朱曉駿，胡海霞，王坤雪

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江江能建設有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

山區(qū)性河道在水流橫向遷移和洪水漫堤沉積的長期作用下，河床一側(cè)或兩側(cè)會形成在洪水期才被淹沒的灘地。作為河道水域與陸域的過渡區(qū)域，灘地具有穩(wěn)固河床、調(diào)蓄洪水、豐富生物多樣性等積極作用，是營造岸、坡、灘、洲、潭等多樣化生態(tài)空間的重要組成部分。受采沙、耕種等人為侵占行為及河流水能資源開發(fā)利用影響，山區(qū)性河道灘地功能日漸退化甚至喪失。本文以浙江省青田縣城區(qū)太鶴灘地為例，通過建立二維數(shù)學模型，分析不同重現(xiàn)期標準及修復設計方案下，河床沖淤的變化、構建典型灘地斷面的剖面最終形態(tài)，為灘地修復設計方案提供相關參數(shù)，從而探討灘地生態(tài)修復的設計思路。

1 項目區(qū)概況

項目區(qū)灘地位于青田縣城區(qū)太鶴大橋上下游兩側(cè)，處于下游青田水利樞紐與上游三溪口電站之間。青田水利樞紐工程于2018年8月下閘蓄水后，壩上即青田城區(qū)形成了約5 km2的湖面，正常水位7.00 m，回水與三溪口電站相接。太鶴灘地受水位抬升影響，整體淹沒于庫區(qū)常水位之下。

太鶴灘地位于青田縣中心城區(qū)，淹沒前太鶴灘地長度約0.95 km，高程5.00 m以上灘地面積約22 282 m2，平均寬度約23.50 m；高程4.00 m以上灘地面積約60 600 m2，平均寬度約63.80 m。灘地沿線分布有蘆葦?shù)扔H水植物，太鶴橋下游有白鷺等鳥類覓食棲息，生態(tài)性、景觀性優(yōu)越。太鶴灘地淹沒前現(xiàn)場見圖1。

圖1 太鶴灘地淹沒前現(xiàn)場圖

2 設計要點分析

2.1 山區(qū)性河道灘地特點

山區(qū)河道水文特點：①洪水暴漲暴落，在暴雨集中地區(qū)尤為顯著，暴雨與山洪往往同時發(fā)生，但一般洪水持續(xù)時間不長；②流量與水位變幅大，最大流量與最小流量的比值可達幾百倍；③受河床形態(tài)及水流條件影響，山區(qū)河流水面比降一般都較大，且沿程分布極不均勻。

河道灘地在平面形態(tài)上通常蜿蜒曲折，起伏多變，結合上述山區(qū)性河道水文特點，自然狀態(tài)下的灘地通常處于不斷的沖淤平衡中。若對灘地抬高修復，則原有動態(tài)平衡將被打破，其水文情勢的不確定性大大增加。

2.2 灘地修復平面設計

灘地修復平面設計要點：順應河勢，遵循河床演變規(guī)律，避開凹岸頂沖位置或河道狹窄段；結合現(xiàn)狀河道建筑物布置，調(diào)整平面形態(tài)，以避免加劇橋梁等建筑物的阻水作用；整體形態(tài)美觀自然，與沿線景觀節(jié)點布置相結合。

2.3 灘地修復斷面設計

灘地修復斷面設計要點：①修復后灘地過水斷面不應縮減，應通過河道疏浚、縮窄灘地寬度等方式，保障河道行洪能力；②斷面設計應滿足修復后灘地防沖刷要求，以保證灘地平面形態(tài)的完整性。

2.4 二維數(shù)模計算的必要性分析

灘地修復設計的關鍵在于選擇科學合理的修復斷面，其關系到項目的整體造價。因此，設計工作的核心在于如何準確獲取灘地各部位在最不利洪水條件下的水位、流速等流場數(shù)據(jù)，從而準確判斷灘地各部位的防沖刷深度要求，為各部位斷面設計提供依據(jù)[1]。

若灘地防沖設計參考GB 50286—2013《堤防工程設計規(guī)范》[2]中D.2.2-1沖刷深度計算公式，其計算結果主要受近岸垂線平均流速Ucp、流速不均勻系數(shù)η及形狀系數(shù)n控制。在復雜的山區(qū)性河道水文條件下，上述參數(shù)的常規(guī)確定方法難以滿足灘地形態(tài)的防沖設計精度要求，設計者往往只能從安全角度出發(fā)，以最不利位置的相關參數(shù)作為設計依據(jù)，從而導致項目造價大大增加。

通過二維建模計算，可以準確得到修復后灘地各部位的流場數(shù)據(jù)，消除經(jīng)驗公式的局限性和誤差，避免投資浪費。

3 二維數(shù)模分析

3.1 模型介紹

平面二維數(shù)學模型采用自主開發(fā)的基于三角形網(wǎng)格的有限體積模型，該模型具有網(wǎng)格布置靈活、局部加密方便、適用性強等特點。

模型范圍：數(shù)學模型模擬甌江主河段全長約20 km，上游至青田三溪口河床式水電站工程閘址位置，下游至青田水利樞紐。

網(wǎng)格布置：模型最大網(wǎng)格邊長約50 m，工程區(qū)涉水建筑物附近網(wǎng)格根據(jù)實際地形及固邊界特點漸變加密，最小網(wǎng)格邊長約為1.5 m。

數(shù)模網(wǎng)格劃分及計算節(jié)點見圖2，計算斷面編號由上至下依次為k1+200 m、k1+300 m、k1+400 m及k1+500 m，計算點位由左岸至右岸編號依次為p1～p5。

圖2 數(shù)模計算節(jié)點圖

3.2 模型驗證

據(jù)《青田縣大溪20140820洪水調(diào)查報告》，給定模型上邊界三溪口流量10 900 m3/s，下邊界圩仁水位8.42 m。各驗證站點位置見圖3。

圖3 數(shù)模驗證站點示意圖

各驗證站點調(diào)查水位與數(shù)模驗證水位匯總見圖4，計算驗證點與實測資料誤差在0.24 m以內(nèi)，工程區(qū)附近在0.02 m以內(nèi)，模型能夠滿足方案計算要求。

圖4 數(shù)模驗證結果圖

3.3 模型計算條件

本工程下游控制站為青田水利樞紐，根據(jù)相應的泄洪調(diào)度運行原則：當閘上游水位高于7.00 m時，逐步開啟泄洪閘，使泄水流量（含發(fā)電流量）等于入庫流量，保持閘上水位在正常蓄水位7.00 m，直至25孔泄洪閘全開。洪水調(diào)節(jié)計算成果見表1。

表1 青田水利樞紐洪水調(diào)節(jié)計算成果表

考慮到數(shù)學模型上下游邊界、青田水利樞紐及三溪口水電站的運行調(diào)度，經(jīng)匯總后的工程上下游邊界水位、流量見表2。

表2 上下游邊界情況匯總表

數(shù)模計算方案：模型計算上游邊界條件采用相應的洪水流量，下游則采用對應的水位過程控制。具體方案見表3。

表3 數(shù)模計算方案表

3.4 現(xiàn)狀地形計算結果

現(xiàn)狀條件下的水位、流速分布情況見表4。

表4 數(shù)模現(xiàn)狀條件下的計算結果表

由表4可知，現(xiàn)狀條件下：

1）水位：20 a一遇＞10 a一遇＞5 a一遇，左岸略低于右岸（工程區(qū)）；

2）流速：由上下游邊界流量—水位關系可知，當上游發(fā)生5 a一遇～20 a一遇的洪水時，10 a一遇與20 a一遇的流量差異不大，結合水位變化，20 a一遇洪水水位較高，水流漫灘。綜合分析可得，工程附近10 a一遇設計流速最大，較其他2組數(shù)據(jù)大0.4%～4.2%，而20 a一遇與5 a一遇流速基本相當；

3）工程區(qū)附近，當發(fā)生5 a一遇～20 a一遇的洪水時，灘地流速為2.61～2.88 m/s，水位介于12.85～13.90 m；主槽區(qū)，流速為2.94～3.54 m/s；左岸流速：2.74～3.38 m/s。

3.5 灘地修復平面設計及計算結果

3.5.1 灘地修復平面設計方案

灘地修復方案擬利用外側(cè)灘地及河道疏浚產(chǎn)生的砂卵石料，對太鶴灘地進行加高處理，抬升灘地高程至正常水位7.00 m以上，并輔之以適當生態(tài)景觀措施。修復后灘地平均寬度約37 m，最大寬度約65 m。

平面形態(tài)設計上，一方面為避免灘地加劇太鶴大橋橋墩的阻水作用，在大橋附近未對灘地進行加高處理，而是分區(qū)打造上下游2塊灘地景觀節(jié)點；另一方面，從豐富區(qū)域生物多樣性角度出發(fā)，于太鶴大橋橋墩下游堆筑生態(tài)沙洲，為野生動植物在遠離人群的地方創(chuàng)造私密的棲息場所。灘地修復平面布置見圖5，修復后灘地效果見圖6。

圖5 灘地修復平面布置圖

圖6 灘地修復效果圖

3.5.2 設計方案計算結果

根據(jù)河道疏浚及灘地修復設計方案，經(jīng)數(shù)模計算，分析可知：

k1+200 m斷面：河道水位普遍降低，降幅0.01～0.07 m；流速除右岸灘地（工程區(qū)）外，其他均有所減小，減小0.01～0.19 m/s，右岸灘地（工程區(qū)）由于灘地高程可達7.0～7.3 m，上游來流 4 000 m3/s流量時，局部流速可減小0.86 m/s，但當上游遭遇5 a一遇及5 a一遇以上頻率洪水時，左岸流速略有增加，增幅約0.13 m/s。

k1+300 m斷面：河道左側(cè)水位普遍略有降低，降幅0.01 m，右側(cè)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，其中右岸灘地（工程區(qū)）流速減小幅度相對較大。

k1+400 m斷面：該斷面的P4點正位于人工島上。右岸灘地（工程區(qū)）水位均有所抬升，幅度0.03～0.06 m，其余地方水位維持不變或略有降低，降幅0.02～0.04 m；由于橋墩繞流及局部灘槽變化的影響，人工島上流速增加0.15～0.33 m/s，其余點流速降低0.01～0.11 m/s；修復后斷面數(shù)模計算結果見圖7。

圖7 修復后k1+400 m斷面數(shù)模計算結果圖

k1+500 m斷面：在人工島下游的點在超過5 a一遇洪水時，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；左岸流速減小0.05 m/s左右，主槽流速略有增大，幅度0.01～0.04 m/s，右岸灘地，上游來流4 000 m3/s流量時，流速可減小0.50 m/s，但當上游遭遇5 a一遇及以上洪水時，右岸灘地流速可增加約0.2 m/s。

4 河床沖淤分析

對工程區(qū)河床底質(zhì)進行顆粒分析，工程區(qū)域D50介于22.3～35.2 mm，粒徑為8.2～16.6 mm。由泥沙起動公式計算可得，在水深為4.00～8.00 m下，工程區(qū)域砂礫石起動流速為1.6～2.2 m/s。

由工程區(qū)域砂礫石起動流速并結合工程實施后的水動力計算可知：

1）工程區(qū)上游發(fā)生小洪水時，各典型斷面流速為1.6～2.3 m/s，該流速與砂礫石起動流速基本相當，此時河床整體沖淤變幅較小，但仍需注意局部流態(tài)復雜區(qū)域及水下斜坡的沖刷。

2）上游發(fā)生超過5 a一遇大洪水時，灘地頂沖及凸出位置設計流速最大可達4.0 m/s，該流速遠大于砂礫石起動流速，河床首先快速下切，但隨著沖刷的發(fā)展，水深加大，流速降低，水流的挾沙能力逐漸下降，沖刷率迅速減小并漸趨穩(wěn)定，逐漸達到相對沖淤平衡，河床整體可下切1～3 m，局部區(qū)域沖刷幅度更甚。

橋下凹岸段及下游尾段位置設計流速僅為1.6～2.4 m/s，該流速與砂礫石起動流速基本相當，此時河床整體沖淤變幅較小，防沖刷要求相對較低。

5 灘地修復斷面設計

灘地修復斷面設計以二維數(shù)模水位、流速計算成果為依據(jù)，結合河床沖淤分析結論擬定。

1）灘地上游頂沖及凸出段：因該位置設計流速最大可達4.0 m/s，河床整體下切達1.00～3.00 m，局部區(qū)域沖刷幅度更甚，為保證修復后灘地經(jīng)洪水沖刷后整體平面形態(tài)完整，灘地修復斷面的防護深度需大于河床下切深度0.50～1.00 m，故擬定防沖刷深度為2.50～4.50 m。

結合水下施工條件，擬定該位置斷面設計如下：灘地外側(cè)采用灌砌石擋墻防護，擋墻頂高程6.50 m，基礎底高程3.50 m，設厚20 cm的C20混凝土壓頂及厚30 cm的C20混凝土基礎；灌砌石擋墻與護腳之間采用6 m寬緩坡連接，坡面采用30 cm厚生態(tài)網(wǎng)墊防護；為便于水下施工，防沖護腳采用沉井式擋土墻結構，護腳擋墻頂高程3.50 m，底高程-1.00～1.00 m（根據(jù)各部位河床計算防沖刷深度調(diào)整），沉井式擋墻采用C30混凝土結構，單個沉井寬2.0 m，長3.0 m，壁厚30 cm，內(nèi)部填充碎石及砂礫料。灌砌石擋墻內(nèi)側(cè)為修復灘地填筑區(qū)，填筑高程為7.00～8.00 m，高程根據(jù)親水性及植被種植需求平順銜接。填筑材料的選取方面：根據(jù)河床沖淤分析結論，小洪水時，修復后灘地區(qū)域流速均大于1.6 m/s，大于小粒徑中細砂起動流速，故中細砂無法滿足灘地表面抗沖刷要求。工程區(qū)現(xiàn)狀河床砂礫料粒徑為8.2～16.6 mm，起動流速略大于灘地平均流速，結合就地取材原則，填筑材料選用河床疏浚砂礫料。典型修復斷面見圖8。

圖8 灘地上游頂沖及凸出段灘地修復斷面圖 單位：cm

2）橋下凹岸段及下游尾段：因該位置設計流速僅為1.6～2.4 m/s，該流速與砂礫石起動流速基本相當，防沖刷要求較低，故擋墻基礎防沖刷深度僅按0.50 m考慮。

擬定該位置斷面設計如下：灘地外側(cè)采用大塊石漿砌擋墻，表面不露漿，底部設厚30 cm的C20混凝土基礎，擋墻高1.50 m，墻頂高程7.00 m，漿砌石擋墻內(nèi)側(cè)填筑河床疏浚砂礫料。典型修復斷面見圖9。

圖9 橋下凹岸段及下游尾段灘地修復斷面圖 單位：cm

6 結 語

本文提出了一種山區(qū)性河道灘地修復的設計思路：①構建項目區(qū)域二維數(shù)學模型，以歷史調(diào)查洪水資料為依據(jù)，對其進行驗證分析；②搜集相關水文資料，明確模型上下游邊界計算條件；③通過模型計算，得出項目區(qū)現(xiàn)狀條件下不同重現(xiàn)期洪水的水位、流速數(shù)據(jù)，并對其分析論證；④以上述初步分析結論為依據(jù)，進行灘地修復平面設計，并對設計方案進行流場計算分析；⑤結合河床底質(zhì)顆分結論，分析灘地各部位沖淤變化情況；⑥以上述水位、流速及沖刷深度等相關數(shù)據(jù)為基礎，分段進行灘地修復斷面設計。