沙颍河三八村切滩段航道整治设计及通航条件数值模拟

高胜，胡应苗 （安徽省港航建设投资集团有限公司，安徽 合肥 230022）

沙颍河发源于河南省伏牛山，流经河南省平顶山、漯河、周口等地市，自界首入安徽省阜阳市境内，于颍上沫河口入淮河，是淮河的最大支流[1，2]。干流河道全长620km，总落差665m，流域面积36651km2。三八村等弯道切滩疏浚工程位于颍上闸下游2km，河槽呈“∧”形弯曲，弯道长度约3.3km。工程航道设计等级为Ⅳ级，由于弯道弯曲半径较小[3，4]，约200m，通航水流条件较差，不满足Ⅳ级标准要求，本文拟对工程段进行航道整治设计，并借助数学模型对整治前后航道通航条件进行系统分析。

1 工程概况

1.1 水文条件

沙颍河属淮河水系，与淮河汛期与雨季一致，夏季雨量充沛，水位高，流量大；冬季降雨稀少，水位低，流量小。沙颍河洪水主要由暴雨形成，漯河以西沙河干流、北汝河、澧河上游是沙颍河流域暴雨中心多发地区；沙颍河上游山区流域坡度陡，集流快，汛期径流量往往占总径流量的70%～80%[5]。本工程范围内设计最高通航水位为27.05m，对应的最高通航流量为2100m3/s，最低通航水位为17.00m。

1.2 工程地质

工程区域位于淮河以北的平原地带，河道支流较多，沟渠交错，一般地面高程25m～35m。钻孔揭示河道两岸地下水一般为潜水，地质以粉土、粉质粘土以及淤泥质粉质粘土为主。由于河水流速的变化，沉积环境发生很大变化，地层范围和厚度变化均较大，部分地段分布有粉砂。

1.3 工程等级

本次航道规划等级为天然及渠化河流Ⅳ级双线标准，航道设计最高通航水位取10%频率洪水位（10年一遇洪水位），设计最低通航水位取95%保证率水位。航道底宽50m，最小通航水深2.8m，最小弯曲半径330m。

2 航道整治设计

沙颍河为渠化河流，水流造床作用相对弱小，解决枯水期航道尺度不足问题，采用疏浚工程措施是最经济可行的解决方式，局部弯曲河道通过采取裁弯取直、削滩、切滩等工程措施改善航行条件[6]。

三八村处河槽呈“∧”形弯曲，弯道弯曲半径较小，不能满足Ⅳ级航道标准要求，采用沿现河槽局部采取切嘴工程措施治理方案。该处弯道受地形条件限制，若航道弯曲半径按照Ⅳ级航道标准要求取330m，则切嘴较多，形成小规模的裁弯，河中将留有一块小面积的河洲，对汛期船舶安全航行不利。本次设计该处航道弯曲半径取300m。对航道底宽作局部加宽处理。根据计算，加宽值为18.7m，取19m，该方案航道里程2.7km。工程方案布置图和弯顶断面开挖图见图1。

图1 工程方案布置图

3 模型建立

针对沙颍河三八村段弯曲较大的河道特点，采用建立在三角形网格上的专业二维模型MIKE 21 FM进行模拟计算，该模型具有边界适应性好，计算速度快、考虑水动力条件全面等特点，并在长江口深水航道治理、淮河干流刘台子航段裁弯等多个工程得到应用，取得了较好的效果，为解决航道整治中遇到的水流问题提供了有力的技术支撑[7-9]。

3.1 水流方程

模型的水流运动方程为基于Boussinesq假定和静水压力假定的垂向平均不可压缩流体雷诺平均Navier-Stokes方程。

3.1.1 连续方程

3.1.2 方向动量方程

3.1.3 方向动量方程

式中，x，y为笛卡尔坐标系坐标；t为时间；η为水位；d为静止水深；h=η+d为总水深;u、υ分别为x、y方向上的速度分量，字母上带横杠是平均值，例如为沿水深平均的流速，由以下公式定义：是柯氏力系数，为地球自转角速度，φ为当地纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度；分别为辐射应力分量；S为源项；为源项水流流速。

式中，A为系数。

粘滞应力梯度项可转换为

式中，Δ为单元面积 (m2)；Cs为系数，取 0.25～1.0。

3.2 网格划分和计算参数

根据工程河段特点，选取颍上闸下至三八村弯道出口段全长约8km河道构建水动力模型计水沙数学模型。计算区域被剖分为25105个三角形计算单元，共13090个计算节点。模型网格最小内角为15°，最大内角为133°，网格区域变化为0.45，没有畸形网格出现，模型网格质量良好。其中滩地网格尺度为10m～20m，主槽和航道网格尺度为5m～10m，网格的疏密分布能够详细反映实际地形的变化，见图2。

图2 数学模型三八村弯道局部网格剖分

时间步长：最小时间步长0.01s。

糙率：主槽糙率为 0.025～0.028，河道滩地糙率为0.035～0.04。

紊动黏性系数：采用Smagorinsky公式计算，取0.28。

3.3 模型率定验证

以2018年汛前（6月27日）为起算地形，配合2018年6月27日～9月24日实测水沙资料为进出口边界，对上述模型进行率定和验证。

图3给出了颍上闸下和码头两个测点的水位计算值与实测值的验证结果。由图中可见，两个测点计算的水位过程与实测值均吻合较好，误差一般控制在0.10m以下，说明模型对边界的处理和糙率的选取是合理的。

图3 水位计算值与实测值比较

3.4 计算控制条件

模型共研究两种河道地形，即航道整治工程实施前河道地形和三八村弯道裁弯半径为300m的竣工后地形。针对不同的地形，数学模型分别制作相应的网格文件进行分析计算。

分析新老河槽分流比时，需要在三八村弯顶附近垂直河道方向划定分析断面，断面对应河道设计中心线桩号约为K164+908。该断面切滩前现状河槽定为老河槽，切滩后老河槽右岸滩地新开挖部分定为新河槽，新、老河槽流量占上游来流总流量百分比为其分流比，见图4。由图可知，三八村弯道河道整治工程前弯道中部河槽宽度约165m，河道中心线曲率半径约200m；整治工程（2017年测）后弯道中部河槽宽度约270m，河道中心线曲率半径约300m。

图4 整治工程后局部地形及新老河槽分割示意图

根据沙颍河河道整治工程通航水位的设计，并对颍上闸下近年来水位流量资料的分析，选取3组工况，包括了平滩水位以下、平滩和最高通航水位。具体工况选择见表1。

模型计算工况 表1

4 计算结果分析

选取最不利工况，即最高通航水位工况进行工程模型计算结果分析。

4.1 流场、流速分布变化

整治前后工程段流场分布图见图5。分析可知：

图5 整治前、后流速分布图

①平滩流量以下（600m3/s）：工程前流速最大值位于弯顶下游，最大流速为1.2m/s～1.3m/s，弯顶部位主流偏向于左岸，主流过于集中、局部流速偏大，流速值在0.5m/s～0.6m/s之间。整治后，弯顶区主流偏向于右岸新河槽，由于切滩后弯顶主槽过流断面面积变大，使得弯顶断面流速相比较切滩工程前有所减小，弯顶位置主流过于集中、局部流速偏大的情况明显改变，切滩上下游流速分布更加均匀，通航水流条件改善明显，流速值为0.2m/s～0.5m/s。老河槽流速较小，流速值仅为0.1m/s～0.2m/s，但没有出现回流。航道水流平顺，流态较好。

②平滩流量（1000m3/s）：由于洪水尚未漫滩，流态和平滩以下流态基本一致。工程前，但由于流量加大，河道内流速有所增加，最大流速为1.4m/s～1.6 m/s，弯顶部位主流偏向于左岸，流速值在0.7m/s～1.0m/s之间。整治后，弯顶区主流偏向于右岸新河槽，流速值在0.4m/s～0.65m/s之间。老河槽流速较小，流速值仅为0.1m/s～0.4m/s，但没有出现回流。航道水流平顺，流态较好。

③最高通航水位（2100 m3/s）：工程前，洪水全部漫滩，虽然流量相比较工况2增加了1100 m3/s，但是由于洪水漫滩，水流过流面积急剧增加，滩地糙率的增加，使得河道水流流速相较于工况2有所减小，最大流速为1.4m/s～1.5m/s，弯顶部位流速值有所增加在0.8m/s～1.2m/s之间。整治后，弯顶部位右岸新河槽流速值有所增加在0.5m/s～0.85m/s之间。航道水流平顺，流态较好。

4.2 水动力轴线变化

整治前后水动力轴线变化见图6。分析可知，工程后，水动力轴线略微向开挖侧摆动，最大摆动距离为10.3 m，平均摆动距离为1.29 m，摆动幅度较小。凹岸侧流速值减少，凸岸侧流速值增大。

图6 工程前后水流轴线对比图

4.3 工程后新老河分流比

弯顶切嘴后分流比分析断面处新、老河槽位置分割见图4，模型输出各计算工况分流比分析断面处新、老河槽行洪流量，由此计算新老河槽分流比。计算结果见表2。

由表2可以看出：三八村弯道切滩后，河槽主流明显偏向右岸新河槽，新河槽分流比为59.6%～61.3%，老河槽仅38.7%～40.4%；随着流量增大，右岸新河槽分流比减小，但新河槽分流比大于老河槽的情况没有改变。

整治工程后新、老河槽分流比 表2

4.4 横向流速

在三八村弯道航道进口段、弯顶处、出口段设置流速分析断面，用于提取各断面流速值。模型流速分析断面位置见图2。整理计算各工况实际流速、流向与航道夹角、横向流速见表3。由表可知，这5个断面横向流速变化呈现出的规律基本一致，即随着流量的增加，断面的最大流速、主流线与航道的夹角都存在明显的上升趋势，受其影响，横向流速也在不断的攀升。各工况下横向流速均小于航道最大允许流速0.3m/s，满足通航要求。

断面流速分析表 表3

5 结论

针对沙颍河三八村弯道现有的条件设计了沿现河槽局部采取切嘴工程措施治理方案，并建立了二维水动力维数学模对工程整治后效果进行了分析。结果表明：

①三八村弯道切滩后，切滩处弯道主流过于集中、局部流速偏大的情况明显改变，切滩上下游流速分布更加均匀，各工况下横向流速均小于航道最大允许流速0.3m/s，满足通航要求；

②工程后河槽主流明显偏向右岸新河槽，新河槽分流比为59.6%～61.3%，老河槽仅38.7%～40.4%；随着流量增大，右岸新河槽分流比略有减小，但新河槽分流比大于老河槽的情况没有改变。受此影响，各流量级凹岸顶冲点普遍下移，建议加强对河道的观测及护岸工作；

③本工程整治方案合理有效，整治后，工程河段内通航条件显著改善。