黄河下游游荡性河道双岸整治方案研究

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黄河下游游荡性河道双岸整治方案研究

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-19 1681


早在20世纪30年代德国著名治河专家恩格思教授[1],就指出黄河下游游荡河道治理首先是固定中水河槽,其次是刷深河槽。他的治河主张得到众人的认同。沈怡在评述各家治河主张时明确指出[1]:“因为种种病象均由河无定槽而起,所以如果要治河,必须首先使河槽稳定”,并说“无论何人来治河,都必须这样做”,可见具有稳定的河槽是游荡性河道的治理基础的重要。目前黄河下游游荡性河道治理已由减少游荡范围发展到稳定流路的新阶段,下游河道整治方法也应做出相应调整。改造宽浅游荡河道为窄槽宽滩,窄槽用于输水输沙,宽滩用于滞洪滞沙。充分发挥洪水的造床输沙作用,使河道减淤与稳定流路、防止横河、斜河产生,确保防洪安全紧密结合。

  黄河下游高村以下河道通过整治,河势基本得到控制。高村以上的游荡性河道,由于河槽极为宽浅整治困难,是目前乃至今后黄河下游河道整治的重点。需要解决的主要问题:

  (1)整治工程设计要能有效的控导河势,使规划流路得到保证。不要因为入流方向和位置的变化,引起一湾变,湾湾变,造成众多控导工程脱流,工程不断的下延上接,甚至出现钻裆等危险情况。

  (2)防止小浪底水库清水下泄后,下游河道重蹈三门峡水库覆辙,即塌掉高滩淤出低滩,河道在摆动中下切,但因不能形成高滩深槽,而无法有效地控导流路,所以不能形成稳定的河道。

  (3)小浪底水库调水调沙运用,可以使洪水挟带更多的泥沙,但不改变河槽形态,以提高输沙能力,就无法充分利用下游河道在洪水期窄深河道泥沙多来多排的特性,从而达到更好的减淤和节省输沙用水的目的。

  (4)调整因河道整治造成的流路过份弯曲,不利于排洪输沙的局部阻水工程。

  1、小浪底水库运用为下游游荡性河道进一步整治提供了条件

  (1)在小浪底水库投入运用后,黄河下游花园口站百年一遇洪水为15700m3/s.发生1958年型22300m3/s的洪水,经小浪底等水库调节后花园口站洪峰流量也会小于10000m3/s[2].

  (2)小浪底水库投入运用不仅削减了洪峰,同时也使进入下游的水沙条件发生较大变化[3,4].在运用初期水库要淤满220m以下30亿立方米堆沙库容,才能利用洪水进行有效排沙,为此在水库运用初期4~5年内下泄清水,将造成高村以上河段大量冲刷,河道的泄洪能力也随之增大。在以后的相机排沙运用期,平、枯水年水库仍将蓄水拦沙运用,只有在洪水时才有排沙机会。在2002年研究河道整治时设计给出的进入下游的水沙搭配情况表明,有80%~90%的泥沙由流量大于2500m3/s的洪水输送。因此适时进行调水调沙,可增大洪水的输沙造床作用,减轻小水小沙造成的河道淤积及其对下游的防洪威胁。目前二级悬河普遍存在的情况下[3],因平滩流量太小而造成“小水大灾”的不利局面,可以得到显著、甚至是根本性的改变。

  洪峰流量的减小和水沙搭配条件的变化,为游荡性河道进一步整治创造了新的条件,水库的调水调沙运用需要游荡性河道整治配合,从而充分发挥小浪底水库调水调沙的作用,进一步把高村以上河段治理成窄深、归顺、稳定的河道。

  2、游荡性河道河势变化规律、河型转化条件

  2.1 水流塑造河槽,河槽约束水流,河型转化条件 冲积河流的特性取决于流域因素[5,6],来自流域的长期水沙条件,决定了河槽的形态和比降,及河床组成。不同来水来沙条件组合的不同,塑造出不同的河槽形态和比降,从而决定了水流的强弱,形成不同的输沙特性。对于一定的河槽形态,小水淤积、大水冲刷分界流量是确定的。因此,来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性;不同的河槽形态对水流的约束作用不同,又形成不同的演变特性;河床组成的抗冲性与水流的强弱决定了河槽的稳定性,因此形成不同的河型。河型的不同是多因素综合的结果,是河流演变、输沙特性的集中反映。河道的输沙特性与演变特性间存在着密切的联系,其原因是它们都受河槽形态的控制。不同的河型的主要差别是因为它们具有不同的河槽形态,具有窄深河槽的河流,不仅输沙能力强,河道很少淤积,且河势受窄深河槽的约束,河道稳定,多年小水坐弯得以累计,可发展成弯曲性河流。而具有宽浅河槽的河流,不仅输沙能力低,河道强烈堆积,且宽浅河槽无法约束洪水期河势变化,经常发生切滩整直河势,产生难以预料的河势变化和险情,具有随机性,对防洪极为不利。

  2.2 游荡性河道河势变化机理 在能量消散过程中,任何具能体总是遵循这样的规律,将它所具有的位能以最快的速度、最短的时间、最大的能量消散率消散,从而达到最稳定状态。游荡性河道的河势变化同样是能量消散规律在起主导作用。由于游荡性河道河槽极为宽浅,河槽对水流的约束作用弱,因此在洪水期改道时形成的河槽总是顺直的,沿着最大比降方向流动,这就是洪水期河势趋直的原因所在;至于河流的弯曲,则是由于小水期受河床上犬牙交错边滩条件的制约,而被迫沿着弯曲的流路流动。

  3、游荡性河道整治必须双岸同时进行

  目前的一岸整治方案,在控制游荡范围、归顺河势方面起到了一定的作用。但在小浪底水库投入运用后,根据三门峡水库下泄清水的经验和对小浪底水库运用方式的研究,高村以上游荡性河道将发生强烈冲刷,河槽仍很宽浅散乱,无法稳定。

  3.1 游荡性河道特性 其一游荡性河道特性是冲积河流中具有比降陡,河床极为不稳定的特性。游荡性河流就像在比降陡的地形条件下没有兴建跌水的不稳定渠道。其二是河槽极为宽浅,随着流量的增加宽深比B/h值增大。黄河干支流典型水文站实测流量与宽深比B/h值间的关系表明,对于游荡性河段而言,随着流量的增大B/h值增大,窄深河槽却相反,随着流量的增大B/h值减小。前者定义为宽浅河槽,后者定义为窄深河槽。它们具有完全不同的演变特性,也是形成不同河型的根本原因。在小浪底水库投入运用后,床沙组成虽然由0.1mm增加到0.2mm,但起动流速没有增加,均处在最容易起动范围内。因此由于游荡性河道其固有原因,比降陡、河床组成易冲,在来水较清的情况下,河床仍很不稳定。

  3.2 1960~1964年与1980~1985年下泄清水期实测情况 根据历史资料分析,三门峡水库1960年9月至1964年10月下泄清水时,在高村以上河段塌滩280km2,平均塌滩宽度1000m.其中,花园口至夹河滩河段塌滩最严重,平均塌滩宽度1181m,其中柳园口至古城河段平均塌滩宽度达2300m.断面资料套绘表明,河床在冲刷过程中,不断的摆动,塌掉二滩、高滩,新淤出是低滩。根据河势的变化与断面套绘分析,主流摆动范围最大达10km,发生在伊洛河口,平均摆动范围3.5~4.2km.1981年至1985年河槽的摆动范围有所减小,最大摆幅6km,河段平均摆范围2~3.5km,主要是控导工程的不断兴建控制了河槽的摆动范围。

  在来水丰、来沙少的1981年至1985年,游荡性河段严重的险情明显增加,最典型是化工、大玉兰工程的钻裆险情与北围堤严重险情。由于1982年大水,8月2日小浪底站洪峰流量8520m3/s,主流河势趋中,没有入赵沟弯;加之1983年丰水,流量常在4000~5000m3/s,在赵沟下首靠河,化工控导工程尾部着流,坐湾引起大玉兰工程上首高滩坍塌后退,大玉兰工程受到抄后路的严重威胁。由此可见,在小浪底水库投入运用后,仍可能发生主流顶冲钻裆形成滩地坐湾、控导工程脱河的严重险情。

  3.3 缩窄河宽有利于冲刷向纵深方向发展,增大平滩流量 从增加河道排洪能力与控导河势出发,都希望缩窄河槽、增加槽深。在高村以上290km河段内,按冲刷量9亿t为例,不同整治河宽的过流能力表明,河宽减小,水深增加,可以使河槽的过流能力迅速增加。虽过水面积相同,但B值不同,河槽的过流能力相差很大,主要是水深增加,流速增大所致。计算结果表明,同样的过水面积,在B值为3000m时泄量为7380m3/s,而B值为500m时泄量为14400m3/s,增加了1倍(计算中床沙容重rm=1.5t/m3,J=0.0002,n=0.015)。由此可见双岸同时整治可增大平滩流量。

  综上所述,根据游荡性河道宽浅的固有特性和三门峡水库运用的实践,要形成有利于排洪输沙的窄河河槽要求出发必须双岸同时进行整治,才能达到稳定流路的目的。

  4 窄深河槽过洪能力分析

  4.1 窄深河槽具有很强的过洪能力

  4.2 游荡性河道的洪水主要通过主槽排泄 同样由可知,在河宽、水深,n值相同的条件下,比降由0.0001增加0.0002,河槽的过流能力增加41%;若泄量控制不变,则水深可减少23%.但由于比降陡的游荡性河道,同流量水面宽远大于窄河道,因此窄深河槽的过洪能力常不引人注意。在宽达几公里的水面中主流带的宽度常常几百米。

  花园口站洪水实测资料表明,主槽宽600m时过流量可达到10000m3/s以上,最大达15022m3/s,占过流总量的70%~90%,甚至达到98%.

  对游荡性河道主槽过流能力进行详细研究表明,认为目前所用整治河宽偏大。

  从单宽流量沿河宽的变化情况可知,主槽的单宽流量可达20m3/s-m以上,滩地虽很宽但过流能力很小,一般不足1m3/s-m.水流在宽浅河道上总是在一定宽度的主槽内集中输送。尤其是高含沙洪水通过后,滩地大量淤积,主槽强烈冲刷,塑出的窄深河槽同样具有极强的输水能力。

  花园口站实测主槽的过流能力表明,在1977年经过7月和8月两场高含沙洪水塑造,在8月8日花园口站实测的主槽宽467、483m,相应水深为5.4、5.3m,平均流速3.58、3.73m/s.过流量达到8980m3/s和9540m3/s,由此可见,主槽的过流能力很大。只要能保持较大的水深,泄洪要求的河宽并不是很大。

  5、窄深河槽的泄洪机理

  洪水在冲积河床中流过,随着洪峰流量的上涨,不仅水位上升,同时河床不断刷深,使得河道的过流通过迅速增加。不仅高含沙洪水如此,低含沙洪水也是如此。河床刷深、水深增加对过洪能力的影响往往大于水位抬升的影响。

  1958年花园口、泺口两站洪水期水沙过程与河床平均河底高程、最低点高程的变化可知,是在涨水过程中主河槽不断冲刷,最大洪峰稍后河床高程到达最低,水深达最大,提高了河道的过洪能力。

  在涨水期主槽的冲刷是必然的,这是由于在洪水演进过程中随着洪水的上涨,水深增加,作用在河床的底部水流功率增大,底沙的输送强度增加,河床不断冲深,在最大洪峰时,水深达最大,作用在床面上的水流功率最大,底沙输沙强度最大。但底沙的运动速度远远小于洪水的传播速度,在涨水的过程中,水流要从河床中不断的补给底沙。在最大洪峰稍后河床高程到达最低。此后,由于底沙的运动强度不断的减小,其运动也不断的滞后于洪水波的传播速度,河床在落水期必然不断淤积抬高。

  6、整治槽宽为600、1000m时对洪水位的影响

  小浪底水库下泄清水冲刷期,河槽的过流能力不断增加,两岸同时整治,一方面可控制河槽展宽,避免滩地坍塌,使冲刷向纵深方向发展,有利于形成中水河槽。另一方面在小浪底水库正常调沙运用期,为水库泥沙多年调节排沙期利用洪水集中排沙入海创造条件,使近期作用与远期整治效果紧密结合。最不利的情况是双岸整治后河床来不及冲刷马上遭遇大洪水。

  游荡性河槽的整治宽度受多方面控制,既泄洪输沙的需求与控导河势的要求。其中输沙的需求与控导河势要求大体上是一致的。过宽虽然利于滞沙削峰,但输沙与控导河势的能力较差,且过份的滞洪减小了洪水的造床输沙作用,对下游窄河段的减淤反而不利。因此,必须综合考虑泄洪、排沙与控导河势共同需求,确定合理的整治宽度,形成主槽较大的过洪能力。根据上述分析游荡河段的整治河宽视不同河段情况可采用600~1000m.图6 洪水流量涨幅和水位涨幅ΔH值

  7、多沙河流双岸同时整治的优缺点与实践

  7.1双岸整治设计的优点与缺点

  ①充分利用洪水期窄深河槽泄洪,输沙能力强,洪水期主槽产生强烈冲刷的特性,整治河宽缩窄,增加洪水期对主槽的冲刷能力。

  ②充分利用游荡性河道洪水期大水趋直,主流走中弘的河势变化特点,因势利导的布置整治工程,使对口丁坝的间距达到800~1000m,甚至更大,为工程节省投资提供了可能。

  ③利用上挑丁坝壅水的特性,在丁坝的上游区形成流(水垫),促使洪水期泥沙落淤,不断的抬高滩面,增大滩槽高差,形成高滩深槽。

  ④由于高滩深槽的形成,从而归顺了流路,使小水不出槽,即使坐湾也不会对堤坝的安全产生危害,只会造成滩岸局部坍塌。

  ⑤由对口丁坝及横堤组成的整治工程,坝头经常靠河,提高防洪工程的利用率。

  ⑥主要缺点是对要整治河段一次投资大,整治最好一次完成,且两岸的工程应同时进行。最好由上游向下游逐步展开,以便稳定入流方向,为下游工程兴建创造条件。

  密西西比河、密苏里河和阿姆河的双岸整治实践为我们治理黄河提供了宝贵经验。

  7.2 密西西比河与密苏里河双岸整治[7~9] 密西西比河及密苏里河下游的河道,主要是采用修筑防洪堤、分洪区、裁弯、丁坝、护岸、疏浚等方法进行渠化治理。

  密苏里河下游河道经过采取双岸整治措施及配合裁弯,河道由网状整治为归顺流路。为了控制水流及河道演变,缩窄河宽,使其达到要求的水深和航宽,在密西西比河下游修建了大量丁坝,主要是桩式坝和块石丁坝,丁坝间距为其上游丁坝长度的1.5倍,但一般不超过900~1200m.丁坝的修筑稳定了下游河槽,限制了河曲带,加速了大颗粒床沙向下游的移动。

  密西西比河中游段314km整治结果,水面宽由1100m缩窄到640m,最小水深由1.37m增加到2.74m,河槽下切,8000m3/s以下流量水位大幅下降,平槽水深由9m增加到14m.8000m3/s以上流量水位因滩区生产堤变成大堤,减小了过洪面积。以1993年大水为例[10],由于生产堤变大堤引起水抬升0.9~1.2m,但上游水库多蓄水246.9亿m3,正好抵消了壅水作用。而堤防本身却保护了广大的城区与郊区,减少损失190亿美元。

  7.3 阿姆河整治经验[11] 阿姆河是中亚的多沙河流,年径流量190~770亿m3,平均年沙量2.46亿t,最大年沙量4.8亿t,Qmax=8000~9000m3/s,洪水期S=16~20kg/m3,d50=0.025mm,4~8月洪水期沙量2.12亿t,常见洪水流量3000~4000m3/s,枯水流量为400~900m3/s,河道比降为0.00016~0.00026,床沙组成D50=0.25mm,最大流速3~4m/s,河道在3~5km范围内摆动。泥沙沉积带在下游河道和河口三角洲,年淤积量0.8亿t~1.0亿t.在上游修建了库容105亿m3多年调节的努列克水库后,在土雅姆水利枢纽下游200多km河段做了整治规划,经过

由于防渗土工膜具有拉伸强度好,冲击强度高,防渗透、耐酸碱、耐热、耐候、耐磨等特性,防渗土工膜在沿海地区建筑行业得到大量的应用。同时也在江河堤坝、水库、引水隧道、公路、铁路、机场、地下、水下等工程广泛使用。土工膜已成为现代化国民经济建设的重要物资。并介绍有关防渗土工膜的生产技术。随着沿海地区经济建设的飞速发展,房地产开发渐升温,宾馆饭店、豪华住宅、写字办公楼鳞次栉比,层出不穷,海边新建的公寓、疗养院也为数不少。但由于沿海地区地势凹,地下水向上渗透。严重影响建筑施工。采用压延双向拉伸工艺生产的防渗土工膜,由于具有拉伸强度好、冲击强度高、防渗透、耐酸碱、耐热、耐候、耐脚损等特性,被用来阻隔地下水向上渗透。使其在建筑施工中得到人们的应用。施工单位根据建筑工地面积大小,将防渗土工膜用高频焊接或胶带粘合的方法粘成一体,铺在夯好的基础上,上面铺以沙土垫层,土工膜就被留在建筑基础下。从严格意义上讲。防渗土工膜的质量会影响到建筑物的施工质量。

阿尔图宁研究院多年研究,分析比较了50多种整治方法,最终得出利用对口丁坝整治阿姆河下游游荡性河道最有效的结论:用横堤治导流道,横堤与水流方向的角度取上挑60°,底宽20m,边坡m=3~4,水位变幅2~2.5m,洪水位以上超高1.5m,故堤高4~5m,堤面用壤土或碎石填筑,堤上游坡和裹头用不同尺寸石块保护,预期最大冲深15m,石护坡裹头长度为50~100m,则每道横堤需抛石1万m3,两岸横堤的裹头对称布置。横堤之间距应以水流不冲局部河岸和形成促进淤积的堤间滞水区为条件,使冲刷限制在槽内,并促成漫滩滞洪滞沙作用。按此规划,需要填筑255道横堤,总长度250km,河道整治宽度600m,对口丁坝间距800~2150m,由于苏联的解体规划没有全部实施。

  8、双岸整治工程与实施

  从有利于排洪考虑,游荡性河道的流路应规划成顺直,或者是微弯型,而不能按弯曲性河流的有关特性规划整治工程,否则将形成人为的横河、斜河,顶冲堤防,或使所布置的工程不靠河,不能达到设计的预期效果[3].游荡性河道难治的根本原因是,宽浅的河槽对主流不能起到约束作用。因此不改变河槽形态道就无法通过护弯导流的办法使游荡性河道稳定。

  参考双岸同时整治成功经验,结合黄河下游游荡性河道已布点工程实际情况,依据历年来大洪水时黄河下游游荡性河道的河势情况,按照“因势利导,因地制宜”的原则,遵照天然情况下形成的河势,采取直线与曲线相结合,布置缩窄河道的双岸整治工程,使流路顺畅,达到稳定流路,冲刷主槽,滩面不断淤高,保证涵闸引水及防止河岸被冲刷坍塌的目的。

  关于对口丁坝的坝顶高度,从有利于排洪考虑,以目前黄河下游河道整治护滩工程的超高标准为依据,即超高当地滩面0.5m.这样修建对口丁坝后对泄洪影响不大,河道保持天然河道泄洪特性,工程的兴建只起护滩作用,随着河槽的冲刷,槽深的增加,河槽的过洪能力增加,深槽会自然形成。

  为了使河道在洪水期仍能漫滩,滞洪滞沙,丁坝间不修联坝。坝间的交通只以道路连接,路面可比当地二滩高出0.5m,顶宽15m.

  关于河槽的整治宽度,根据以上计算成果,在顺直河段可以按600~800m设计,从有利于泄洪考虑,对弯曲段可按1000m,甚至更大。

  关于对口丁坝的间距,根据阿姆河实践经验,为800~2150m,合1.3~3.6倍的卡口宽度,对顺直河段坝间距还可适当放大。密西西比河的整治经验,丁坝间距为上游丁坝长度的1.5倍,一般不超过900~1200m.鉴于黄河的一些特殊情况,丁坝间距采用500~800m.总之,应根据黄河下游不同河段河势可能的变化情况,紧密结合现有的河道整治工程,因地制宜地确定双岸整治工程的间距和护岸的长度。因流路规划的设计原理与目前的以坝护弯,以弯导流有本质上的不同,因此坝的间距可以远远大于100m.

  在工程布置上应根据不同河段不同情况选择不同的布置形式,以满足防洪生产等方面的要求。在已有的重点整治工程的对岸,留足过洪宽度,适当地布置一些丁坝和护滩工程,与对岸已有的工程形成双岸整治;在无工程的自由河段,可按整治河槽宽度布置对口丁坝,归顺流路,控导河势。在已有控导工程的河段,应按顺直微弯调整出流方向。

  9、结 语

  综上所述,要稳定流路、防止横河、斜河产生,杜绝冲决发生,提高河道的输沙能力、保证引水、合理开发利用滩区的广大的土地资源,游荡性河道必须双岸同时整治,形成窄深、归顺、稳定的新河道——窄槽宽滩。通过对小浪底水库出库水沙条件的分析,游荡性河势变化规律的随机性,河槽缩窄到600m对洪水位的影响,及国内外多沙河流双岸整治工程的成功实践经验,整治技术上是基本可行。并尽可能利用了已有工程,节省了投资。今后游荡性河道治理方向明确了,从长远考虑做出这样的调整是必要的,及时的。否则沿着以往减少游荡范围治理思路搞下去,将造成很多被动。治理目标的变化,对治理技术措施进行调整也是顺理成章。小浪底水库投入运用,水沙条件将发生根本性变化,为进一步整治游荡性河道创造了条件,使游荡性河道治理进入新阶段。

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  收稿日期:2002-10-31基金项目:水利部科技创新基金资助项目作者简介:齐璞(1942-),北京人,教授级高工,主要从事河床演变与泥沙输移、高含沙水流输沙、河型转化、水库泥沙多年调节、游荡性河道整治等方面研究。


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