萍水河防洪工程模型試驗分析

盧啟東

（江西省水利水電開發有限公司，江西 南昌 330029）

1 工程概況

萍水河防洪工程所在的萍水流域是湘江下游一級支流，流域全長166 km，流域面積5 675 km2。根據萍鄉氣象站1981～2010年的相關氣象統計資料，流域內多年降水量均值1 624.70 mm；歷年月降水量最大值為659.40 mm，出現在6月，月降水量最小值為0.60 mm，出現在12月；全年發生日雨量大于100 mm的天數為4.40d，日雨量大于50 mm 的天數18 d。萍水流域洪水屬于典型的暴雨洪水，年洪水最大值一般出現在4～9月份，其中以6月份發生的頻次最大，7月份以后，在臺風等外界因素的影響下也存在較大的發生短歷時洪水的可能。

通過模型試驗，研究該防洪工程修建前后河床變形及不同設計洪水流場等情況，從而為萍水河防洪工程設計施工提供參考依據。

2 模型設計

此研究主要進行萍水河防洪工程所在流域歷史洪水驗證，工程建設前后河道在10年、20年一遇洪水下的沖刷深度，工程建設及洪水條件對河道壅水的影響，堤頂高程，護砌高程，堤線優化等的計算分析。

2.1 設計原則

結合該防洪工程所在流域河道特性、試驗要求及工程實際，采取整體變態河工模型進行該防洪工程建設前后河道水力特性及沖淤變化的動床模型試驗。在進行研究河段模擬時必須保證水工模型水流運動狀態相似于河床變形，具體包括水流重力與慣性力的相似以及河床沖刷變形的相似，并按照滿足最小水深和流態相似等要求選擇幾何比尺。依據水流、泥沙相似準則和模型幾何比尺設計要求，所提出的該防洪工程水工模型控制比尺具體見表1。

表1 水工模型比尺匯總表

2.2 模型布置

結合試驗目的及過程控制要求進行該防洪工程特征水位觀測點及平面布置。動床區實行沙塑制地形，上游定床一區通過水泥抹面、塑花增糙，河槽設計寬度5～8 mm，長度25～30 mm；下游定床二區通過水泥抹面、碎石增糙，河槽設計寬度5～8 mm，長度25～30 mm；灘區通過粗石增糙，該段設計寬度8～10 mm，長度30～40 mm。為確保模型起動過程與萍水河防洪工程實際接近，還應保證模型沙選擇的合理性，為此應專門進行模型泥沙起動水槽試驗。根據試驗結果，本研究所選擇的模型沙的起動過程基本符合梅葉～彼得公式及沙莫夫公式。根據模型沙粒徑比尺的比較結果，最終確定以篩選處理后的中值粒徑0.60～0.90 mm的信陽粗砂為模型沙。

3 模型試驗

萍水河防洪工程所在流域于2014 年發生大洪水，重現期15a，出現時間較近、查證資料詳實、代表性強。通過模型試驗，增糙處理后試驗河段水位和調查洪痕吻合，觀測點水位所對應的誤差均不超出0.12 m，符合試驗水位相似方面的要求。

3.1 自然狀況模型試驗

工程所在流域河道沿程的洪水比降并不相同，在交匯區水流的作用下，河段上游比降值僅為0.04%，交匯后的洪水比降為0.14%，下游河段受地形影響后比降增大至0.23%；此后的河段因受到下游河岸地形的挾持，比降又恢復緩慢狀態，降至0.05%。

3.1.1 洪峰流場流態

結合相關分析結果，工程所在流域河勢受到河道地形的影響較大，對于10年一遇洪水，水流主要沿河槽成蜿蜒流動態勢；此后隨著流量的增大，水流的慣性也隨之增強；對于20年一遇洪水的洪峰期，河勢主流基本呈走直趨勢。河道上游交匯區河勢表現出較為明顯的擠壓趨勢，主流偏向河道左側，并在左岸樁號1+020附近緊貼左岸、直逼堤防，造成左岸主流水位明顯高出右岸水位。此范圍內左右岸流速分別在2～2.50 m/s和1.30～2.10 m/s范圍內變化，超過此范圍后主流偏向左岸呈下行態勢。

對于20 年一遇洪水，其洪水期內洪水所對應的河勢于10年一遇洪水期基本一致，1+000斷面以下主流主要沿河道右岸蜿蜒推進，到達交匯區之后便與河道右偏主流結合成連續偏轉寬流帶，并表現出趨直的河勢；在超出2+000 斷面后河道寬度增大，主流呈逐步擴散趨勢。對于10年和20年一遇洪水，主流流速通常不超出1.60～2.60 m/s及2～2.80 m/s的范圍，最大流速可分別達到2.90 m/s和3.40 m/s。總之，根據放水試驗結果，防洪工程所在河道河勢整體穩定。

3.1.2 河床沖淤變形

洪峰上漲期內，流域河段河床沖刷普遍，且主槽沖刷嚴重，局部河段甚至存在較為強烈的溯源沖刷和沿程沖刷；其余河道原串溝也存在十分明顯的沖刷展寬，但漫水區河床并未發生較大變形。洪峰下落期間，流域河段主河槽沖刷態勢仍然存在，但是強度比上漲期明顯減弱，寬度較大河槽回淤不明顯，但原沖刷深度較大、展寬較小的串鉤回淤普遍；大尺度沙坡運動在這一時期明顯減緩，甚至在部分河段還因泥沙堆積而出現停滯沙洲、嫩灘。10 年和20 年一遇洪水下沖刷深度一般在0.60～1.20 m和0.80～2 m之間，局部沖深最大可達2.50 m和3.20 m。

3.2 工程條件方案試驗

3.2.1 堤防工程

根據不同量級洪水的放水試驗結果，洪水期間河勢居中，全斷流均勻過流，河勢順暢，不存在典型的回流區和偏流區，為此可以斷定，該防洪工程平面布置合理。結合該河段模型實際過流情況，水流平順，且洪峰期間洪水位不高，河道流速不超出2.50～3.80 m/s 范圍；河段也不存在強烈的沖淤變形，對工程安全無較大影響。所以該河段設計過流寬度也切實合理。防洪工程附近洪水來流平順，無明顯的平面立軸環流與折沖水流，防洪堤防底部所設置的鋼絲石籠防護帶對減緩岸坡沖刷、保護堤防安全具有重要作用。但交匯區左岸堤防在長期頂沖作用下存在較深的局部沖刷，必須加強防沖處理。

3.2.2 攔河壩特征洪水水面線

洪水平堤前水位基本隨著流量的提升而升高，對于不同頻率洪水水面線而言，因攔河壩上游河道主流線向左偏斜，即使同一橫斷面流速仍表現出較大的不同，左岸水位明顯低于右岸；不同河段主流側水位均呈較低趨勢，直到邊灘回流區水位才恢復較高。

下游攔河壩建成后使得上游攔河壩壩前水流流速降低、水面比降減小，水流擴散時間延長，進而在該河段交匯區內因水流頂托作用引發壅水的可能性較大。攔河壩前因小范圍反坡水面線的存在，壅水造成水位差，下游還會發生水跌，此處的水面線也會表現出較為明顯的局部性下降，增大下游流態的復雜程度。攔河壩下游右岸存在強烈的局部回流，進而對此處河床產生強烈的淘刷，沖坑深度較大。攔河壩下游壩踵四周還存在強烈的立軸旋渦和橫軸旋渦，同樣對所在位置河床造成淘蝕。大洪水過后，會在攔河壩下游壩踵四周沿壩軸線方向留下明顯的沖刷溝，洪水經過攔河壩后，右堤周圍便頻繁出現小流速回流區。

通過對不同頻率下實際水位的分析發現，該河段洪水位受到防洪工程較大的遏制影響，對于水流收縮及流速加大河段，洪水位明顯偏低，而對于低速回流區域水位又明顯偏高。此外，攔河壩的修建對于河段局部流態也存在明顯影響，壩前存在明顯壅水，壩后又表現為水跌。

3.2.3 攔河壩河床沖淤變形

經過對典型洪水后河道地形的測量和分析發現，該防洪工程堤壩增設鋼絲石籠防護后攔河壩上游左右堤和河道的沖刷程度明顯減弱。10年一遇洪水下左堤沖深最大達到3.20 m，右堤淤積厚度則在0.50～1.20 m；20 年一遇洪水下主流主要表現為居中態勢，對河岸根部的沖刷明顯減小，左堤沖深不超出0.30～1.20 m的范圍，右堤淤積則在0.50～1.60 m。

4 結論

綜上所述，通過對萍水河防洪工程水工模型試驗的分析得出，所研究河段在小規模洪水及大洪水下主流偏左、居中，洪水流速最大可達3～4 m/s，左岸頂沖所引發的沖刷深度較大，且在河床沖刷的作用下，流量不變情況下退水水位比漲水水位低。防洪工程建成后河勢逐漸從偏左狀態扭轉為居中及全斷面過流，且不存在典型的回流和偏流區，表明防洪工程平面布置較為合理；交匯區因頂沖的作用而使河道局部沖刷加大，為此必須加強防沖處理，也表明該防洪工程堤岸所采取的鋼絲石籠防沖措施抵御局部沖刷的效果良好。