江安护坡工程对航道水流结构影响分析

    王文伟

    摘要：以江安县物流中心护坡工程为例，采用二维水流数学模型对护岩工程施工前后工程河段流速、水位的变化进行计算。通过水面比降、近岸流速、主流流速以及流速变化影响范围等方面进行分析。结构表明，修建工程后施工河段的右岸附近流态明显得到改善。

    关键词：护坡工程航道水流结构

    江安县隶属于四川宜宾市，位于四川南部长江干流的宜宾和泸州之间。有著名的国家级风景区、重点文物保护单位，省级重点文物保护单位、森林公园等自然人文景观。江安县按“长江经济带”发展规划，启动江安城市配送中心项目建设。项目选址位于江安镇大桥附近，紧邻长江和省道308北侧。项目建成后将成为川南地区重要物流节点，有效改变江安现有物流企业基础薄弱，整体发展水平不高的现状，对全县物流产业也将形成有力支撑。

    因物流中心护坡工程涉及少量填土，占据部分有效过水面积，将对河道水流结构产生影响。随着理论与计算技术不断发展，数学模型已广泛应用于工程上。在实际工作中，由于工程建设对水流的影响不是特别大，一维数学模型计算只能体现在断面水位、流量等水流因素，而无法反映平面形态上的特性。而二维水流数学模型，可以对工程附近的水位、流速、流态等水流情况在工程前后的变化更为直观清晰。

    工程概况

    工程具体位置为四川省宜宾市江安县江安长江大桥下游约1.5km河道右岸，工程占据陆域岸线长约780m。涉及工程范围坡脚线高程基本在246-251m，只涉及少量不规则岸线基岩以内的填土工程。根据施工规划方案，填土区域范围尽量顺应了河势方向，所填土区域基本位于岸边基岩控制线以内的易产生回流的不规则部位。图1为工程不规则岸线凹岸内拟填土工程示意图。

    为了预测拟建工程对该河段航道水流条件的影响，采用平面二维水流数学模型，通过计算修建工程后的施工河段与未修建工程时河段的航道水流条件，对比分析物流中心护坡工程建设对该段航道水流结构的影响。选取计算区域为牛角坝-怡乐镇河段共长约10.0km的河段。数模在计算域内共布置392×250个网格点。计算区域范围为10000×5000m。网格沿x方向间距一般30m，沿Y方向间距一般为20m。该工程的枯、中水期与洪水期典型流量为：2980m3/s、6710m3/s、30500m3/s。

    利用2009年8月实测的工程河段河道的实测水面线进行验证。水位计算值与实测值最大不超过0.05m。总体上该数学模型计算水位与实测值基本吻合，说明计算具有一定可靠性，可进行工程实际研究。

    工程对航道水流结构影响

    1、河道水面比降的变化

    一般由于工程的束流作用，通常表现为工程上游河段及工程段水位壅高、工程下游河段水位降低，这种水位壅高或降低将在上游或下游一定范围内逐渐消失。数模计算成果表明，计算河段的水位变化主要取决于物流中心护坡工程少量填土对河道过水面积的影响。工程所占据的河道面积愈大，阻水作用愈强，其相应的水位变化越大。护坡工程对河道水位影响较小，工程修建后河道最大水位壅高值约0.06m。表1给出了工程河段代表流量下河道最大水面比降及其变化。

    计算表明，选取洪水期与中、枯水期工程河段的水面比降进行对比：各级流量下最大水面比降略有增加，增大幅度最大为0.03‰。

    2、河道近岸流速的变化

    图2为对比工程河段，建设前、后洪水期河道二维平面流速分布。从图中可以看出，原河道在岸边基岩有部分回流，填土后主流速基本顺直于河道，对岸边形成冲刷作用的横向流速明显减少。流态相较于原来未修建工程前的回流等不利流态有明显改善，说明沿河岸基岩以内填土将原有不规则边岸进行规整，有利于该段整体流场的稳定以及斜流作用的减弱。

    中、枯水期典型代表流量下施工河段在修建工程后的流场如图3、图4，从图中可知在中水期该段流场整体较为平顺，沿河心方向，斜流显著减少，未出现明显的不利流态（回流、泡漩），在进入黑石碛段后流态相对仍保持较为稳定状态。枯水期代表流量下流场分布与中水期基本一致，流态相对较为稳定。

    修建工程后施工河段的右岸附近流态较未修建前更为稳定，保持顺河而下，未出现回流以及泡漩等不利流态。由于填土区域占据河道过水面积对河道起到一定的束窄作用，因而流速略有增加，并且流速沿主流方向，横向流速减少。

    3、河道主流流速的变化

    工程河段为山区河流的顺直段，河道形态变化在枯水期对主流影响更为明显。因而，选取枯水期施工区域的三个典型断面，通过对断面流速分布进行未修建前与修建后的变化对比，分析工程对该河段的主流流速影响（见图5）：

    图5工程河段施工前后典型断面枯水期流速分布变化对比

    断面1流速分布变化：拟建工程后主流速带略有向河心偏移，说明填土后流速主流带有稍微的调整（图5（a））。

    断面2流速分布变化：由于填土工程，右岸附近流速显著减少，主流速有一定的提高，说明束窄作用使得流速略有提高（图5（b））。

    

    断面3流速分布变化：拟建工程后原有右岸附近流速明显降低，主流速整体向河心稍有偏移，最大流速基本维持原有水平，未出现显著的增加（图5（c））。

    4、河道流速变化影响范围

    洪水期及中、枯水期的流速仅在施工水域略有增加，增加幅度最大仅为0.03m/s（枯水期），而其影响范围最大幅度发生在枯水期。根据前述分析选取枯水期拟建工程前后的流场变化影响范围进行分析，图6为修建前后流场相对变化等值线图。

    由图可知：工程施工区域的流场变化主要集中于工程附近，其上游约200m以及下游约200m内范围，随后影响逐渐减小为0。拟建工程对黑石碛段流场改变较弱，等值线逐渐减少为趋于0，因此，工程修建后对河段的流场影响范围对其上下游的影响不明显。

    结论

    本文采用正交贴体平面二维水流数学模型，分析江安县物流中心护坡工程因涉及少量填土占据部分有效过水面积所导致的河道水流结构变化。选取洪、中、枯三级典型流量过程进行计算，从河道水面比降、近岸流速、主流流速以及流速变化影响范围等方面进行分析研究。

    结果表明，工程建设后河道最大水位壅高值约0.06m，洪水期及中、枯水期的流速仅在施工水域略有增加，增加幅度最大仅为0.03m/s（枯水期）。因回填土将原有不规则边岸进行规整，有利于该段整体流场的稳定以及斜流作用的减弱，使得修建工程后施工河段的右岸附近流态较未修建前更为稳定，保持顺河而下，未出现回流以及泡漩等不利流态。在枯水期流速影响范围大致在上下游400m范围内。

    参考文献：

    [1]周苏芬，易子靖，闫旭峰，等.山区宽窄相间河道平面二维水流数值模拟[J].水利水电科技进展，2013，01：22-26.

    [2]赵春霞，王凯，马海峰，等.二维水流数学模型在涉水工程中数值模拟研究[J].水科学与工程技术，2011，03：22-23.

    [3]陈娟，李杰，曹磊.二维水流数学模型在码头工程防洪评价中的应用[J].人民长江，2010，17：62-64.

    [4]阙志夏.平面二维水流数学模型在码头和取水口建筑物防洪影响计算分析中的应用[J].水利科技与经济， 2007， 09：650-652.

    [5]崔玉炎，杨芳，陈文龙.二维水流数学模型在河道桥梁阻水计算中的应用[J].中国农村水利水电， 2007， 07：97-98+101.（作者单位：重庆交通大学）