清水下泄下游河道沖淤特性與演變特性

1、清水下泄下游河道沖淤特性與演變特性摘要：小浪底水庫的主要任務(wù)是防洪和減淤，同時(shí)也應(yīng)盡量滿足其它方面的興利要求。三門峽水庫1960年9月1964年10月初期蓄水?dāng)r沙階段，庫區(qū)潼關(guān)以下淤積36.5億t泥沙，下游河道沖刷23億t，其中高村以上沖刷16.9億t，占73%。關(guān)鍵詞：清水下泄下游河道沖淤清水下泄下游河道沖淤特性與輸沙特性小浪底水庫的主要任務(wù)是防洪和減淤，同時(shí)也應(yīng)盡量滿足其它方面的興利要求。三門峽水庫1960年9月1964年10月初期蓄水?dāng)r沙階段，庫區(qū)潼關(guān)以下淤積36.5億t泥沙，下游河道沖刷23億t，其中高村以上沖刷16.9億t，占73%。圖5-1是根據(jù)三門峽水庫下泄清水期洪峰時(shí)段資料，點(diǎn)

2、繪的下游不同河段日平均沖刷量和花園口站流量間的關(guān)系，由于用洪峰時(shí)段日平均沖淤量點(diǎn)繪該圖，使得圖中的橫坐標(biāo)建立在同一個(gè)時(shí)間根底上，更能客觀地反映不同河段的沖淤特性。在資料分析中，考慮了位山樞紐運(yùn)用和破壩的影響。實(shí)測(cè)資料說明，影響沖刷間隔 的主要因素是流量，從圖5-1可以看出，在花園口流量Q花15003/s時(shí)，高村以上和艾山以上沖刷量點(diǎn)群重合，說明沖刷只開展到高村站；在流量Q花15003/s時(shí)，點(diǎn)群逐漸別離，說明沖刷可以開展到高村至艾山間。從圖中給出的艾山利津河段的日均沖淤量與流量間的關(guān)系說明，流量小于5003/s時(shí)根本不淤，在流量小于15003/s時(shí)隨著流量的增大，該河段的的淤積量增大，1500

3、3/s時(shí)淤積最強(qiáng)烈，但淤積量絕對(duì)值很校而后隨著流量的增大淤積強(qiáng)度減弱，在流量大于25003/s后河道發(fā)生沖刷,在40003/s時(shí)，沖刷最強(qiáng)烈，沖刷1t泥沙用水量仍達(dá)3453，而艾山以上河段沖刷1t泥沙用水量?jī)H863，即80%沖刷量發(fā)生在艾山以上河段。由此可見，對(duì)艾山利津河段沖刷1億t泥沙的要需水量相當(dāng)可觀。根據(jù)以上分析，在制定水庫運(yùn)用原那么時(shí)，可將興利流量上限放大到12022/s，既照顧了發(fā)電和下游用水要求，又不至造成艾山以下河段的嚴(yán)重游積。清水沖刷、灘地坍塌，河槽在擺動(dòng)中下切三門峽水庫1960年9月1964年10月蓄水?dāng)r沙運(yùn)用，在年均來水量559億3、來沙量5.82億t、年均含沙量10kg/

4、3情況下，全下游共沖刷23億t，年均沖刷5.78億t。其年均沖刷量分布列入表5-1。1980年10月至1985年10月，下游年均來水482億3，年均來沙量9.7億t，年平均含沙量20kg/3，屬于天然情況下來水豐、來沙少的典型系列，全下游累計(jì)沖刷4.85億t，全河年均沖刷量0.97億T，高村以上河段年均沖刷1.19億t,高村艾山年均淤積0.45億t,艾山利津年均沖刷0.11億t,詳見表5-1。三門峽水庫1960年9月至1964年10月下泄清水時(shí)，根據(jù)以往資料分析，在高村以上河段塌灘280k2，平均塌灘寬度1000，各河段的分布情況見表5-3。其中，花園口至夾河灘河段塌灘最嚴(yán)重，平均塌灘寬度11

5、81，其中柳園口至古城河段平均塌灘寬度長(zhǎng)達(dá)2300。斷面資料套繪說明，河床在沖刷過程中，不斷的擺動(dòng)，塌掉二灘、高灘，新淤出是低灘，詳見花園口斷面變化套繪圖5-2。根據(jù)河勢(shì)的變化與斷面套繪分析主流擺動(dòng)范圍最大達(dá)10k，發(fā)生在伊洛河口，平均擺動(dòng)范圍3.54.2k;1981年至1985年河槽的擺動(dòng)范圍有所減小，最大擺幅6k，河段平均擺范圍23.5k，主要是控導(dǎo)工程的不斷興建控制了河槽的擺動(dòng)范圍。各河段的擺動(dòng)范圍詳見表5-3。三門峽水庫1960年9月1964年10月清水沖刷期幾十個(gè)大斷面資料，統(tǒng)計(jì)出各河段塌灘情況見圖5-3，高村以上河段塌灘面積279k2，平均塌寬1000，最大河段塌寬2300，河槽在

6、擺動(dòng)中下切，假設(shè)只在一岸興修整治工程，由于游蕩性河段比降陡，河床組成抗沖才能弱，床沙最易起動(dòng)。水沙條件變化后，河床形態(tài)調(diào)整將非常迅速。今后小浪底水庫運(yùn)用后下泄清水，塌灘將不可防止。河床縱剖面和平灘流量變化表5-4給出1960年9月1964年10月和1980年1985年10月汛末Q=30003/s水位變化情況。1960年9月1964年10月，在高村以上河段沖刷量分別為16.9億t時(shí)，流量30003/s時(shí)，水位下降變化范圍在2.71.65，呈沿程減少趨勢(shì)。平灘流量的變化，由1960年10月的30003/s水位：花園口站92.25，到1964年10月，水位92.32時(shí)實(shí)那么過流量94303/s，一樣

7、水位過流才能增加了64303/s；夾河灘站1960年10月30003/s時(shí)，水位73.56，到1964年10月，水位73.11時(shí)實(shí)那么過流量93603/s，水位根本一樣過流才能增加了70003/s；高村站1960年10月30003/s時(shí)，水位60.77到1964年10月，水位61.41時(shí)實(shí)那么過流量90503/s，一樣水位過流才能增加了35003/s。綜上所述，假如1960年10月的平灘流量按45003/s起算，那么花園口以上河段的平灘流量在100003/s以上，花園口至夾河灘河段的平灘流量約為100003/s，夾河灘至高村河段的平灘流量在10000-80003/s。19801985年，高村以

8、上沖刷量5.95億t時(shí)，30003/s流量水位下降變幅為0.80.35，平灘流量由1981年1月前的50003/s增加到1985年汛前的65003/s。以小浪底水庫運(yùn)用前十年沖刷量12億t，河槽的平均沖刷寬度按2000，容重r=1.5t/3計(jì)算，在高村以上長(zhǎng)290k的河段內(nèi)，河床平均將下切1.38；假設(shè)沖刷量為20億t，平均沖刷寬度為2500，河床平均將下切1.84.。綜上所述，在目前下游河道整治布局情況下，主流的擺動(dòng)范圍一般仍在20003000，個(gè)別河段可到達(dá)4000以上，在小浪底水庫投入運(yùn)用后，河床在下切的過程中，灘地坍塌是不可防止的，仍會(huì)出現(xiàn)塌掉高灘、淤出低灘、河槽展寬、主流擺動(dòng)不斷、河

9、勢(shì)突變而造成鉆襠，導(dǎo)致平工出險(xiǎn)難以控制的場(chǎng)面。清水沖刷期河勢(shì)變化特點(diǎn)與險(xiǎn)情在能量消散過程中，任何的具能體總是遵循這樣規(guī)律，將它所具有的位能以最快的速度、最短的時(shí)間、最大的能量消散率消散，從而到達(dá)最穩(wěn)定狀態(tài)。游蕩性河道的河勢(shì)變化同樣是能量消散規(guī)律在起主導(dǎo)作用。由于游蕩性河道河槽極為寬淺，河槽對(duì)水流的約束作用弱，因此在洪水期改道時(shí)形成的河槽總是順直的，沿著最大比降方向流動(dòng)，這就是洪水期河勢(shì)趨直的原因所在；至于河流的彎曲，那么是由于受邊界條件的制約而形成的，如控導(dǎo)工程的挑流作用，彎曲性河槽的約束作用等。游蕩性河流普遍存在著“大水趨直、小水坐彎的河勢(shì)變化規(guī)律，小水坐彎是由于河床部分邊界條件對(duì)水流的約束

10、與控導(dǎo)作用的結(jié)果。如由于水流與泥沙的互相作用，形成犬牙交織的邊灘，先造成主流動(dòng)力軸線的彎曲，隨之發(fā)生一岸坍塌和另一岸的淤積，形成凹岸與凸岸之分，逐漸形成彎曲的流路。但是并非所有在枯水期產(chǎn)生主流彎曲的河流都能形成穩(wěn)定的彎曲性河道，主要是河槽形態(tài)不同對(duì)水流的約束作用不同；游蕩性河道河槽寬淺對(duì)水流約束作用差，因此造成游蕩性河道河勢(shì)變化的隨機(jī)性，使得河勢(shì)的開展很難預(yù)估。當(dāng)洪水試圖沿著最大比降方向流動(dòng)時(shí)，遇到阻水和擋水物時(shí)被迫改變流向，當(dāng)水下的邊界條件無法預(yù)先知曉時(shí)，河勢(shì)變化那么呈現(xiàn)隨機(jī)性。但是由于流量大小不同，水流所具有的動(dòng)能不同及水位上下不同，河床對(duì)水流的約束作用也不同，河勢(shì)變化又呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性

11、，如小水河勢(shì)頂沖點(diǎn)會(huì)上提，大水河勢(shì)頂沖點(diǎn)會(huì)下挫。從19601964年和19811985年高村以上游蕩河段河勢(shì)變化的實(shí)測(cè)資料分析可知，游蕩性河道在清水沖刷期的河勢(shì)變化同樣具有復(fù)雜性、隨機(jī)性和相關(guān)性的特點(diǎn)，工程著溜點(diǎn)上提下挫、變化無常，河勢(shì)變化“一彎變、彎彎變。在洪水期，由于河槽對(duì)水流的約束作用弱，河勢(shì)易出現(xiàn)突變；在落水期，水流歸槽后，河勢(shì)受部分地形膠泥嘴等耐沖體的控導(dǎo)，易坐死彎，形成“橫河、斜河使平工出險(xiǎn)。如1964年汛期發(fā)生在花園口東大壩處的重大險(xiǎn)情，橫河頂沖191壩，搶險(xiǎn)拋石量達(dá)119003。邊界條件的變化會(huì)使河勢(shì)的開展受到限制，近年來大量控導(dǎo)工程的興建限制了游蕩范圍。由于河槽的逐漸沖深，灘

12、槽差的加大，平灘流量增加，主流只能在河槽內(nèi)游蕩擺動(dòng)，不會(huì)出如今二級(jí)懸河普遍存在的情況下，因平灘流量小，洪水漫灘后突然改道，另擇捷徑，大幅擺動(dòng)的情況。但主流的擺動(dòng)會(huì)造成灘地的大量坍塌，使河槽更趨寬淺，河勢(shì)失去控制，原有的控導(dǎo)工程不靠流，流路發(fā)生重大改變，造成在控導(dǎo)工程間鉆襠的危險(xiǎn)河勢(shì)仍然可能出現(xiàn)。在來水豐、來沙少的1981年至1985年，游蕩性河段嚴(yán)重的險(xiǎn)情明顯增加，最典型是化工、大玉蘭工程的鉆襠險(xiǎn)情與北圍堤嚴(yán)重險(xiǎn)情見圖5-4。由于1982年大水，8月2日小浪底站洪峰流量85203/s，主流河勢(shì)趨中，沒有入趙溝彎；加之1983年豐水，流量常在400050003/s，在趙溝下首靠河，化工控導(dǎo)工程尾部著流坐灣，引起大玉蘭工程上首高灘坍塌后退，大玉蘭工程受到抄后路的嚴(yán)重威脅。由此可見，在小浪底水庫投入運(yùn)用后，在河道沖刷過程中，遇到來水豐時(shí)，灘地坍塌坐彎，河勢(shì)失控后，仍可能發(fā)生主流頂沖鉆襠形成灘地坐灣、控導(dǎo)工程脫河嚴(yán)重的險(xiǎn)情綜上所述，在近期黃河下游高村以上河段河道