基于二维数模计算的山区河道滩地修复设计
时间：2023-06-24 21:10:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
朱晓骏，胡海霞，王坤雪
（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；
2.浙江江能建设有限公司，浙江 杭州 310020）
山区性河道在水流横向迁移和洪水漫堤沉积的长期作用下，河床一侧或两侧会形成在洪水期才被淹没的滩地。作为河道水域与陆域的过渡区域，滩地具有稳固河床、调蓄洪水、丰富生物多样性等积极作用，是营造岸、坡、滩、洲、潭等多样化生态空间的重要组成部分。受采沙、耕种等人为侵占行为及河流水能资源开发利用影响，山区性河道滩地功能日渐退化甚至丧失。本文以浙江省青田县城区太鹤滩地为例，通过建立二维数学模型，分析不同重现期标准及修复设计方案下，河床冲淤的变化、构建典型滩地断面的剖面最终形态，为滩地修复设计方案提供相关参数，从而探讨滩地生态修复的设计思路。
项目区滩地位于青田县城区太鹤大桥上下游两侧，处于下游青田水利枢纽与上游三溪口电站之间。青田水利枢纽工程于2018年8月下闸蓄水后，坝上即青田城区形成了约5 km2的湖面，正常水位7.00 m，回水与三溪口电站相接。太鹤滩地受水位抬升影响，整体淹没于库区常水位之下。
太鹤滩地位于青田县中心城区，淹没前太鹤滩地长度约0.95 km，高程5.00 m以上滩地面积约22 282 m2，平均宽度约23.50 m；
高程4.00 m以上滩地面积约60 600 m2，平均宽度约63.80 m。滩地沿线分布有芦苇等亲水植物，太鹤桥下游有白鹭等鸟类觅食栖息，生态性、景观性优越。太鹤滩地淹没前现场见图1。
图1 太鹤滩地淹没前现场图
2.1 山区性河道滩地特点
山区河道水文特点：①洪水暴涨暴落，在暴雨集中地区尤为显著，暴雨与山洪往往同时发生，但一般洪水持续时间不长；
②流量与水位变幅大，最大流量与最小流量的比值可达几百倍；
③受河床形态及水流条件影响，山区河流水面比降一般都较大，且沿程分布极不均匀。
河道滩地在平面形态上通常蜿蜒曲折，起伏多变，结合上述山区性河道水文特点，自然状态下的滩地通常处于不断的冲淤平衡中。若对滩地抬高修复，则原有动态平衡将被打破，其水文情势的不确定性大大增加。
2.2 滩地修复平面设计
滩地修复平面设计要点：顺应河势，遵循河床演变规律，避开凹岸顶冲位置或河道狭窄段；
结合现状河道建筑物布置，调整平面形态，以避免加剧桥梁等建筑物的阻水作用；
整体形态美观自然，与沿线景观节点布置相结合。
2.3 滩地修复断面设计
滩地修复断面设计要点：①修复后滩地过水断面不应缩减，应通过河道疏浚、缩窄滩地宽度等方式，保障河道行洪能力；
②断面设计应满足修复后滩地防冲刷要求，以保证滩地平面形态的完整性。
2.4 二维数模计算的必要性分析
滩地修复设计的关键在于选择科学合理的修复断面，其关系到项目的整体造价。因此，设计工作的核心在于如何准确获取滩地各部位在最不利洪水条件下的水位、流速等流场数据，从而准确判断滩地各部位的防冲刷深度要求，为各部位断面设计提供依据[1]。
若滩地防冲设计参考GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[2]中D.2.2-1冲刷深度计算公式，其计算结果主要受近岸垂线平均流速Ucp、流速不均匀系数η及形状系数n控制。在复杂的山区性河道水文条件下，上述参数的常规确定方法难以满足滩地形态的防冲设计精度要求，设计者往往只能从安全角度出发，以最不利位置的相关参数作为设计依据，从而导致项目造价大大增加。
通过二维建模计算，可以准确得到修复后滩地各部位的流场数据，消除经验公式的局限性和误差，避免投资浪费。
3.1 模型介绍
平面二维数学模型采用自主开发的基于三角形网格的有限体积模型，该模型具有网格布置灵活、局部加密方便、适用性强等特点。
模型范围：数学模型模拟瓯江主河段全长约20 km，上游至青田三溪口河床式水电站工程闸址位置，下游至青田水利枢纽。
网格布置：模型最大网格边长约50 m，工程区涉水建筑物附近网格根据实际地形及固边界特点渐变加密，最小网格边长约为1.5 m。
数模网格划分及计算节点见图2，计算断面编号由上至下依次为k1+200 m、k1+300 m、k1+400 m及k1+500 m，计算点位由左岸至右岸编号依次为p1～p5。
图2 数模计算节点图
3.2 模型验证
据《青田县大溪20140820洪水调查报告》，给定模型上边界三溪口流量10 900 m3/s，下边界圩仁水位8.42 m。各验证站点位置见图3。
图3 数模验证站点示意图
各验证站点调查水位与数模验证水位汇总见图4，计算验证点与实测资料误差在0.24 m以内，工程区附近在0.02 m以内，模型能够满足方案计算要求。
图4 数模验证结果图
3.3 模型计算条件
本工程下游控制站为青田水利枢纽，根据相应的泄洪调度运行原则：当闸上游水位高于7.00 m时，逐步开启泄洪闸，使泄水流量（含发电流量）等于入库流量，保持闸上水位在正常蓄水位7.00 m，直至25孔泄洪闸全开。洪水调节计算成果见表1。
表1 青田水利枢纽洪水调节计算成果表
考虑到数学模型上下游边界、青田水利枢纽及三溪口水电站的运行调度，经汇总后的工程上下游边界水位、流量见表2。
表2 上下游边界情况汇总表
数模计算方案：模型计算上游边界条件采用相应的洪水流量，下游则采用对应的水位过程控制。具体方案见表3。
表3 数模计算方案表
3.4 现状地形计算结果
现状条件下的水位、流速分布情况见表4。
表4 数模现状条件下的计算结果表
由表4可知，现状条件下：
1）水位：20 a一遇＞10 a一遇＞5 a一遇，左岸略低于右岸（工程区）；
2）流速：由上下游边界流量—水位关系可知，当上游发生5 a一遇～20 a一遇的洪水时，10 a一遇与20 a一遇的流量差异不大，结合水位变化，20 a一遇洪水水位较高，水流漫滩。综合分析可得，工程附近10 a一遇设计流速最大，较其他2组数据大0.4%～4.2%，而20 a一遇与5 a一遇流速基本相当；
3）工程区附近，当发生5 a一遇～20 a一遇的洪水时，滩地流速为2.61～2.88 m/s，水位介于12.85～13.90 m；
主槽区，流速为2.94～3.54 m/s；
左岸流速：2.74～3.38 m/s。
3.5 滩地修复平面设计及计算结果
3.5.1 滩地修复平面设计方案
滩地修复方案拟利用外侧滩地及河道疏浚产生的砂卵石料，对太鹤滩地进行加高处理，抬升滩地高程至正常水位7.00 m以上，并辅之以适当生态景观措施。修复后滩地平均宽度约37 m，最大宽度约65 m。
平面形态设计上，一方面为避免滩地加剧太鹤大桥桥墩的阻水作用，在大桥附近未对滩地进行加高处理，而是分区打造上下游2块滩地景观节点；
另一方面，从丰富区域生物多样性角度出发，于太鹤大桥桥墩下游堆筑生态沙洲，为野生动植物在远离人群的地方创造私密的栖息场所。滩地修复平面布置见图5，修复后滩地效果见图6。
图5 滩地修复平面布置图
图6 滩地修复效果图
3.5.2 设计方案计算结果
根据河道疏浚及滩地修复设计方案，经数模计算，分析可知：
k1+200 m断面：河道水位普遍降低，降幅0.01～0.07 m；
流速除右岸滩地（工程区）外，其他均有所减小，减小0.01～0.19 m/s，右岸滩地（工程区）由于滩地高程可达7.0～7.3 m，上游来流 4 000 m3/s流量时，局部流速可减小0.86 m/s，但当上游遭遇5 a一遇及5 a一遇以上频率洪水时，左岸流速略有增加，增幅约0.13 m/s。
k1+300 m断面：河道左侧水位普遍略有降低，降幅0.01 m，右侧水位有抬有降，幅度在0.02 m左右；
流速均有所下降，下降0.0～0.42 m/s，其中右岸滩地（工程区）流速减小幅度相对较大。
k1+400 m断面：该断面的P4点正位于人工岛上。右岸滩地（工程区）水位均有所抬升，幅度0.03～0.06 m，其余地方水位维持不变或略有降低，降幅0.02～0.04 m；
由于桥墩绕流及局部滩槽变化的影响，人工岛上流速增加0.15～0.33 m/s，其余点流速降低0.01～0.11 m/s；
修复后断面数模计算结果见图7。
图7 修复后k1+400 m断面数模计算结果图
k1+500 m断面：在人工岛下游的点在超过5 a一遇洪水时，水位有所抬升，抬升幅度0.04 m，其余地方水位均略有下降，降幅0.01～0.03 m；
左岸流速减小0.05 m/s左右，主槽流速略有增大，幅度0.01～0.04 m/s，右岸滩地，上游来流4 000 m3/s流量时，流速可减小0.50 m/s，但当上游遭遇5 a一遇及以上洪水时，右岸滩地流速可增加约0.2 m/s。
对工程区河床底质进行颗粒分析，工程区域D50介于22.3～35.2 mm，粒径为8.2～16.6 mm。由泥沙起动公式计算可得，在水深为4.00～8.00 m下，工程区域砂砾石起动流速为1.6～2.2 m/s。
由工程区域砂砾石起动流速并结合工程实施后的水动力计算可知：
1）工程区上游发生小洪水时，各典型断面流速为1.6～2.3 m/s，该流速与砂砾石起动流速基本相当，此时河床整体冲淤变幅较小，但仍需注意局部流态复杂区域及水下斜坡的冲刷。
2）上游发生超过5 a一遇大洪水时，滩地顶冲及凸出位置设计流速最大可达4.0 m/s，该流速远大于砂砾石起动流速，河床首先快速下切，但随着冲刷的发展，水深加大，流速降低，水流的挟沙能力逐渐下降，冲刷率迅速减小并渐趋稳定，逐渐达到相对冲淤平衡，河床整体可下切1～3 m，局部区域冲刷幅度更甚。
桥下凹岸段及下游尾段位置设计流速仅为1.6～2.4 m/s，该流速与砂砾石起动流速基本相当，此时河床整体冲淤变幅较小，防冲刷要求相对较低。
滩地修复断面设计以二维数模水位、流速计算成果为依据，结合河床冲淤分析结论拟定。
1）滩地上游顶冲及凸出段：因该位置设计流速最大可达4.0 m/s，河床整体下切达1.00～3.00 m，局部区域冲刷幅度更甚，为保证修复后滩地经洪水冲刷后整体平面形态完整，滩地修复断面的防护深度需大于河床下切深度0.50～1.00 m，故拟定防冲刷深度为2.50～4.50 m。
结合水下施工条件，拟定该位置断面设计如下：滩地外侧采用灌砌石挡墙防护，挡墙顶高程6.50 m，基础底高程3.50 m，设厚20 cm的C20混凝土压顶及厚30 cm的C20混凝土基础；
灌砌石挡墙与护脚之间采用6 m宽缓坡连接，坡面采用30 cm厚生态网垫防护；
为便于水下施工，防冲护脚采用沉井式挡土墙结构，护脚挡墙顶高程3.50 m，底高程-1.00～1.00 m（根据各部位河床计算防冲刷深度调整），沉井式挡墙采用C30混凝土结构，单个沉井宽2.0 m，长3.0 m，壁厚30 cm，内部填充碎石及砂砾料。灌砌石挡墙内侧为修复滩地填筑区，填筑高程为7.00～8.00 m，高程根据亲水性及植被种植需求平顺衔接。填筑材料的选取方面：根据河床冲淤分析结论，小洪水时，修复后滩地区域流速均大于1.6 m/s，大于小粒径中细砂起动流速，故中细砂无法满足滩地表面抗冲刷要求。工程区现状河床砂砾料粒径为8.2～16.6 mm，起动流速略大于滩地平均流速，结合就地取材原则，填筑材料选用河床疏浚砂砾料。典型修复断面见图8。
图8 滩地上游顶冲及凸出段滩地修复断面图 单位：cm
2）桥下凹岸段及下游尾段：因该位置设计流速仅为1.6～2.4 m/s，该流速与砂砾石起动流速基本相当，防冲刷要求较低，故挡墙基础防冲刷深度仅按0.50 m考虑。
拟定该位置断面设计如下：滩地外侧采用大块石浆砌挡墙，表面不露浆，底部设厚30 cm的C20混凝土基础，挡墙高1.50 m，墙顶高程7.00 m，浆砌石挡墙内侧填筑河床疏浚砂砾料。典型修复断面见图9。
图9 桥下凹岸段及下游尾段滩地修复断面图 单位：cm
本文提出了一种山区性河道滩地修复的设计思路：①构建项目区域二维数学模型，以历史调查洪水资料为依据，对其进行验证分析；
②搜集相关水文资料，明确模型上下游边界计算条件；
③通过模型计算，得出项目区现状条件下不同重现期洪水的水位、流速数据，并对其分析论证；
④以上述初步分析结论为依据，进行滩地修复平面设计，并对设计方案进行流场计算分析；
⑤结合河床底质颗分结论，分析滩地各部位冲淤变化情况；
⑥以上述水位、流速及冲刷深度等相关数据为基础，分段进行滩地修复断面设计。
