城市中小型河道拦蓄工程偏流减淤的方法研究
时间：2023-01-29 17:15:04 来源：天一资源网 本文已影响 人 
翟 鑫，索二峰，吴月勇
(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南?郑州?450003)
对于城市中小型河道的拦蓄工程来说，由于闸(坝)的拦蓄作用使得河道产生偏流或者滞流，造成坝前淤积较为严重，这一点在多泥沙河流里更为明显。为了让这些闸、坝等构筑物正常运行，更好地发挥其功能，减少后期的清淤工程量，对其坝前淤积规律及减淤方法进行研究十分必要。
本文结合青海省海东市湟水河乐都区段河道治理项目1号闸坝构筑物拦蓄情况，对其形成的河道偏流下，坝前淤积情况和减淤方法进行分析研究。分别采用MIKE21和DELFT3D(D3D)构建坝前区域水沙数值模型，对闸坝运行期间的河道冲淤情况进行数值模拟分析，得到坝前的年淤积规律。
海东市湟水河乐都区段河道治理项目规划范围东起向阳三街桥西至水磨营大桥，河段总长约8 km。为改善城区段亲水环境，主槽河湾大桥至东大桥段设置1～7号闸坝进行拦蓄，形成主城区段约4.5 km的连续水面。同时，考虑湟水河常态流量及泥沙情况，在河湾大桥至东大桥段南岸，结合护岸改造修建泄洪排沙箱涵(2孔，每孔宽5.5 m)，总长约4.1 km(含进水闸段)。平时携带泥沙的浑水从泄洪排沙箱涵排泄，汛期与主槽同时泄洪。
1号闸坝构筑物拦蓄情况：河道左侧或右岸设2孔的分水平板闸，与河道上挡水坝联合控制入涵流量，保证固定跃坝流量下泄。配合主城区蓄水，设置分水箱涵布置在河道右岸，设计最大过流100 m3/s，为2孔3.5 m×5.5 m，箱涵总长约4.1 km。上接2孔的平板闸(见图1)。
依据河道水文泥沙情况和景观蓄水需求，在河道右岸布置泄水箱涵(见图2)，工程主要有以下3种运行方式：
在工程设计中，由于中小型工程一手实测资料一般难以获得，因此采用多种数值模拟软件进行对比验证也是一种相对可靠的方法。河道泥沙淤积多采用一维水沙数学模型计算，但一维模型仅能给出断面平均的水沙要素，难以准确模拟水流形态复杂的近坝区域泥沙冲淤情况。平面二维水沙模型能较清楚的展示河床的平面变形，因此被广泛地应用于近坝区域的河床演变模拟计算[1_3]。
本次研究选取MIKE21、DELFT3D两款主流水沙模型计算软件，构建二维水沙模型对坝前的泥沙淤积进行1 a的数值模拟，并对结果互相对比验证。根据模拟结果可知，液压坝升起导致河道偏流，坝前水域发生了局部淤积，淤积区域主要为左岸坝根处和箱涵前约50 m处的河道右岸；
前者是由于液压坝升起导致的坝根区域流速大幅减小产生淤积，后者是由于箱涵前水流偏流以及该处位于深槽出口扩大导致的淤积(见图3)。
左岸坝根处的淤积呈现带状分布，并呈南北长、东西窄，南北淤积范围为液压坝上游120 m至坝身区域，东西淤积范围为左岸坝岸连接处至坝轴线中点附近。另外，随着模拟时长的增加，即液压坝升起时间的累积，坝根处的淤积厚度也逐步增大，且在1—7月份淤积较快；
7月份之后淤积量基本不再增加，此时坝根处的最大淤积量达2.3 m，几乎与液压坝顶平齐，淤积不再增加。
根据以上模拟结果，7月份是单月坝前淤积厚度最大的一个月，且之后的坝前淤积量不再明显增加，故以1号液压坝正常运行(工况1)下7月末的河道冲淤分布为河床初始工况。结合实际可能运行情况，采用控制液压坝分扇升降的方法来对坝前进行局部冲淤。由于MIKE21在多工况的闸坝升降设置方面比较简便，因此采用MIKE21模型对减淤效果进行模拟分析。
结合湟水河8月来水量，通过多次模拟可知冲淤7 d后，坝前断面基本趋于稳定，所以本次模拟时间为8月1日零时至8月8日零时(共7 d)，以8月1日零时的河床冲淤结果并叠加原始地形作为模型的初始地形条件。液压坝是分扇坝体组成，各扇可单独控制升起和降下，升起则挡水，降下则过流。结合可能运行情况，主要模拟箱涵口门1号平板闸落下挡水，液压坝分扇降落对坝前冲淤效果的影响。为了更好地表示坝体落下长度占全部坝长的比例，将全部液压坝长度设为L，分别考虑不同落坝比例对河道冲淤的影响。
研究设定了液压坝落下L、3/4L、1/2L、1/4L、1/8L等5组不同的运行方式，对坝前的冲淤情况进行数值模拟，通过对比分析相关成果得出以下结论。
(1)当右岸箱涵口平板闸落下挡水，分扇降落液压坝来对偏流河道坝左岸根淤积处进行冲淤是可行的(见图4～图7)。
(2)液压坝从河道左岸(淤积岸)侧进行连续分扇降落，对坝前冲淤效果更好。
(3)坝体降落长度比例并非越大越好，同时还应与降落时间相适应，本次研究1号闸坝左岸侧降落长度比例以1/4～1/2L为宜，相应时间以6～36 h为宜(1/4L时取6～12 h；
1/2L时取24～36 h)。
水利工程设施的建造往往会引起泥沙冲淤情况与河床的变化，通过以上模型分析，可以知道偏流型河道往往会导致一侧坝根处出现带状区域淤积，其淤积速率与河道径流及水体悬移质含沙量有关。
针对坝前带状淤积区域，采用分扇降落液压坝的运行调度方式，可以对坝前淤积区域进行有效冲淤。但降落坝体长度占总坝长的比例并非越大越好，且降落比例应与降落运行时间相适应，否则会造成其他区域二次淤积；
实践应用中我们可以结合落淤位置，布置观测设备，通过信息化手段实现液压坝分扇降落的自动化冲淤。
对于一些防汛要求不高中小型城市偏流河道，可以有机结合跨河栈桥、河道人工岛等布置，通过调整其坝前距离、长度，角度，占河宽比，高度等来改善偏流河道的水流曲线减少坝前淤积，也是下一步设计研究的方向。
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