯合而成，由于來自冰山的融水含沙量大，河床很不穩定，被稱為“無韁的野馬”。位于阿克蘇地區農一師阿拉爾市的塔里木河大橋，1995年建成，全長605 m，引道長673 m，是開發塔里木石油的第一座大橋，是通向塔克拉瑪干大沙漠的必經之橋，為塔里木河上游與中下游的分界點。塔里木河不僅是中國最大的內流河，其河道的橫截面和平面幾何形狀在洪水的作用下多年來不斷變化，河道幾次改變了路線。北岸由相對較硬的粘性物質組成，而南岸是由松散的物質組成的，這種物質極易被侵蝕，需要修建河道整治工程（RTW），以修復橋梁交叉處的岸線，尤其是南岸部分。

預計在項目使用壽命內，河道將向南遷移，在這種情況下，沿南護岸坡腳的最大沖刷深度可能超過65 m。本文采用該沖刷深度評估兩種形態動力學模型的模擬能力。

2 塔里木大橋介紹

2.1 水力要素

通過查閱塔里木河流域干流管理局現有的資料、歷年《新疆維吾爾自治區水文年鑒》中與塔里木河阿拉爾段徑流、水文相關的部分，經過統計，歷年橋址的岸灘流量在60 000～90 000 m3/s之間變化，平均約為75 000 m3/s。大橋附近主要流量與水位情況見表1。由于水位流量曲線呈現較大的分散性，因此，表1中的水位視為平均值。100年一遇的洪水估計為128 000 m3/s，考慮到氣候變化的潛在影響，將其設計為148 000 m3/s，用作橋梁工程的設計洪水。

表1 大橋附近主要流量與水位情況

橋址附近的平均坡度為0.000 05（5 cm/km）。在2009年，汛期測量橋梁交叉口周圍幾個橫斷面上的水深和流速，當時岸邊的流速為76 000 m3/s，測得的平均水深和流速分別為11 m和1.4 m/s，而相應的最大值分別為25 m和2.5 m/s。橋梁段100年重現期的平均流速估計為4.6 m/s。

2.2 河道整治工程

河道整治工程是保證橋梁穩定過水的必要條件也是物理模型試驗的重點。南岸由易受侵蝕的松散沖積礦床組成，如果沒有河道整治建筑物，南岸很容易受到侵蝕。建議沿南岸設置8.0 km長的導向護岸作為河道整治工程，護岸從橋的上游延伸7.2 km，從橋的下游延伸0.8 km。通過物理模型和兩類數值模型進行沖刷等級模擬，每種方法都有其優缺點，使用多種方法并對照實測數據，識別出了一種較優越的方法。

3 河道整治工程沖刷的物理模型

設置4個動床物理模型，分別研究局部橋墩沖刷、對河道整治建筑物的沖刷和土工袋下水的沖刷。其中2個物理模型模擬河道整治建筑物的沖刷見表2。物理模型以大橋為邊界，分別模擬上下游7.2 km和0.8 km的來水情況，來水條件模擬百年設計洪水的流速，所用的輕型砂與天然砂的比重為1∶2。表2中的試驗組模型尺寸是天然河床的縮略版，采用相同的設計洪水流速，為了修正流速帶來的試驗結果影響，用降低河床坡比的方式對其進行修正。

河床被天然沉積物覆蓋，平均粒徑為0.1 mm。測試的水流條件是多年平均流量和百年一遇洪水。研究發現，來水對局部橋墩的沖刷影響不大，橋墩并沒有明顯的損壞程度；但當河流以45°角沖擊南岸河道整治工程時，情況最為不利。在此情況下，防洪堤壩腳處出現了凹陷，同時在防洪堤下部會形成一個深的沖刷坑。沖刷坑中的最低河床高程在-51～-61 m之間變化。由此可見，洪水對河道整治建筑物與土工袋下水的危害比較嚴重。

表2 原河床和試驗河床對照表

試驗組斷面中上游平均流速在3.0～3.5 m/s之間變化，當水流經過彎曲的河道整治工程時，將增加到4.3～4.6 m/s，類似于百年一遇洪水的流速。流速的增加導致了道整治工程周圍局部沖刷的加劇，特別是在凸起防洪堤頭部附近，這也是在原河床模型中觀察到的。剖面模型中測量的最小河床高程在標高之間變化如圖1所示。

圖1 河道沖刷橫截面測量示例圖

物理模型試驗表明，盡管流量、輸沙方式會影響沖刷破壞的發展速率，但它們對平均流量下的沖刷沒有顯著影響。

4 數值模型設置

物理模型顯示，當水流沿南岸集中時，將出現對南岸河道整治工程最不利的條件，因此數值模型也設置了這些水流條件。數值模型中保留了物理模型中沿南岸的水流線形、幾何形狀和彎道。模型中引入了一個與南岸平行的虛擬北岸，以保持恒定的河道寬度，避免人為因素導致的收縮效應。模型包括主河道、部分鄰近洪泛區、導向護岸、高防洪堤和一段引道。數值模型長8.0 km，主河道寬230 m。對河道沖刷數值模型進行網格劃分見圖2，在4 023個節點中設置7 587個三角形元素，除了凸起的堤岸附近，節點之間的距離減少到1 m。

在泥沙輸移計算中，假定河床被均勻的0.1 mm泥沙覆蓋，運輸率是用恩格爾隆德-漢森方程計算的。護岸的邊坡比假定為1∶1，邊界條件：上游部分的流量為148 000 m3/s，并假設泥沙流入處于平衡狀態，即通過泥沙輸移方程計算。

圖2 河道沖刷數值模型網格劃分

使用T2D和R2D兩個形態動力學模型來模擬河道整治工程沖刷。這兩個模型使用的是非結構化網格，設定了相同的網格和邊界條件。對于湍流模型而言，R2D使用了一個簡單的方程模型，該模型假設渦流粘度與當地水深和剪切速度的乘積成比例；而T2D使用的是雙方程k-ε湍流模型。

5 結果分析

5.1 流體力學

在形態動力學模擬開始之前，通過兩個流體動力學模型計算的標量速度場的對比情況見圖3。盡管使用了相同的網格、粗糙度和邊界條件，但兩個模型預測的速度場并不相同。

圖3 初始速度場分布情況

在斷面模型中觀察到的范圍內，兩個模型中計算的流入速度均為3.1 m/s。兩個模型都預測最高局部速度出現在防洪堤的上游，即河岸整治建筑的最大曲率位置，見圖3。R2D預測峰值速度為4.3 m/s，而T2D預測為4.2 m/s，物理模型也呈現了這個結果。由于T2D模擬系統相當復雜，開始模擬之前需要設置幾個數值選項（例如邊界條件處理、摩擦定律、湍流模擬、平流類型等）。為了獲得圖3所示的T2D結果，需要對輸入參數進行大量的測試和更改。在這種特殊情況下，使用T2D的默認選項進行模擬并不能產生真實的速度分布。相比之下，R2D的設置相對簡單，只使用了默認選項。

5.2 形態動力學

在計算初始速度場后，將模型與形態動力學模塊相結合，進一步預測河床隨時間的變化。在50 d后達到最大沖刷深度，通過形態動力學模型計算的河床水位見圖4。

圖4 50 d后通過形態動力學模型計算的河床水位

位于凸起防洪堤頂部的橫斷面（垂直于水流）上的河床高程如圖5所示。兩種模型預測的初始沖刷率相似；30 d后，兩個模型都產生了相同的現象。但是，此后T2D模型不再繼續沖刷，護岸坡腳處的最小河床高程保持在-50 m。相比之下，R2D的河床水位持續下降，50 d后達到-60 m，此后保持不變。

兩種模型預測的沖刷坑位置和形狀相似，并且都處在局部水流速度高的位置，而R2D模擬結果中產生了更深的沖刷坑，這與物理模型中的觀察結果更為一致。

圖5 凸起防洪堤上游段河床演變

6 結語

文中用形態動力學模型R2D和T2D預測塔里木河大橋南河岸整治工程，沖刷坑的形狀和位置與物理模型中觀察到的一致，但R2D能更好地模擬沖刷坑的深度，與物理模型結果一致，而T2D預測的結果要小15%。結合本文的研究可以得出，二維數值模擬是預測河流平均沖刷深度的一個有效手段。模型具有較強的適用性，能夠很好地模擬河道沖刷的計算，可以為防汛抗旱工作提供數據支撐。但不同的數值模型可能產生不同的沖刷模擬結果，出于設計目的，將數值模型與其他方法（如分析方法、現場觀測或物理模型）結合或相互驗證對于提升精度是很有必要的。