黃河蘭州段根據(jù)河流形態(tài)大體上可分

1、山區(qū)河流典型河段整治模型試驗研究何文社 方 鐸 李昌志 楊勝發(fā)（四川大學高速水力學國家重點實驗室 成都 610065）摘 要 通過對黃河蘭州市區(qū)河段水文特征、河道地形、河相關系及河床演變規(guī)律的分析，認為該河段具有山區(qū)沖積河流的特性；并提出了防洪最小整治河寬為300m。同時進行了泥沙模型試驗，實驗與原型基本吻合。該方案的實施不但可滿足泄洪的要求，且并未引起水位、流速及河床斷面地形較大幅度的變化；相反,斷面地形趨于平坦，平均流速及岸邊流速有所增大，減小了污染物的沉積，有利于岸邊取水。且整治方案為城市濱河路的規(guī)劃，美化及城市建設合理用地提供了設計依據(jù) 。關鍵詞 山區(qū)河道 河道整治 整治寬度 物理試驗

2、 黃河1 典型河道概況 1.1 地形特征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，河段全長44.84km。根據(jù)河流形態(tài)大體上可分為四段；第一段，從西柳溝(1#水文大斷面)到西沙橋（5#水文大斷面），河道長約5km，河寬300-400m，無河心灘，河床穩(wěn)定，水面比降約0.9。 第二段, 從西沙橋到七里河橋(14#水文大斷面)，河道長約17.5km，河寬230-600m，河心多灘，河道主流不定，時而向南，時而向北，在行洪期間河岸易被沖刷，水面比降為1-1.3。 第三段，從七里河橋到黃河鐵橋（19#水文大斷面），河道長約5.4km，河寬300-380m，除金城關（K27+100）

3、有夾心灘外，河床比較穩(wěn)定，兩岸河堤基本形成，水面比降0.8-0.9。 第四段，從黃河鐵橋到桑園峽（26#水文大斷面），河道長約14km，河岸寬350m左右，由于桑園峽口寬度僅120m,當流量較大時該河段出現(xiàn)壅水?？傊?，全河段河槽寬窄相間，河寬變化較大且多邊灘或江心洲，窄處僅120m，寬處可達600-700m（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0.9-1.3。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。從平均情況看，枯水

4、流量下，平均水深2.5m,平均河寬200m,平均流速1.0m/s；行洪時,平均水深5.7m,平均河寬450-500m,平均流速2.9m/s，河床糙率為0.032，河岸糙率為0.030-0.35，灘地糙率為0.045，中水情況下綜合為糙率0.035。1.2 水文泥沙特征 黃河鐵橋下游210m處為黃河蘭州水文站，自1935年建站以來積累了較長的實測資料（見表1）。1981年黃河蘭州段出現(xiàn)了5600 m3/s的洪水，當年市建委沿蘭州市44.84km的黃河段布設了27個水文大斷面，測量了水位，并推算了若干流量級沿河水面線。整理分析黃河蘭州水文站的實測流速、泥沙及斷面等資料。本河段歷年演變特征是：河段的

5、挾沙水流處于次飽和狀態(tài)。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。由表1 黃河蘭州水文資料項 目枯水期平水期豐水期流量(m3/s)620.61188.61801.8流速(m/s)0.8921.6342.197水深(m)2.1043.1404.341過水面積(m2)695.7727.4820.1水面寬(m)204.4219.9225.7輸沙率(kg/s)15.3981048.35857.5含沙量(kg/m3)0.02990.90993.048水溫C2.0512.3515.68此可見本河段水流輸沙能力強，

6、其河床形態(tài)、輸沙條件具有山區(qū)沖積河流的屬性。蘭州上游劉家峽水電站截流后(見表2)，懸沙含量有著明顯的降低，年平均由6.4kg/ m3降為1.52 kg/ m3，根據(jù)河床中邊灘及沙洲取樣分析（見表3），可見上游來沙仍以懸移質(zhì)形式被帶往下游。在來沙方面主變化是下泄沙量減小，泥沙的組成變細。1985年后，同流量下水文站水位已基本穩(wěn)定，河床趨于平衡。表2 劉家峽截流前后蘭州水文特征 特 水位(m) 流量(m3/s) 含沙量(kg/m3) 征最高最低平均最大最小平均年平均截流前1516.571510.721512.65590016910676.4截流后1516.851511.231512.6856002

7、1310431.52表3 河床泥沙級配資料項目d95(mm)d75(mm)D50(mm)d25(mm)dcp(mm)KfS (t/m 3)粒徑1706 526.55.446.33.472.74 2 最小整治河寬方案探討 2.1 河相關系法 通過對本河段的自然演變規(guī)律分析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， 取為1.01.11，求得河寬為218240m。故河寬240 m可作為中水整治方案的依據(jù)。2.2 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+

8、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 的洪水考驗。鹽城黃河大橋建于1979年，橋址處河寬305m，1981年的洪水順利宣泄 。由此可以認為，河寬300m可作為設計洪水最小堤間距的參考值。3 試驗方案及結(jié)果分析 3.1 動床模型設計根據(jù)黃河蘭州段河床質(zhì)的特點，河道整治所涉及到河床變形主要是由卵石推移質(zhì)所引起。故根據(jù)水流重力、水流阻力、水流挾沙、河床沖淤變形、泥沙起動和揚動及河型等相似條件，并利用黃河水利委員會水利科學研究院多年來對黃河動床河工模型設計取得的研究成果進行了推移質(zhì)動床模型設計2,5。其模型比尺見表4。 表4模型相似比尺比

9、尺名稱取值水平比尺250垂直比尺100流速比尺10流量比尺250000糙率比尺1.36泥沙粒徑比尺9.2泥沙水下容重比尺4.35淤積物干容重比尺2.5泥沙起動流速比尺7.5-12.9單寬輸沙率比尺119沖淤時間比尺525選用寧夏大武口精煤屑做為模型沙，其容重S =1.40t/m 3 ,干容重o =0.8t/m 3 。按照粒徑比尺d 選配模型沙，由此求得模型級配資料并進行模型實。模型小河依據(jù)1989年3月測繪的1：2000河道地形圖進行塑造，除依據(jù)實測地形資料外，還加強了現(xiàn)場踏勘，認真作了資料的核對，使模型能較好的反映原形的狀況。 3.2 試驗方案及結(jié)果分析 從天然狀態(tài)河道橫斷面形態(tài)可知，當河寬

10、B240時，河道斷面單一，斷面呈“U”型或不對稱的“U”型。當河寬B240m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流速Vm、垂線最大水深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200m時均會出現(xiàn)數(shù)值相近的最大值值。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有減小的趨勢，且變化明顯。圖1 天然狀態(tài)水流要素與河寬關系(Q=3000m3/s)圖2 天然狀態(tài)與300m方案水流要素與河寬關

11、系(Q=3000m3/s)在防洪標準百年一遇流量6500m3/s時，河寬在200m至600m范圍內(nèi)，Vm都回出現(xiàn)數(shù)值相近的較大值Vm=3.84.5m/s。平均流速V隨河寬B的增大呈遞減的變化趨勢。隨著年際及年內(nèi)流量過程的變化，流速也相應的發(fā)生變化；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。 整治方案：將天然河道寬度控制在300m（350m）的范圍內(nèi)，切除了斷面一側(cè)的邊灘或滯流區(qū)，對分汊河段，則堵塞支汊，彎道附近適當減小,對于小于300m（350m）的河段仍保持原狀進行試驗。 從天然狀態(tài)與整

12、治方案水位變化可知，適當壓縮河道中的邊灘或滯流區(qū)，并未引起水位大幅度的增高。對于300m整治方案，流量為3000m3/s時，水位變幅為-0.13 m0.38 m；流量為6500m3/s時，變幅為-0.13 m0.58m。對于350m整治方案，流量為3000m3/s時，水位變幅為-0.21 m0.28 m；流量為6500m3/s時，變幅為-0.27 m0.48m。整治方案與天然狀態(tài)相比水位變幅不大。試驗結(jié)果表明（表5）300m及350m整治方案的實施，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)作使得斷面地形趨于平坦，流速分布趨于均勻。 從水流要素可知(見圖2),整治方案較天然狀態(tài)水深、流

13、速變幅在12%以內(nèi)，這樣的變幅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，表面流向平順，水流狀況有了明顯的改善。河流的橫比降由原來的1.4降為1.0，表明橫向輸沙作用將明顯減弱。300m方案，雖然河寬束窄，但其流速并未大幅度增加，究其原因，最大流速常發(fā)生在壩頭附近。整治之后，消除了壩頭因挑流作用形成的阻水現(xiàn)象，減弱了單寬流量集中，破壞了在壩頭附近形成最大流速的條件，故水流分布均勻，但斷面平均流速和平均水深有所增加。表5 6500 m3/s各方案斷面水位實測資料對比斷面里程天然狀態(tài)350m方案300m方案水位(m)水位變化(m)水位(m)水位變化(m)K4+4161540

14、.211540.250.041540.230.02K11+2751533.321533.680.361533.740.42K17+1311528.401528.570.171528.730.33K22+4441522.351522.230.121522.530.30K24+9141520.321520.23-0.041520.590.22K29+6291516.061516.160.101516.100.04K32+3771513.781513.880.091513.75-0.03K35+2911512.551512.680.131513.020.52K39+9971511.961511.63

15、-0.181511.03-0.184 結(jié)論 A 通過對蘭州河段地形及水文等特征的分析可知，該河段屬山區(qū)沖積河流。B 對河相關系、造床流量、設防流量及河中成灘條件的分析，得出了防洪整治最小河寬為300m。C 實施整治方案,適當壓縮河道中邊灘或滯留區(qū),并未引起水位及流速大幅度的增長。 D. 整治河寬方案下，河流通過自動調(diào)節(jié)，斷面地形趨于平坦，促使河道向單一斷面演變，改善了水流條件。流速分布趨于均勻，斷面平均流速的提高，減小了污染物沉積數(shù)量。這對消除河床淤積、保持河道穩(wěn)定、改善通航條件更為有利。 5. 整治方案的實施，使蘭州市河道渠化目標的得以實現(xiàn)，同時可確保行洪暢通?？堪读魉僭龃?，為南河道取水提供了合理的渠首位置及水流條件，為工農(nóng)業(yè)及人畜用水和綠化灌溉提供了方便和充足的水源，加快了再造秀美山河的步伐。并對濱河路的規(guī)劃、通航及開發(fā)城建用地提供了設計參數(shù)。 參 考 文 獻 1 劉有錄等.黃河蘭州段河道整治模型試驗