吐?tīng)栠d那依·托乎提

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引言

塔里木河穿過(guò)沖積層，通過(guò)夾帶、搬運(yùn)、沉積形成松散的沉積物質(zhì)，具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性。塔里木河涉及湍流、二次流、泥沙搬運(yùn)、河岸侵蝕過(guò)程等多種現(xiàn)象[1]。塔里木河高流量時(shí)面臨河岸嚴(yán)重侵蝕、水土流失、耕地萎縮、生態(tài)環(huán)境破壞等問(wèn)題[2]。此外，低流量時(shí)泥沙的快速沉積改變了河流和漫灘中的地形，嚴(yán)重降低了排水渠在低流量時(shí)的流通性。

河床的逐漸變淺導(dǎo)致河岸侵蝕和河道遷移，從而降低了河道的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的防波堤、護(hù)岸等是克服這些問(wèn)題的典型方法。然而，防波堤頂端附近的強(qiáng)烈渦流會(huì)造成局部沖刷，導(dǎo)致防波堤不穩(wěn)定[3]。因此，克服這些問(wèn)題的另一個(gè)途徑是通過(guò)一些改進(jìn)型壩體，以盡量減少局部沖刷，并在旱季平緩地引導(dǎo)水流向所需的方向，以便開(kāi)發(fā)更深的河道[4]。到目前為止，實(shí)驗(yàn)工作使人們對(duì)壩體誘導(dǎo)流有了更好的認(rèn)識(shí)，但對(duì)新型壩體的優(yōu)化設(shè)計(jì)卻沒(méi)有幫助[5]。隨著計(jì)算機(jī)模型的出現(xiàn)，探索替代設(shè)計(jì)的可能性已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái)[6]。

因此，本研究通過(guò)高洪水時(shí)堤岸的保護(hù)和低流量時(shí)河道的建設(shè)來(lái)提高對(duì)塔里木河穩(wěn)定的認(rèn)識(shí)，驗(yàn)證了采用改進(jìn)型壩設(shè)計(jì)的可能性。研究了河道中不同角度和構(gòu)型壩體的水流動(dòng)力學(xué)和泥沙過(guò)程，通過(guò)比較它們的性能，提出實(shí)地使用的最佳方案。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河是中國(guó)第一大內(nèi)陸河，全長(zhǎng)2137km，流域面積19.8×104km2。塔里木河遠(yuǎn)離海洋，地處歐亞大陸腹地，四周高山環(huán)繞，東部為塔克拉瑪干沙漠，屬大陸性暖溫帶荒漠干旱氣候，氣候干燥，多風(fēng)沙天氣，平均年降水量在17.4～42.0mm之間，而平均年蒸發(fā)力高達(dá)2500～3000mm。氣溫年較差14℃～16℃，日較差在25℃以上。

1.2 模型建立

模擬的區(qū)域是一個(gè)規(guī)劃好的筆直的河段，每段河段有四個(gè)出壩，方向和形態(tài)相同，長(zhǎng)400m，寬280m，河床坡度為7.5cm/km。溝位于河段的一側(cè)，預(yù)計(jì)長(zhǎng)度(Lg)為40.0m，間距(S)為100.0m，即長(zhǎng)寬比為2.5。本文考慮了不同的角度和構(gòu)型來(lái)探討壩體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，見(jiàn)m1、m2和m3的構(gòu)型是根據(jù)壩體角度的結(jié)果確定的，見(jiàn)表1，如圖1所示。壩體m3為拋物線形，平均夾角為80°。考慮下游m1和m2的下半段對(duì)齊，m3的曲線配置，以促進(jìn)水流在小流量時(shí)向更深的河道集中，使大響應(yīng)最小化，在大流量時(shí)也能在壩基附近沖刷。

圖1 壩的方位和結(jié)構(gòu)

表1 研究中考慮的方案

對(duì)于不透水的壩體，計(jì)算域內(nèi)的單元是固體的，而對(duì)于透水型壩，其壩體面積由一組對(duì)水流產(chǎn)生阻力的非淹沒(méi)式柱體所占據(jù)。與阻力有關(guān)的參數(shù)K由直徑(dv)，密度(Na)和阻力系數(shù)(Cd)合并而成，計(jì)算時(shí)為14.16。這種情況下不考慮100°的防波堤角，因?yàn)榭赡苡辛飨蚝影兜乃饔绊憽Ｓ?jì)算時(shí)考慮了2600m3/s(Qh)和650m3/s(Q1)兩種不同的流量，以復(fù)制高流量和低流量時(shí)的壩基響應(yīng)，整個(gè)域的泥沙中值選擇為0.16mm。

1.3 操作步驟

本研究考慮了3個(gè)主要指標(biāo)作為確定壩體性能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：主河道沖蝕量(ΔZch，Ych)、壩區(qū)沉積(ΔZgf)以及壩體附近沖刷(ΔZg)，如圖2所示。由于在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)，一系列壩體的河道響應(yīng)是相似的，因此考慮中間區(qū)域進(jìn)行分析，并將各指標(biāo)的值取平均值，其中ΔZg為第2和第3壩體尖端附近最大沖刷深度的平均值。

圖2 關(guān)鍵指標(biāo)的定義示意圖

本研究采用二維的流動(dòng)和形態(tài)模型RIC-Nays研究了一系列不同角度、不同構(gòu)型的壩體對(duì)河道的響應(yīng)。采用有限差分法在擬合邊界結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上求解了一般坐標(biāo)系下的二維非定常流動(dòng)方程。流向河床荷載和含沙率通過(guò)計(jì)算可得，深度平均濃度的平面分布采用二維對(duì)流擴(kuò)散方程得到。最后利用二維泥沙連續(xù)性方程確定了河床變形。RIC-Nays模型已得到驗(yàn)證，可以較好地再現(xiàn)了壩體外物理模型的流場(chǎng)，但壩體下游的流場(chǎng)存在較大的偏差。初始和下游水面由均勻水流條件設(shè)定，在上游端假定泥沙輸移為動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。我們提供了相對(duì)較小的網(wǎng)格尺寸附近的壩體，增加了距離結(jié)構(gòu)。在計(jì)算中設(shè)置一個(gè)0.1秒的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，所有的運(yùn)行都是在7天內(nèi)進(jìn)行的，此時(shí)變量的時(shí)間變化大大減少。計(jì)算了經(jīng)過(guò)無(wú)限系列的壩后的水流地形和河床地形。

2 結(jié)果與分析

2.1 流型分析

結(jié)合圖3的結(jié)果表明，水流由于壩體侵入河道而收縮，從而使主河道內(nèi)水流加速，其中速度的流向分量在高流量時(shí)強(qiáng)度較高。高流量時(shí)，在較小的距離上的較小角度會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)稍高的值。對(duì)于改進(jìn)型壩體，高流量條件下由于m1強(qiáng)度較低，在較大距離處出現(xiàn)峰值，m2強(qiáng)度較高，在較小距離處出現(xiàn)峰值，m3介于兩者之間。峰值出現(xiàn)距離的差異在低流量時(shí)的結(jié)果類似。

圖3 流速橫向分布圖

圖4顯示了河段不同角度、不同構(gòu)型的水深平均速度場(chǎng)及河床地形。在高流量下，主要是單旋系統(tǒng)占據(jù)了不透水直壩的整個(gè)區(qū)域(圖4a)。在低流量下，可以觀察到雙回旋速度場(chǎng)，而在100d時(shí)高流量和低流量情況下均不清楚(圖4b)。與不透水壩相比，通過(guò)透水型壩的水流的動(dòng)量傳遞阻止了循環(huán)流的形成，且大多導(dǎo)致了高流量時(shí)壩體場(chǎng)單向流動(dòng)的一些不規(guī)則現(xiàn)象，如在高流量時(shí)壩體附近仍存在一些沖刷現(xiàn)象(圖4c、圖4d)。除了m2的改進(jìn)型堤壩，雙環(huán)流系統(tǒng)占據(jù)了壩區(qū)的全部面積，m2在大流量時(shí)為單環(huán)流(圖4e)。壩流的上游部分包含與主環(huán)流方向相反的次級(jí)環(huán)流。壩區(qū)水流速度遠(yuǎn)低于主河道流速，因而不超過(guò)其輸送能力而沉降下來(lái)。但是，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)再循環(huán)的強(qiáng)度足以影響到70d，而盡管其遠(yuǎn)岸部分的防波堤角為70°，但對(duì)于m2的壩體來(lái)說(shuō)，它的強(qiáng)度較低。因此，m2的河岸沖刷沒(méi)有出現(xiàn)。

圖4 不同河壩的速度矢量和河床輪廓：不透水壩高流量(a)和低流量(b)；透水型壩高流量(c)和低流量(d)；改良不透水壩高流量(e)和低流量(f)

2.2 形態(tài)變化分析

對(duì)于直形、高流量的不透水壩，最終床層地形基本相同(圖4a)，在較小距離下，較小的角度影響稍大，反之亦然。在低流量時(shí)，角度越小，沖擊越大，河床形態(tài)不規(guī)則，在壩區(qū)附近形成沙洲(圖4b)。在透水情況下，可以看到較小角度的較高效應(yīng)(圖4c、圖4d)。對(duì)于備選設(shè)計(jì)，m2的響應(yīng)更高(圖4e、圖4f)。高流量時(shí)，在壩頂附近存在一些小沖溝，而在低流量時(shí)，在法線附近可以看到一個(gè)類似河道的地層，并伴隨一些沙洲形成。

如表2所示，可以清楚地看到不同壩的變量變化情況，在直壩情況下，不透水壩的河床侵蝕率比直壩高。在低流量下不同流向的侵蝕程度也存在顯著差異。在高流量條件下，較深的河道形成的距離越短，對(duì)應(yīng)的壩體角度越小，但在低流量條件下，由于在壩體附近形成了一些不平順的河床，形成了較深的河道。高流量下不透水壩的沖刷角越小沖刷深度越小。對(duì)于改進(jìn)型壩，在高流量和低流量情況下，m2對(duì)河床的沖蝕量均較高，m1的侵蝕量較小，m3介于兩個(gè)值的范圍內(nèi)。其中，m1壩的加積量較高，m2壩和m3壩的加積量較低，且與m2壩和m3壩的加積量相近。在高流量下，m2和m3在壩體附近的沖刷深度顯著減小。

表2 不同壩角和壩型各變量的平均值

3 結(jié)論

(1)較小角度的壩體可以減少河岸附近的沉積，對(duì)加深河道深度的作用較好。高流量條件下，70°不透水壩也存在河岸侵蝕，因此壩體80°為最佳壩角。

(2)從不同堤防設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看，m2改進(jìn)型壩在低流量時(shí)有利于加深主河道的深度，同時(shí)在高流量時(shí)也為河堤提供了安全保護(hù)，減小河岸沖刷。因此，相比于傳統(tǒng)壩，m2改進(jìn)型壩改善了河道響應(yīng)，可作為改善塔里木河通航和沖岸問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

(3)然而，對(duì)于所提出的改變長(zhǎng)寬比的設(shè)計(jì)，還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試其普遍適用性。此外，未來(lái)還可以對(duì)防波堤滲透性部分進(jìn)行研究，以改善沉積，最大限度地減少?gòu)?qiáng)再循環(huán)。