小浪底水庫攔沙運用期大洪水對溫孟灘移民安置區(qū)河段影響的試驗研究

小浪底水庫攔沙運用期大洪水對溫孟灘移民安置區(qū)河段影響的試驗研究

摘要小浪底水庫移民安置區(qū)溫孟灘河段河道整治模型試驗研究結(jié)果表明，在水庫攔沙運用期沖刷嚴重的初始河道地形條件下遭遇大洪水后，河勢變化不大，河道整治工程對大洪水是基本適應(yīng)的，但存在個別工程入流過死，局部沖深大和送溜不力等情況。由于前期河床已沖刷下切,河槽泄洪能力大大增加，洪峰期(Q=10000m3/s)基本未出現(xiàn)明顯漫灘。本文對局部沖刷的基本規(guī)律也作了探討。

關(guān)鍵詞河勢局部沖刷河道整治工程小浪底水庫移民安置區(qū)河段黃河

3模型設(shè)計模型模擬河段為小浪底至孤柏嘴，該河段河床邊界條件極為復雜，上段為砂卵石寬淺多汊型河段，下段為沙質(zhì)游蕩型河段。模型設(shè)計充分參考了黃河水利科學研究院關(guān)于黃河動床模型的有關(guān)研究成果[２，３]，尤其是近年來提出的河工模型相似律[４]，并通過認真分析原型河道的水力條件、邊界條件和進行的預備試驗結(jié)果，提出了“分段設(shè)計、過渡處理”[５]的設(shè)計方法，對該河段河工動床模型進行了設(shè)計。特別是在模型沙的處理上，根據(jù)起動相似條件，上段采用天然沙作為模型床沙，下段采用鄭州熱電廠粉煤灰作為模型床沙，并通過驗證試驗進行過渡處理，從而完成了從卵石河床到沙質(zhì)河床到沙質(zhì)河床的過渡轉(zhuǎn)變。試驗結(jié)果表明，本設(shè)計可滿足水流阻力、河床演變、泥沙起動及輸移等方面的相似要求。設(shè)計的主要比尺見表1。圖1小浪底站“”放大型概化水沙過程Generalizedwaterandsedimentprocessof""magnifyingtypeatXiaolangdistation表1不同河型主要比尺設(shè)計表Designedscaleofdifferentriverpatterns比尺平面垂直流量砂卵石河床多汊型河段沙質(zhì)河床游蕩型河段密度λLλhλQ床沙粒徑起動流速糙率床沙粒徑含沙量河床變形時間起動流速懸沙粒徑糙率λDλVCλnλDλSλt2λVCλdλn數(shù)值60060279000～～～～

黃河游蕩型河道的整治流量一般是采用中水河槽的平灘流量，按控導作用可將工程的平面構(gòu)成形式分為迎溜段、導溜段和送溜段(見圖3)。按設(shè)計要求，迎溜入彎段多為小水靠溜段，以彎導溜段多為中水靠溜段，送溜出彎段多為洪水漫灘后靠溜段。一般來講，出于工程安全角度和導流效果考慮，總是希望入流角(主流線與連壩切線的夾角，見圖3)不宜太大，以小于40°為好，同時，力求整個導溜和送溜段均靠大溜，主溜出流角(見圖3)不宜太大，以防止挑流過陡，造成下游工程入溜上提。就是說，若在不同流量下，能夠基本達到入溜平順，出溜集中，送溜到位，則表明工程的適應(yīng)性比較好。據(jù)此,分別統(tǒng)計了模型試驗代表水沙條件的Q4000m3/s清水沖刷系列，河底高程的調(diào)整經(jīng)分析計算，由1961～1964年水沙系列和“”放大型洪水先后作用下，河床平均高程較2000年下降3～4m，其中沖刷最嚴重的河段發(fā)生在馬峪溝以上，最大平灘水深達10m左右，這與三門峽水庫攔沙運用期的實測情況比較接近。圖4為試驗洪峰期水面線和洪水前后河底平均高程沿程變化,可以看出，洪水前、后河底平均高程沒有發(fā)生大的調(diào)整，河床沖淤相對較弱?；▓@鎮(zhèn)工程以上有少量沖刷，花園鎮(zhèn)～伊洛河以上微淤，其下又略有沖刷，這主要是前期河床已充分粗化而造成。根據(jù)觀測，在流量達到10000m3/s時，基本沒有發(fā)生漫灘現(xiàn)象。這說明河槽經(jīng)過1961～1964年水沙過程及“”放大型洪水沖刷調(diào)整后，其過流能力是相當大的。22#—29#靠主溜，27#、28#壩處沖深達最大?？苛镂恢檬冀K在22#壩以下，27#~29#壩沖坑最深。中下部著主溜，因迎流角小，沖坑不明顯。上延3#—10#壩迎主溜，6#壩處沖坑最大。主流始終頂沖在上延3#—上延1#壩之間，上延1#—上延9#壩靠大溜。19#壩以下靠主溜，21#壩處沖刷最深。18#—33#壩靠主溜，21#—27#壩沖深最大。4#—13#迎主溜，8#壩附近沖深最大。3#—14#壩迎主溜，8#壩附近沖刷最嚴重。10#壩以下全部靠溜，12#—15#壩前有一沖坑。漲水及洪峰期，15#—25#迎主溜，26#—41#壩靠大邊溜；落水期河勢上提至10#壩，10#—15#沖坑最深。14

局部沖刷溫孟灘移民安置區(qū)河段河道整治工程長度占該河段長度的90%以上。隨著工程的進一步完善、配套，有效地控制了河勢，其游蕩性得到明顯改善。但由于一些老的工程，特別是南岸的趙溝、裴峪等工程因地形等邊界條件的制約，其布局、迎流角度均不甚合理，因而在這些工程前往往形成嚴重的局部沖坑。表3漲水初期和落水后期所測得的局部沖坑位置和深度?？梢钥闯?，洪水前后沖坑位置變化不大。從沖坑深度看，除裴峪工程外，其它工程的局部沖深均有所增加。趙溝工程的沖深最大，其位置在工程上延壩段，沖深由18m增至19m。從南北岸工程沖深看，南岸普遍深于北岸，象趙溝工程、裴峪工程的局部沖深遠比北岸的開儀、化工、大玉蘭等工程的大。根據(jù)試驗分析，造成這種現(xiàn)象的原因主要在于工程入流角度的不同。入流角度愈大，形成的局部次生環(huán)流強度愈強，局部沖深就會愈深。圖5、圖6分別為小浪底水庫攔沙運用末期遭遇“”放大型洪水試驗及本次試驗測得的局部沖深隨流速變化的過程，可以看出兩者反映的變化規(guī)律是基本一致的，沖深都是隨著流速增大而增加，最大沖深基本與最大流速相對應(yīng)。但由于南岸的趙溝工程、裴峪工程的入流角度(多在50°～60°以上)大于北岸的開儀工程、化工工程入流角度(40°～45°），所以南岸工程前局部沖深都大于北岸的沖深。如圖5，北岸開儀工程前的最大流速接近4m/s，對應(yīng)最大沖深為13m；趙溝工程前的最大流速為/s，但最大沖深達。由統(tǒng)計結(jié)果知，開儀工程入流角度基本保持在40°左右，而趙溝工程入流角度達60°以上，較大入流角的水流會產(chǎn)生強烈的橫向環(huán)流，對河床質(zhì)有很強的淘刷作用，即使流速不大，也會造成較大沖刷。因此，在設(shè)計中，應(yīng)當力求避免入流角過大的工程平面布置。若受自然邊界條件所限，應(yīng)考慮填彎工程等改善措施。圖5局部沖深與流速關(guān)系圖6本次試驗條件下的局部沖深與流速關(guān)系RelationshipsbetweenlocalscouringdepthandvelocityRelationshipsbetweenlocalscouringdepthandvelocityinthistest5結(jié)語通過試驗分析，得出如下幾點初步認識1.因前期河槽下切，水流相對集中，河勢較為穩(wěn)定，除逯村工程下首主流擺幅600m外，其余均未發(fā)生大的變化；2.由于前期的清水沖刷，床沙已嚴重粗化，因而本次洪水過程中河床沖淤調(diào)整不大；3.洪峰流量達到10000m3/s時，未出現(xiàn)漫灘現(xiàn)象，說明河道行洪能力大大增加；4.洪水過后，局部沖深均有所增加，但南北工程局部沖刷特點不同，在相同流速下，因南岸工程的入流角大于北岸工程入流角，所以南岸的局部沖深大于北岸工程局部沖深；5.由于個別工程的平面布設(shè)及曲率半徑不甚合理，工程的下延長度嫌短，因此不能完全適應(yīng)河勢的變化，如出現(xiàn)入流過死，出流散亂外擺等不利河勢。為此，提出的工程調(diào)整建議為：逯村工程增加2道潛壩；趙溝工程上延可減少5道壩；化工工程在增大送溜段曲率半徑的前提下再下延2～3道壩；裴峪工程修建上延護彎工程，另外，需要對逯村～開儀、化工～大玉蘭之間的防護圍堤上段堤根進行防護處理?？傊?，試驗表明，多數(shù)工程對河勢的控導作用是較理想的，沒有出現(xiàn)大的畸形河灣，水流相對歸順，河床沖淤調(diào)整不明顯。但是，對于諸如趙溝工程、裴峪工程的局部沖深較大問題應(yīng)給予足夠重視。由于黃河的復雜性及模型的局限性，上述認識只是在特定的地形、水沙條件下得出的，因此，尚待根據(jù)更多試驗組次研究才能得出進一步的認識。參考文獻[1]韓巧蘭。小浪底水庫攔沙運用期溫孟灘河段沖淤計算及成果分析。黃河水利科學研究院，黃科技第BZ-9806-044，1998.李保如，屈孟浩。黃河河道演變的物理模型試驗。見：黃河水利委員會水利科學研究所科學研究論文集。鄭州：河南科學技術(shù)出版社，1989.屈孟浩。黃河動床模型試驗相似原理及設(shè)計方法。見：黃河水利委員會水利科學研究所科學研究論文集。鄭州：河南科學技術(shù)出版社，1989.張紅武，江恩惠等。黃河高含沙洪水模型的相似律。鄭州：河南科學技術(shù)出版社，1994.姚文藝，劉海凌，王衛(wèi)紅等。河型變化段河工動床模型設(shè)計方法研究。泥沙研究，1998，(4).尹學良等。河型成因研究及其