黃河禹潼河段控導拐頭壩長度比選研究

王李平 安超 孫凱

摘 要：禹潼河段是黃河進入下游前最后一段寬河道段，自然滯洪沉沙作用明顯。為協調河道防洪、生態環境保護、滯洪沉沙、護灘護站、控導河勢等治理任務及目標，新一期河段防洪治理工程中，新建續建控導工程采用了新型控導拐頭壩方案，在控導工程上首布置拐頭壩，可調整壩后水流流場，預防回淤口進水導致水流抄工程后路。通過構建控導拐頭壩三維模型，采用數值模擬分析、比選、論證并確定拐頭壩長度，結果表明：工程長度1000m布置500m回淤口方案最優，拐頭壩長度采用200m。

關鍵詞：控導拐頭壩；水流流場；數值模擬；黃河禹潼河段

中圖分類號：TV85；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.012

引用格式：王李平，安超，孫凱.黃河禹潼河段控導拐頭壩長度比選研究[J].人民黃河，2022，44（1）：58-60，70.

StudyonComparisonandSelectionoftheLengthofControlTurning Head GroininYumenkou TongguanReachoftheYellowRiver

WANGLiping，ANChao，SUNKai

（YellowRiverEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Zhengzhou450003，China）

Abstract：TheriversectionfromYumenkoutoTongguanisthelastwideriversectionbeforetheYellowRiverentersintothelowerreaches. Itsnaturalfunctionofflooddetentionandsedimentdepositionisobvious.Inordertocoordinatethetasksandobjectivesoffloodcontrol，eco logicalenvironmentprotection，flooddetentionandsedimentdeposition，beachprotection，stationprotectionandcontrolandguideriverre gime，inthenewstageoffloodcontrolandguideworks，anewschemeofcontrolturning headgroinwasadoptedforthenewcontinuationof controlandguideworks，whichwasfirstlyusedinthecontrolandguideworks.Itcouldadjusttheflowfieldbehindthegroinandpreventthe waterflowingintothebacksite.Throughbuildingathree dimensionalmodelofcontrolturning headgroinanddeterminingthelengththrough analysis，comparisonanddemonstrationbyusingnumericalsimulation，itshowsthattheschemeof1000mlongworksandthebacksiltout letof500misthebestandthelengthofturning headgroinis200m.

Keywords：controlturning headgroin；flowfield；numericalsimulation；Yumenkou TongguanReachofYellowRiver

黃河禹潼（禹門口至潼關）河段為晉、陜兩省的天然界河，北接晉陜峽谷，南臨三門峽河谷，河段全長132.5km，涉及山西運城市以及陜西省渭南市。黃河禹門口以下河道驟然放寬，河床由100m的峽谷展寬為4km以上，河道內分布有大量灘地，黃河過潼關后河寬收縮為850m，折向東流。該段河道穿行于汾渭地塹谷凹地區，兩岸為高出河床50～200m的黃土臺塬。該河段屬于淤積性游蕩型河道，是黃河進入下游河段前最后一段寬河道河段，其自然滯洪沉沙作用明顯，是黃河干流利用灘區落淤處理泥沙的重要河段。按照國務院批復的《黃河流域防洪規劃》有關禹潼河段的治理布局，依據河道治導控制線，開展了河段系統綜合治理，兩岸共興建河道整治工程36處，工程長度169.114km。

在河段系統綜合治理的基礎上，楊韌等[1]結合調研及資料分析論證提出了黃河小北干流河段規劃治理思路，研究認為應結合水沙條件變化，依據兩岸兼治、輕重緩急的原則開展工程措施布局規劃。潘軼敏等[2]從河道治理工程對濕地影響的角度，分析了禹潼段河道治理工程對黃河河漫灘補給、黃河側流、濕地穩定性影響，并從工程布局、施工方式、建筑材料、水文情勢等幾個方面分析認為，工程不會阻隔黃河與兩岸灘地的水力聯系，隨著禹潼河段主流逐步穩定，有利于黃河濕地面積相對穩定。張志堅等[3]從濕地保護的角度分析論證了河道工程與濕地相應影響及關系，研究認為禹潼段黃河濕地是該河段治理以后所產生的生態保護效益的集中體現，它與黃河上游濕地及黃河下游入海口濕地一起，共同對黃河流域內的氣候環境起著不可忽視的重要作用，應當引起流域機構及當地政府的高度重視并加以保護。周麗艷等[4]研究了有壩放淤引水時機及規模，綜合分析認為引水時機一般應在每年的7月下旬和8月上旬。當流量大于400m3/s、含沙量大于40kg/m3時開始引洪放淤可以達到淤區淤粗排細效果。楊麗豐[5]分析了黃河禹潼河段沖淤特點及防洪形勢，認為河道淤積導致支流入黃基面抬升，對支流入黃產生不利影響。孫美云等[6]采用分段馬斯京根法進行黃河龍潼河段洪水預報，結果與實際吻合良好。專家學者從河段防洪規劃、綜合治理、濕地保護、生態保護、河道放淤、工程建設等多方面對禹潼河段綜合治理提出了研究思路、方法及對策，為禹潼河段綜合治理奠定了基礎。

禹潼河段河道治理工程布置主要有工程平面布置、回淤口位置及長度確定兩方面的難點，通過優化工程及回淤口布置，可實現護灘護站、濕地穩定及滯洪沉沙的有機統一。往期禹潼河段治理工程中，控導工程沿治導線布置，對工程回淤口位置、長度進行了比選、論證及實踐，受河勢變化及洪水影響，在運行過程中存在部分工程被水流抄后路現象，導致工程出險。為協調解決好禹潼河段河道防洪、生態環境保護、滯洪沉沙的治理任務，保障沿岸群眾生產、生活安全和兩岸大型機電灌站的引水安全，維持河段兩岸濕地格局相對穩定，新一期河段防洪治理工程中，新續建控導工程采用了新型控導拐頭壩方案，在控導工程上首布置拐頭壩，可調整壩后水流流場，預防回淤口進水導致水流抄工程后路。本文通過構建控導拐頭壩三維模型，采用數值模擬分析、比選、論證并確定拐頭壩長度，為工程設計與建設提供依據。

1 計算方法選取

1.1 二維淺水模型

為了論證分析控導拐頭壩設計長度，采用計算流體動力學軟件對水流條件及水力特性進行數值模擬分析，結合控導拐頭壩設計長度下壩后水流流場變化，論證并確定拐頭壩合理設計長度。從模型的幾何形狀來看，水平方向的長度和寬度遠大于水深，本次計算采用二維淺水模型（shallowwaterflows）較為合適，符合以下條件的均勻流體的流動可視為二維淺水流動。

（1）有自由表面。

（2）以重力為主要驅動力，以水流與固體邊界之間及水流內部的摩阻力為主要耗散力，有時還存在水面氣壓場、風應力及地球自轉柯氏力等的作用。

（3）水平流速沿垂線近似均勻分布，不必考慮對數或指數等形式的垂線流速分布。

（4）水平運動尺度遠大于垂直運動尺度，垂向流速及加速度忽略，水壓力接近靜壓分布。

1.2 控制方程

模型控制方程包括連續方程和動量方程，對于水平尺度遠大于垂直尺度、流速等水力參數沿垂向變化可以忽略的流動，可引入布辛涅斯克假設和靜水壓力假設，將三維水流運動控制方程沿水深積分，得到水深平均二維模型的控制方程如下：

1.3 模型及邊界選取

以韓家莊控導下延工程為例，韓家莊控導下延工程分兩段布置，總長度2.0km。本次分析對象為下段壩拐頭壩，工程主順河向取1800m范圍，為模型y向；垂直水流方向以壩軸線附近開始向岸邊取1200m范圍，為模型x向；水深方向以實際地形與設計高水位控制。

模型建立采用CATIA軟件，建筑物和地形采用1∶1即原型尺寸進行建立，建筑物采用包含雁翅壩垛實際形狀，地形以壩段局部高程點與總布置結合抽取點云的方式模擬，計算模型見圖1。計算邊界在主河道側以水位變化邊界為主，不考慮水流順河向的較小流速影響，靠岸坡處邊界為連續邊界，順河向上游邊界為水位邊界，下游為流出邊界，模型豎向邊界底部為墻面邊界、頂部采用連續邊界。網格尺寸控制在2.0m左右，由程序自動生成，總網格數為103萬個。

2 數值模擬分析及成果

為優化分析確定控導工程拐頭壩長度，本次對工程回淤口布置形式進行了數值模擬分析，結合往期工程布局，選擇工程長度500m布置200m回淤口、工程長度1000m布置500m回淤口兩種方案，分析范圍為禹門口至黃淤62斷面，漫灘洪水級別選用5000m3/s，采用1967年實測洪水作為設計洪水，洪峰流量為5150m3/s，場次洪水水量為122.3億m3，從過洪量、流場、口門流速三個方面研究確認本期工程采用工程長度1000m布置500m回淤口方案。

依據確定的工程及回淤口布局，拐頭壩數值模擬計算過程為主河道水位逐漸由338.0m抬升至339.88m，并達到穩定流態。水位抬升時間為120s，總計算時長為600s。

計算考慮了拐頭壩長度分別為100、200、300m等3種工況，計算結果以流速為主呈現整個流場不同時間的分布情況。圖2為100、200、300m控導拐頭壩100、400s時的流速云圖。流速云圖展示了主河道水位逐漸提升并達到穩定流態后，不同工況下工程壩后淹沒情況、導流效果、工程掩護效果。

3 拐頭壩長度比選結論

依據工程及回淤口布置數值模擬成果，適當增大工程長度及回淤口有利于增大回淤口處過洪量，過洪量的增大對灘槽水沙交換較為有利。根據流場分析，回淤口增大后，工程附近灘地流速分布均勻，流速大都在0.3～0.4m/s之間，流速不大有利于滯洪沉沙；根據回淤口口門處流速分析，當回淤口寬度過小時，可能在回淤口附近因過流集中導致出現較大流速，從而引起壩前河槽刷深，根石、坦石沖塌，增加工程出險概率。因此，采用工程長度1000m布置500m回淤口方案是有利的，可作為工程拐頭壩長度比選研究的基礎。

結合確定的工程及回淤口布局，本次拐頭壩長度比選依據水位逐步抬升后水流趨于穩定，通過三維數值模擬分析壩后流速分布，論證不同拐頭壩長度工程壩后掩護效果，從而確定本期工程拐頭壩長度。從3種工況下控導拐頭壩100～600s時流速云圖對比，可以看出拐頭壩長度為100m時壩段后面基本全部淹沒，導流效果較差，控導工程順直壩段壩后全段基本受水流沖刷；長度延長到200m和300m時，導流效果比較好，順直壩段受控導拐頭壩導流影響，全段基本不受水流沖刷，有利于防范水流抄工程后路的風險。綜合水流流場、流速、工程量及投資等因素比選，推薦控導拐頭壩長度采用200m，既能預防回淤口進水導致水流抄工程后路，又能合理控制拐頭壩長度、工程量及工程投資。

本文研究結論為確定禹潼河段控導工程拐頭壩長度提供了依據，但根據本次數值模擬流速云圖分析，控導工程直線段部分壩后被淹沒，本次水位抬升控制在1m以內，在水位進一步抬升的情況下存在沖刷破壞的風險。下一步應結合禹潼河段歷史實測及理論分析洪水成果，分析大流量情況下控導工程拐頭壩布置方案。

4 結 語

依據數值模擬分析結果，本期將工程布置方案優化為工程長度1000m布置500m回淤口方案有利于灘槽水沙交換及滯洪沉沙；工程采用拐頭壩方案有利于防止水流抄工程后路，通過比選，拐頭壩長度采用200m既有利于防止水流抄工程后路，又能合理控制工程投資。

通過構建三維模型并進行數值模擬，合理確定控導工程拐頭壩長度，有利于優化黃河禹潼河段新續建控導工程平面布置，實現該河段滯洪落淤、護灘護站、濕地保護及控導河勢，有利于控導工程布置形式的創新，對于河段防洪工程布置與設計有指導性。

黃河禹潼段“十三五”治理工程安排新續建控導工程12處，長度23.86km，工程建設運行后，應加強工程監測，特別是汛期工程運行情況監測，開展拐頭壩布置方案后評價，為禹潼河段進一步治理進行布置方案優化提供科學的數據支撐。

參考文獻：

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[5] 楊麗豐.黃河禹潼河段近期沖淤特點及防洪形勢分析[J].西北水電，2003（3）：9-11.

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【責任編輯 許立新】