桩板组合冲水坝流态导控功效数理模拟分析

邓卫斌，余 敏

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330025)

流态导控是河道水工安全和科学治理的技术研究领域，良好的流态干预技术对河道调节行流和控制积淤会发挥特定功效。本文参考案例工程实用数据，借助二维平面流水动力MIKE21FM数理模拟分析方式，对桩板组合冲水坝流态导控功效进行分析探讨，以期为同类工程应用提供技术参考，助力建设高调流功效的桩板组合冲水坝工程。

1 桩板组合冲水坝概念

桩板组合冲水坝由预制桩和预制板组合配置而成，借助入水角差异在河槽水流中形成功效环流，达成流速控制和流态干预，实现调节淤积的特定功效。桩板组合冲水坝具体构造及工作机理见图1及图2。

图1 桩板组合冲水坝结构

图2 桩板组合冲水坝工作机理

桩板组合冲水坝底部锚固、中部成墙、顶部透水，不但拥有过水优势，还能够经过深基桩锚固，获得更为稳定牢固的坝基础。桩板组合冲水坝施工可以实施冲水沉桩工艺，预置射水管于预制桩结构内部，沉桩施工时，以高压水冲刷桩尖及附近淤沙泥或岩土体，消除桩尖阻力，让桩体在自身重力及其他应力复合作用下，逐步沉桩就位。沉桩施工操作相对阻力小、耗时短、效率高和造价低。桩板组合冲水坝能够形成相对较强且可以人为调整的功效环流，对防范堤防冲毁、控制河滩退缩和保护区域生态植被尤其具有应用价值。

2 数理模型及实验组次

本文参考某黄河流段桩板组合冲水坝行流治淤工程实用技术数据，利用二维平面流水动力MIKE21FM模型开展桩板组合冲水坝功效模拟计算分析。借助该计算系统的非结构网格演算生成器对模拟区域地形给与模拟剖分，生成模拟计算分析所需要的网络文件，其网格面积最大不超过0.001 km2。案例桩板组合冲水坝平面配置见图3。案例模拟地形及网格剖分见图4。

滩地糙率取值0.030，河槽糙率取值0.025。实验系列分别是：①一座桩坝，基于45°、30°和15°共3种入水角；②横向桩坝3座，基于45°、30°和15°共3种入水角；③纵向桩坝3座，基于30°入水角，纵向桩坝间距取为45、30和15 m；④取30°入水角，纵向桩坝间距取值30 m，横向桩坝分别取三排9座、两排6座和一排3座。主要模拟参数变化见表1。

图3 案例桩板组合冲水坝配置平面图

图4 案例模拟地形及网格剖分

入水角度 /(°)排数纵间距 /m桩厚 /m桩高 /m桩长 /m流量 /m3·s-1151(3)150.38153 000302(6)300.38153 000603(9)450.38153 000

3 桩板组合冲水坝导控功效模拟计算分析

3.1 基于入水角差异的导控功效分析

1) 差异入水角单坝水位流速分布。实验组次见表2：

表2 差异入水角等同流量单座横向坝实验组次

基于3种入水角度，桩板组合坝上下游的水位、流速分布状态见图5-图7。

图5 入水角15°的单坝水位流速分布

图6 入水角30°的单坝水位流速分布

图7 入水角60°的单坝水位流速分布

图5-图7揭示，在单座组合桩工况下，并没有引发显著动速率变化，而且在桩板组合坝的近处水流即可恢复正常，导送溜长度相对较短。所以在入水角差异时，单座桩板组合坝的导控功效差异并不明显。

2) 差异入水角3坝水位流速分布。桩板组合坝初始部位与单座部位相同，后两坝则以间距10 m横向于凸岸侧布配。布设参数见表3。

表3 差异入水角等同流量3座横向坝实验组次

基于3种入水角，桩板组合坝上下游的水位、流速分布状态见图8-图10。

图8 入水角15°的3坝水位流速分布

图9 入水角30°的3坝水位流速分布

图10 入水角60°的3坝水位流速分布

通过横向3座桩板组合坝基于差异入水角条件的水位流速分布可以发现，在选用横向3座桩板组合坝工况下，上下游水流方向和送溜长度均较前述单座工况下显著加大。

3.2 基于纵向桩间距差异的导控功效分析

实验组次参数见表4。

表4 差异桩距相同入水角组合坝实验组次

基于纵向上的45、30和15 m间距差异条件，计算获取桩板组合坝的水位流速分布状态，见图11-图13。

图11 基于15 m间距的水位流速分布

图12 基于30 m间距的水位流速分布

图13 基于45 m间距的水位流速分布

图11-图13揭示，加大桩坝密度不管是纵向还是横向，其对上下游送溜长度及导流长度均起到助力和强化作用。沿河面纵向和坝基、坝中和坝头对应部位，取10个测点，计算提取其水位流速状态值，并相应计算水位差、流速差的最小值、最大和平均值演变情况，计算成果见表5-表7。

表5 基于桩距差异的上下游流速差

表6 基于桩距差异的上下游水位差

表7 基于桩距差异的上下游水力状态

经过比较上述数据可以发现，3座纵向桩板组合坝和纵向间距差异工况条件下，桩板组合坝送溜长度分别为78.10、59.76和64.03 m，相对于单座桩板组合坝的送溜区域仅在50 m左右，3座桩板组合坝送溜区域有显著加增。桩板组合坝纵向上的间距为45、30和15 m时，3座桩板组合坝水位前后差在-1.045～0.220 m之间，相对于单座配置的功效有明显提高；纵向上间距取45 m时，桩板组合坝上下游水体水位差相对最大，表现为下游水位显著降低；从表7也能够看到，桩板组合坝阻水能力随着桩间距加大而逐渐提高。

综合以上水位差及流动速率分析发现，纵向间距差异时，桩板组合坝流动速率差及水位差的最小最大值间的差异并不十分明显。纵向上间距取值45 m时，桩板组合坝在阻水功效相对较好。所以，桩板组合坝在纵向间距差异布配时，对整体导控功效的影响并不大。计算结果揭示，选用纵向3座桩板组合坝水位上下游差最小最大值之差与单坝水位上下游差最小最大值之差间存在显著加增，所以加增桩板组合坝的桩坝纵向密度，能够强化阻水功效。

3.3 基于布配组合差异的导流功效分析

1) 基于布配组合差异的水位速率分布。为分析横向布配数差异对导控功效的影响，以3座纵向桩坝设置于1排、2排及3排为条件，开展模拟计算和分析，实验组次参数见表8。

表8 布配结构差异入水角等同的桩板组合坝实验组次

计算所得桩板组合坝附近的水位流速分布状态见图14-图16。

图14 组合坝1排桩工况水位流速分布

图15 组合坝2排桩工况水位流速分布

图16 组合坝3排桩工况水位流速分布

经过横向加增桩板组合坝的配置数，从桩板组合坝上下游水位流动速率分布状态中可以看到，随着排数的加增，桩板组合坝的流动速率发生剧烈变化，而且随着横向布配数的加增，桩板组合坝对上下游的影响距离也存在显著提高。

2) 基于间距差异的导控功效分析。沿河面纵向和坝基、坝中和坝头对应部位，取10个测点，计算对应位置水位和流速分布状态，同时计算水位差、流动速率差的最小最大值及均值变化状态，计算成果见表9-表11。

表9 基于排列差异的组合坝水位上下游差

表10 基于排列差异的组合坝流速上下游差

表11 基于排列差异的组合坝水力上下游差

数据比较揭示，在布配形式差异时，桩板组合坝的阻水功效有显著差异，阻水功效随布配数量的加增而显著提升。水位在-1.497～-0.082 m范围演变，水位变化显著加大；前后流动速率在-0.873～-1.353 m/s之间演变，差异范围相对较小。3排9座配置时，水位上下游差相对最大，表现为下游水位显著下降。1排工况的下游导流影响范围是179.79 m；2排工况的下游导流影响范围是216.33 m；3排工况的下游导流影响范围是263.32 m，相对单排工况加增显著。

综合上述数据可以看到，随着桩坝排数布配的加增，组合坝的导流影响范围发生显著提升，尤其较比单排桩设置的导流影响范围，提升尤为显著，所以桩板组合坝的排数设置变化对导流影响范围和送溜长度影响较大。而且，随着桩坝排数布配的加增，流动速率变化却并不明显，或许是由于3排9座或纵向3座配置时桩板组合坝的间距相对较小，阻水面积相对较大，对水流存在一定程度的阻碍作用，致使发生漫顶过流，水流流动速率在上下游就未出现显著改变。总而言之，在桩板组合坝横纵向均提高布设密度时，桩板组合坝的阻水功效相对横向3座及单排桩板组合坝的送溜和阻水功效均更为显著，所以应适当加增桩板组合坝的配置密度，会对河道导控功效有显著改善。

4 结 语

本文参考案例工程实用数据，借助二维平面流水动力MIKE21FM数理模拟分析方式，对桩板组合冲水坝流态导控功效进行分析探讨：①梳理介绍桩板组合冲水坝概念；②建立桩板组合冲水坝二维平面流水动力MIKE21FM数理计算模型；③开展桩板组合冲水坝导控功效模拟计算分析；④经分析确认，在纵向及横向加增桩坝数量，桩板组合坝附近的水位流动速率变化并不显著；而桩板组合坝在纵向3座的配置下，加增纵向布配数，桩板组合坝的附近导流影响范围和水位流动速率变化显著，导控功效显著增强。