城市河道渠化方案探討-以蘭州市黃河段為例

1、城市河道渠化方案探討-以蘭州市黃河段為例    摘要：以蘭州市為例研究黃河蘭州段河道渠化整治方案與泄洪等的關系。在對河道地形、河相關系、造床流量及河床演變規(guī)律分析的基礎上，提出了切實可行的整治寬度240m、泄洪寬度300m及相關建議，并進行了物理模型試驗和數(shù)值計算，實驗與計算基本吻合。該方案的實施不但可滿足泄洪的要求而且并未引起水位、流速及河床斷面地形較大幅度的變化。 關鍵詞：河道整治 整治寬度 泄洪寬度 物理試驗  1 河道概況黃河蘭州段位于蘭州帶狀盆地，呈東西走向，西起西柳溝，東至桑園峽，全長44.84km。全河段河槽寬窄相間，河寬變化較大

2、，窄處僅120m，寬處可達600700m（含江心洲）。河床基本上由砂卵石組成，且多卵石邊灘及江心洲。主泓在一定范圍內(nèi)擺動，河段洪枯水位變幅不大。洪水期河岸時有沖刷，水面比降0.91.3。河段枯水流量540m3/s,造床流量3000m3/s,百年一遇流量6500m3/s，1981年實測的最大流量5600m3/s。河床糙率為0.032，河岸糙率為0.0300.35，灘地糙率為0.045，中水情況下綜合糙率為0.035。黃河鐵橋下游210m處為蘭州水文站，自1935年建站以來積累了較長的實測資料。1981年黃河蘭州段出現(xiàn)了5600m3/s的洪水，當年沿蘭州市44.84km的黃河段布設了27個水文大斷

3、面，測量了水位，并推算了若干流量級水面線。本河段歷年演變特征是：年內(nèi)具有漲水期淤積，退汛期沖刷的特征。隨著年際和年內(nèi)流量分配的不同，淺灘河段河床有著相應的變化。年際間具有枯水年淤積，豐水年沖刷的特征。由此可見本河段水流輸沙能力強，其河床形態(tài)、輸沙條件具有山區(qū)河流的屬性。根據(jù)河床中邊灘及沙洲取樣分析，河床以卵石為主(河床泥沙級配見表1)，可見上游來沙仍以懸移質(zhì)形式被帶往下游。表1 河床泥沙級配資料Graded material of bed sediment composition    項目d95(mm)d75(mm)d50(mm)d25(mm)dcp(

4、mm)KfS(t/m3)粒徑1706526.55.446.33.472.742 整治線及整治方案2.1 整治線確定的一般原則進行河道整治需解決的關鍵問題是河道整治寬度及整治堤線的合理布置。相應于設計的洪、中、枯水流量，就有三種整治線，而中、枯水整治線較重要，尤以中水整治線最為重要。中水整治線的位置，應根據(jù)整治的目的和要求，按照因勢利導的原則，從河道演變分析中得出的結論來確定。由于洪水漫灘時灘地水淺流緩，河道的輪廓對河道演變和水流形態(tài)影響不大，僅在設計堤防時，根據(jù)具體河段及水工建筑物的要求，對堤線與中水河槽岸邊的相關位置作一些考慮即可。2.2 用河相關系法確定整治線寬度對本河段的自然演變規(guī)律分析

5、得知河段沖淤基本平衡。為此采用阿爾圖寧計算穩(wěn)定河寬的公式計算。根據(jù)相對穩(wěn)定的彎曲型河段統(tǒng)計所得河寬系數(shù)的平均值為1.21,求得造床流量下河寬為248260m,；取為1.01.12，求得河寬為218240m。故河寬240 m可作為中水整治方案。2.3 優(yōu)良河段類比法在市區(qū)河段上選取了幾個控制斷面進行論證。黃河鐵橋建于1909年，橋址斷面河寬230m，七里河橋建于1958年，橋址斷面河寬270m，其下游1.2km(k23+600)處河寬僅200 m，此幾處河段均經(jīng)受了1964年5660m3/s及1981年5600m3/s洪水的考驗。鹽城黃河大橋建于1979年，橋址處河寬305m，1981年的洪水順

6、利宣泄。由此認為，河寬300m可作為設計洪水最小堤間距的參考值。3 物理模型3.1 動床試驗模型設計根據(jù)黃河蘭州段沖積河流屬性，河床質(zhì)以卵石成分為主，河床變形主要是卵石推移質(zhì)所引起的。故根據(jù)水流重力相似、水流阻力相似、水流挾沙相似、河床沖淤變形相似、泥沙起動和揚動相似及河型相似等條件，并利用黃河動床河工模型設計的研究成果進行推移質(zhì)動床模型設計3,4。其基本模型比尺如下    水流重力相似條件V=1/2H(1)水流阻力相似條件n=1/V2/3R(H/L)1/2(2)泥沙起動和揚動相似V=Vc=Vf(3)泥沙粒徑比尺d=H/5/3s-(4)水流輸沙率相似比尺

7、Gs=*Gs(5)河床沖淤變形相似條件t2=oH2L/Gs(6)河型相似條件(s/-1)D50H1/3/iB2/3)模型=(s-/)D50H1/3/iB2/3)原形(7)式中L、H為水平及垂直比尺，R為水力半徑比尺，n為糙率比尺，Gs、*Gs分別為水流輸沙及輸沙能力比尺，V、Vc、Vf分別為流速、起動流速及揚動流速比尺，t2為河床沖淤變形時間比尺,o為淤積物干容重比尺，d為泥沙粒徑比尺，s -為泥沙水下容重比尺，B、V分別為造床流量下的河寬及水深，i為河床比降。本次試驗主要研究渠化及防洪寬度，故在44.84km的范圍內(nèi)全部作成動床。平面比尺選用L=250, 垂直比尺H=100。選用寧夏大武口精

8、煤屑作為模型沙，其容重s=1.40t/m3 ,干容重o =0.8t/m3。按照粒徑比尺d選配模型沙。模型試驗的含沙量和時間比尺在理論分析的基礎上，依據(jù)模型水沙系列預備試驗加以確定，使泥沙淤積、分布在橫向、縱向及時間上與原型基本一致。3.2 試驗方案及結果分析從河道橫斷面形態(tài)可知，當河寬B240時，河道斷面單一，斷面呈“U”型或不對稱的“U”型。當河寬B>240m時，河槽形態(tài)已開始從單式向復式斷面過渡。河寬超過300m的河段，隨著河寬的增加，出現(xiàn)了邊灘，或在河道中形成沙脊，斷面形態(tài)呈“W”型，河道中出現(xiàn)河心灘。這說明河寬為300m時處于河中成灘的臨界狀態(tài)。造床流量下垂線最大平均流速Vm、垂

9、線最大水深hm與河寬的關系不明顯(見圖1)，從所考查的斷面來看，河寬大于240m時均會出現(xiàn)數(shù)值相近的值Vm=3.03.7m/s，hm=7.08.5m。但其斷面平均流速隨河寬的加大而減小，斷面平均水深隨河寬的增大略有減小的趨勢，但變化不明顯。    圖1 天然狀態(tài)與300m整治方案水流要素比較(Q=3000m3/s)Comparison of characteristics of flow between natural river and the 300m width scheme（Q=3000m3/s）在蘭州防洪標準百年一遇流量6500m3/s時，河寬

10、在220m至600m范圍內(nèi)，Vm一般在3.84.5m/s內(nèi)波動。流速V隨河寬B的增大呈遞減的變化趨勢。垂線最大水深hm、斷面平均水深h與河寬B的變化關系比較紊亂?？梢姾訉?40m可作為中水整治方案的依據(jù)，河寬300m可作為設計洪水最小堤間距的參考值。在此基礎上，對300m及350m整治線方案進行了研究。350m整治方案：將天然河道寬度控制在350m，切除斷面一側邊灘或滯流區(qū)，分汊河段則堵塞支汊，小于350m的河段仍保持原狀進行試驗。300m整治方案：切除河道中邊灘或滯流區(qū)，對河道做一定壓縮，使其河寬為300m，彎道附近減小至280m300m，小于300m的河段仍保持原狀。從天然狀態(tài)與整治方案水

11、位變化看：適當壓縮河道中的邊灘或滯流區(qū)，并未引起水位較大幅度的增高。對于300m整治方案，流量為3000m3/s時，水位變幅為-0.13m0.38m；流量為6500m3/s時，變幅為-0.13m0.58m。對于350m整治方案，流量為3000m3/s時，水位變幅為-0.21m0.28m；流量為6500m3/s時，變幅為-0.27m0.48m。整治方案與天然狀態(tài)相比水位變幅不大。試驗表明（表2）300m及350m整治方案，并未引起水位較大幅度的增加，相反由于河流的自我調(diào)節(jié)作用使得斷面地形趨于平坦，流速分布趨于均勻。水流要素看（見圖1）：整治方案較天然狀態(tài)水深、流速最大變幅在12%以內(nèi)，這樣的變幅

12、在該河段不會引起較大的河床變化，且因整治線較平順，流速分布趨于均勻。從河床地形看：整治后斷面變窄，但斷面地形起伏變化減小且趨于平坦，河槽趨向單一斷面，河床縱向的沖淤變化也不大。表2 6500m3/s各方案斷面水位實測資料對比Comparison of water level for different improvement channel width(Q=6500m3/s)      350m方案300m方案斷面里程天然狀態(tài)  水位(m)水位變化(m)水位(m)水位變化(m)K4+4161540.211540.250.041540.230.02K7+7791537.081537.220.141537.380.30K11+2751533.321533.680.361533.740.42K17+1311528.401528.570.171528.730.33K22+4441522.351522.230.