关于利用对口丁坝整治游荡性河道的研究

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关于利用对口丁坝整治游荡性河道的研究

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-19 2132 0


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.即使发生1958年型22300m3/s的洪水,经小浪底水库调节后花园口站洪峰流量也会小于10000m3/s[1].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。在运用初期3~5年内水库将下泄清水[2][3],高村以上河段将产生大量冲刷,河道的泄洪能力将逐渐增大。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,只有在中游产生大洪水时才有排沙机会。因此小水挟沙过多对下游河槽造成严重淤积问题在这一时期基本上不会出现。洪峰流量的减小和水沙搭配条件的变化,为游荡性河道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好。

  游荡性河槽的整治宽度受多方面控制,即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。过宽虽然利于排洪,但输沙与控导河势的能力较差,因此,必须综合考虑泄洪、排沙与控导河势不同需求,确定合理的整治宽度。

  一、不同历史时期对游荡性河槽整治宽度的建议

  早在1922年美国水利工程师费礼门[4]认为黄河下游堤距过宽是治理困难的主要原因,他根据京杭运河与黄河汇口石洼、位山、姜沟三处洪水期,洪峰流量8000~10000m3/s,最大含沙量9%~10%,实测河道断面自行刷深的情况,提出整治河宽为1/3英里(约为538m)的设想。

  1946年在严恺院士主持下制定了黄河下游治理初步规划[5],下游河道整治宽度定为500m,其主要理由是,黄河山东河道虽然比降小,河宽小,但水深大。认为比降1的窄河段的过洪宽度,在比降2 的游荡性河道足够用,建议采用对口丁坝为主的工程措施缩窄游荡性河段,并作了全下游河道整治规划图。

  葛罗同、萨丹奇、雷巴特[4]对上述治理黄河下游河道初步报告中提出的整治河宽500m表示赞同,认为河宽500m,深5m,尽可能取直的河道具有能输送含沙量达20%河水的能力。

  50年代后期[6],认为三门峡水库建成后下游防洪问题基本解决,今后的主要任务就是兴利,是在下游梯级开发修建拦河枢纽控制纵向的冲刷和整治河道,以利于引水航运。设计流量为6000m3/s,位山以上河道的整治槽宽定为600m,位山以下定为400~450m.由于三门峡水库改建和下游拦河枢纽破坝,河道整治工程未能实现。

  1966年张瑞瑾先生提出把黄河下游河道治理成“宽滩窄槽”的设想,并详细的论述这个方针的合理性、实用性。利用窄槽输水输沙,利用宽滩滞洪滞沙,久而久之形成高滩深槽。

  以上建议由于受历史条件的限制,在当时无法实现,现在小浪底水库建成后,为实施这些建议提供了可能。

  二、对现行河道整治宽度的评价及窄深河槽过洪能力

  1.现行设计整治槽宽数值偏大

  现行黄河下游河道整治规划[8],系根据洪水期主槽平均单宽流量为10m3/s-m,泄量22000m3/s确定的,过洪宽度为2.5~3km

  若采用实测平均值,则计算出的B也为实测平均值,在游荡性河段,同一流量的水面宽变化很大,反映河床的不稳定。由于游荡性河道的比降陡,河槽极不稳定,不同来水来沙条件塑造了不同的水面宽,且经常处于变化中,如高含沙洪水塑造的河宽窄,低含沙洪水形成的河宽大,随着水沙条件的变化,河槽宽度经常变化。其二,由于河槽极为宽浅,水深在断面上分布极不均匀,漫滩后水面宽会迅速增加。因此形成游荡性河段,流量与水面宽关系散乱是必然的,不作具体分析采用平均值,确定的整治河宽不尽合理。游荡性河道整治的目的是缩窄河宽、规顺河势,故其宽度应小于自然条件形成的平均水面宽,应是主槽宽度。东坝头以上1200m,东坝头至高村1000m明显偏大。

  2.窄深河槽具有极大的过洪能力

  从公式可知,Q与R高次方有关,在B、n、J不变的情况下,水深增大对河道的过洪能力影响最大。

  表1给出艾山站、泺口站1958年、1976年、1982年实测窄槽的过流能力表明,艾山站在1958年7月21日、22日,在河宽476m、468m,平均水深8.9m和10.6m的条件下,分别宣泄12300m3/s和12500m3/s洪水;泺口水文站在1958年7月22日、23日主槽宽295m,平均水深10.6m和13.1m的条件下,通过的洪峰流分别为10100m3/s和11100m3/s.

  3.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1增加到2,河槽的过流能力增加40%;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只有几百米。表2给出花园口站1958年,主槽宽600m、1000m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%.

  江恩惠等对游荡性河道主槽进行详细研究,认为目前所用河宽偏大[9].文献[9]给出的流量与水面宽,平均水面宽随流量的增加而增宽,但水面宽的下限值,随着流量的增大几乎不变,均为500~600m.这表明主槽的宽度不随流量变化。

  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,单宽流量一般不足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

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其是高含沙洪水通过后,滩地大量淤积,主槽强烈冲刷,塑造出的窄深河槽同样具有极强的输水能力,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3.85、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。

  4.窄深河槽泄洪机理

  花园口、泺口两站洪水期,水沙过程与河床平均河底高程与最低点高程的变化可知,黄河窄深河槽在洪水期的输水能力大的主要原因,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。1958年花园口站水位流量关系表明,流量从5000m3/s涨到15000m3/s,水位只升1m,而平均水深却由1.99m增加到4.82m,增长2.81m,水深增长的幅度远大于水位的增幅。由于,泄量与水深的1.67次成正比,因此使得河槽的泄流能力迅速增大。洪峰前后5000m3/s水位下降2m(见图5-1),主槽河底高程下降近3m(见图5-3)。

  洛口水文站的流量与河床高程的变化,随着洪峰流量的增大,平均和最低点高程不断降低,最大洪峰后达到最低。流量从5000m3/s增长10000m3/s,水位升高2.95m,但平均水深由6.70m增加到13.1m,增加了6.4m,也远大于水位的升高值。最大水深由8.9m增至18.1m,增加了9.2m.水深增大幅度远大于水位升幅。水深迅速增加是河槽过流能力增大的主要原因。

  三、利用对口丁坝整治游荡性河道

  目前黄河下游整治是采用单岸修建工程的弯曲性河道整治方案,取得了很多的成就。小浪底水库投入运用后,下游水沙条件将发生很大变化,河道整治也将面临新的问题。在目前已建整治工程的基础上,在某些河段采用对口丁坝方案整治,效果可能更好[11][12][13].其依据就在于该方法在利用窄深河槽满足泄洪输沙要求的情况下,还能更充分有效地控导河势,这是其它方案所难以做到的。

  在无小浪底水库的条件下,由于小水挟沙过多,河槽严重淤积,游荡性河段若按几百米进行整治。主槽将迅速淤高,形成槽高滩低的不利局面,如目前的二级悬河。河道无法长期稳定。但在小浪底水库投入运用后,来水来沙条件发生很大变化,初期下泄清水河床发生冲刷,水库若是造峰冲刷下游河道,塌滩会更严重。根据三门峡水库1960年9月~1964年10月下泄清水期高村以上断面实测资料分析,游荡性河道在主槽不断的摆动中下切,造成滩地的塌滩、河道展宽。目前只在单岸修建工程,主流仍有一定的摆动范围,有些工程常不能适应,尤其是中水整治、小水运行,矛盾突出,河势会有较大变化,滩地坍塌不可避免。采用对口丁坝双岸同时控制,无论大中小水主槽都能限制在较窄范围,河势会更稳定,可防止塌滩,使冲刷向纵深方面发展。在相机排沙运用期,平水、枯水年下泄清水与初期一样,河槽也会发生冲刷,不会淤积抬高。水库排沙期的流量均大于3000m3/s,整治后的河槽不应产生淤积,甚至还应发生些冲刷,对于漫滩洪水造成滩地淤积,则有利于高滩深槽的形成。

  四、卡口槽宽为600、800、1000m时对洪水位的影响

  实测资料分析表明,在洪峰上涨的过程中河床不断冲深,在最大洪峰流量出现时间稍后河床高程达到最低,河槽的过洪能力达到最大。河宽的缩窄会影响过流范围引起水位抬高,但主流的集中则使河槽冲刷加剧,两者综合作用,引起洪水位抬升。根据1958年花园口站实测资料,600、1000m河宽水位,泄量变化规律,推求河宽整治成600、800、1000m时,流量由5000m3/s涨到10000、15000m3/s时的水位壅高值,并与1999年防洪预报值进行了比较[15].

  五、关于对口丁坝的布置形式

  据阿姆河下游游荡性河道整治经验[13],和我们对黄河游荡性河道按微弯布置整治工程的分析,采用对口丁坝进一步整治河槽可能更有效。关于整治工程的高度,从有利于排洪考虑,以目前黄河下游河道整治工程超高标准为依据,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。从施工防守方便上考虑,筑坝基较为有利。

  若两岸对口丁坝口门较宽,水流不经常靠坝头,抢险只能以陆上为主,为了使河道在洪水期仍能漫滩,滞洪滞沙,丁坝间不修联坝,坝间的交通只用道路联结,路面可与当地二滩高出0.5m,若为防止大洪水河势出现较大摆动,工程的高程可按10000m3/s洪水位齐平设计,若考虑百年一遇洪水,应按15000m3/s洪水位齐平设计坝顶高程。当平滩流量为5000m3/s时,堤高为1.3~1.4m.随着平滩流量的增大,同样的设防标准,堤高会逐渐减小。从以上分析可知,河槽缩窄后对排洪影响不大。

  综上所述,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。关于河槽的整治宽度在顺直河段可以按600~800m设计,从有利于泄洪考虑,对弯曲段可按800~1000m槽宽整治河道。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。

  阿姆河年径流量190~770亿m3,年沙量2.46亿t,Qmax=8000~9000m3/s,洪水期S=16~20kg/m3,4~8月洪水期沙量2.12亿t,常见洪水流量3000~4000 m3/s,枯水流量为400~900m3/s,河道比降为0.00016~0.00026,最大流速3~4m/s,河槽在3~5km范围内摆动。按照土雅姆水利枢纽下游200km河段整治规划,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,规划的255道横堤中在1986年报道中已建成130道,总长度达105km,在30道横堤上完成了抛石。120km的河段已部分地得到了整治,整治工程修建后,在大洪水期间仍可漫滩。

  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,因地制宜的确定对口丁坝工程的间距和护岸的长度。

  六 关于选择试验河段的建议

  我们建议尽快选择一典型河段进行试点,为游荡性河道的治理进一步积累经验。为了使试点工作能顺利进行,需要开展模型试验,以便选定设计参数,确定最有利的布置形式。

  经征求各方意见,推荐试验河段有三段,一是铁谢至大玉兰河段,二是神堤至枣树沟河段,三是赵口至黑岗口河段,经分析比较,赵口至黑岗口河段较长,现有整治工程较少,防洪问题突出,进行试验后对丁坝设计参数存在的问题能得到较充分反映,故选取该河段作为试验河段。


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