论丁坝坝长变化对河道断面流速分布的影响

孙宇飞

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006)

1 概述

大辽河系指太子河入浑河汇流口三岔河起，至河口止的一段河流，河长96km。本文选择大辽河岗皮岭险工段为例，该河段位于大辽河三岔河至田庄台段，河段具有洪冲枯淤的特性，河道蜿蜒曲折，滩槽分明，是较典型的平原弯曲型河道，造床流量约1000～1200m3/s。该河段既受河水控制又受潮水影响，使弯道凹岸不断上提下挫，造成塌岸，形成多处险工。该险工现状已有防护工程，共有丁坝10座，坝间为平顺护岸。现状河道及丁坝平面位置如图1所示。

本文采用河道二维水力计算的方式，在现状丁坝布置的基础上，进行不同坝长方案水力计算结果的比较，分析不同设计坝长对该河段河道断面流速分布的影响。

图1 现状河道及丁坝平面位置图

2 计算方法及方案选择

2.1 计算方案

本次计算是在现状丁坝位置选择不同丁坝坝长的计算方案来比较不同方案下的河道断面流速，选取的计算方案见表1。

表1 选择计算方案情况说明表

针对选取的计算方案，考虑区域河道水流力学性质及现状丁坝工程的工程特点，选取与该河段防洪标准相应的50年一遇防洪流量和河床平滩流量2个流量级作为本次水力计算的典型流量。

考虑不同计算方案对河道断面流速影响的情况，本次选取垂直于各丁坝坝轴线共10个坝上断面及坝上游、下游、坝间共11个坝间断面做为观测断面，以比较各断面流速分布的变化情况。鉴于大辽河主槽为主要过流区域，且丁坝均布置于河道主槽之中，因此，观测断面以现状主槽两端为界，选取观测断面位置，如图2所示。

图3 二维计算模型基础地形示意图

图2 观测断面位置图

2.2 计算范围

沿大辽河自岗皮岭村至下游盘山南塘抽水站，计算河长2.4km。

2.3 地形处理

采用基础地形数据为2013年实测1∶1000带状地形图及河道大横断。依据实测河道地形及水力计算软件中网格处理及地形插值等相应功能，建立并插值形成计算区域网格基础地形，如图3所示。

2.4 糙率

本次水力计算参照已有水力计算成果，结合现状河道的地形、地貌、河槽组成、水流条件等特性，并考虑近年来河段地貌、植被变化及清障等因素对糙率的影响，最终确定河道糙率。主槽糙率为0.022～0.025，滩地糙率为0.09～0.13。

2.5 起点水位及计算流量

(1)设计洪水流量及起点水位的确定

大辽河50年一遇设计洪水流量为8795m3/s；起点水位参照已有水面线计算成果，经线性插值确定。

(2)平滩流量及起点水位的确定

参照已有成果中相关论述，选择1200m3/s作为平滩流量进行计算，以说明在表征综合造床作用的平滩流量下工程区域的水流特性。平滩流量下模型的起点水位参照已有水面线计算成果，线性内插确定平滩流量下模型起点水位。

3 洪水流量下流速分布影响分析

3.1 坝上断面

各坝上断面不同方案下流速分布对比如图4、5所示。由图可见，由于丁坝挤占主槽行洪断面，引起断面流速分布变化，丁坝坝身位置普遍出现流速增大现象，随着丁坝坝长的增加，流速最大增加值位置普遍向对岸侧偏移。然而丁坝坝长对不同断面的影响不尽相同。弯顶上游位置丁坝断面(如1#、3#)随着丁坝坝长的增加，流速分布变化较大区域集中在靠近丁坝坝身位置，丁坝的挑流作用对对岸一侧(即河道左岸)流速分布影响较小，3#断面各方案下相同位置流速最大差值为1.23m/s，对岸一侧相同位置流速最大差值为0.09～0.16m/s，究其原因，是因为弯顶上游处河道主流贴近凹岸，丁坝挑流对河道凹岸主要过流区域作用较为明显，而对河道对岸作用相对较小。

弯顶下游丁坝断面(如8#)随着丁坝坝长的增加，流速变化最为明显区域仍集中在丁坝坝身位置附近，而全断面流速(包括对岸一侧)均出现了较为明显的变化，8#断面各方案下相同位置流速最大差值为1.84m/s，对岸一侧相同位置流速差值为0.97～1.16m/s，随着河段进入弯顶以下，主流逐渐居中，因此丁坝挤占河道断面对全断面的流速分布的均产生了一定的影响。

图4 洪水流量下各方案3#断面流速分布图

图5 洪水流量下各方案8#断面流速分布图

3.2 坝间断面

各坝间断面不同方案下流速分布对比如图6、7所示。由图可见，坝间断面受上下游丁坝的作用，引起各断面流速分布呈现了不同程度的变化，河道凹岸一侧(右侧)由于丁坝挑流的作用，近岸流速普遍有所减小。

不同断面受丁坝坝长影响流速分布的变化仍有其各自的特点：弯顶上游位置断面(如1#+)随着丁坝坝长的增加，凹岸侧流速普遍有所减小，对岸一侧流速变化相对不明显，1#断面各方案下凹岸相同位置流速最大减小值为0.40m/s，对岸一侧相同位置流速差值为-0.02～0.03m/s。

弯顶下游坝间断面(如8#+)随着丁坝坝长的增加，凹岸一侧流速仍然出现了不同程度的减小，对岸一侧流速却出现了不同程度的增加，8#+断面各方案下凹岸相同位置流速最大减小值为0.96m/s，对岸一侧相同位置流速最大增加值为1.14m/s。

图6 洪水流量下各方案1#+断面流速分布图

图7 洪水流量下各方案8#+断面流速分布图

4 平滩流量下流速分布影响分析

4.1 坝上断面

各坝断面不同方案下流速分布对比如图8、9所示。由图可见，平滩流量下，各断面随着丁坝坝长的变化呈现出的断面流速分布规律较为一致，凹岸位置随着不同丁坝坝长的阻水作用流速最大值或流速最大增加值及其位置出现了不同程度的变化，对对岸一侧来讲，丁坝的挑流作用比较明显，各断面流速均出现了较为明显的增大。

2#断面各方案下凹岸位置流速变化值为-0.47～0.16m/s，对岸位置流速最大增加值为0.40m/s，10#断面各方案下凹岸位置流速变化值为-0.53～0.48m/s，对岸位置流速最大增加值为0.69m/s。

图8 平滩流量下各方案2#断面流速分布图

图9 平滩流量下各方案10#断面流速分布图

4.2 坝间断面

各坝间断面不同方案下流速分布对比如图10、11所示。平滩流量下，各坝间断面随着丁坝坝长的变化呈现出的断面流速分布规律同样较为一致，凹岸位置由于丁坝的阻水作用，各断面流速均明显减小，只是不同丁坝坝长下流速最大减小值及其出现位置有所不同，对岸一侧受丁坝挑流作用，各断面流速均出现了较为明显的增大。

2#+断面各方案下凹岸位置流速最大减小值为0.39m/s，对岸位置流速最大增加值为0.47m/s，6#+断面各方案下凹岸位置流速最大减小值为0.60m/s，对岸位置流速最大增加值为0.62m/s。

图10 平滩流量下各方案2#+断面流速分布图

图11 平滩流量下各方案6#+断面流速分布图

5 成果分析

由以上计算成果可知，洪水流量和平滩流量下丁坝坝长的变化均引起河道断面流速分布的变化。随着丁坝坝长增加，挤占主槽行洪断面的面积也随之增加，引起的断面流速的变化也愈加明显，不同流量下河段不同位置流速分布变化的特点也有所不同。

(1)洪水流量下，随着丁坝坝长的增加，坝上断面坝身位置流速普遍增大，流速最大增加值位置逐渐向对岸侧偏移。河道弯顶上游位置坝上断面流速分布变化较大区域集中在坝身位置附近，对岸一侧流速分布变化较小。弯顶下游位置坝上断面坝身位置流速变化仍最为明显，而全断面流速分布均受丁坝长度的影响出现了较为明显的变化。

(2)洪水流量下，坝间断面由于受上下游丁坝的作用，断面流速分布呈现了不同程度的变化。丁坝坝长越长，流速分布的变化程度越为明显。河道凹岸侧坝身上下游位置受丁坝阻水挑流的作用近岸流速普遍有所减小，河道弯顶上游位置断面对岸一侧流速变化相对不明显，弯顶下游位置断面对岸一侧流速受丁坝挑流影响出现了不同程度的增大，坝长越长，流速增加值越大。

(3)平滩流量下，坝上断面随丁坝坝长的增加呈现出的断面流速分布规律较为一致。凹岸侧坝身位置随着不同丁坝坝长的阻水作用流速最大值或流速最大增加值及其位置出现了不同程度的变化，对岸一侧受丁坝挑流作用较为明显，各断面流速增大均较为明显，坝长越长，流速增加值越大。

(4)平滩流量下，坝间断面随丁坝坝长变化呈现出的断面流速分布规律同样较为一致。凹岸侧坝身位置受丁坝阻水作用各断面流速均明显减小，对岸一侧受丁坝挑流作用各断面流速均明显增加，坝长越长，流速变化值越大。

6 结论

丁坝坝长的增加虽可降低近岸流速，防止凹岸冲刷崩退，但也会引起坝身位置流速的增加，进而影响丁坝工程自身的建筑结构安全。同时由于丁坝的挑流作用，对岸一侧流速普遍增大，会增加河道对岸岸线冲刷后退的可能。实际工程运用中，宜根据河道水力特性，结合当地工程实际经验，综合考虑诸多因素，合理确定丁坝工程布置及结构型式。

本文选择典型河段为平原区蜿蜒型河段，文中仅考虑典型河段丁坝坝长对河道断面流速分布的影响，其余丁坝诸多影响因素及其对河道水力特性其他方面的影响仍有待进一步研究。

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