水利工程論文-改造寬淺游蕩河道的途徑與輸沙流量.doc

水利工程論文-改造寬淺游蕩河道的途徑與輸沙流量摘要：沖積河流的特性取決于流域因素，來(lái)自流域的長(zhǎng)期水沙條件，決定了河槽的形態(tài)和比降，及河床組成。不同河流的來(lái)水來(lái)沙條件組合不同，塑造出不同的河槽形態(tài)和比降，從而決定了水流的強(qiáng)弱，形成不同的輸沙特性，對(duì)于一定的河槽形態(tài)，小水淤積、大水沖刷分界流量是確定的。因此，來(lái)水來(lái)沙條件組合又決定河道的沖淤特性；不同的河槽形態(tài)對(duì)水流的約束作用不同，又形成不同的演變特性；河床組成的抗沖性與水流的強(qiáng)弱決定了河槽的穩(wěn)定性，因此形成不同的河型。關(guān)鍵詞：游蕩河道改造途徑輸沙流量1水流塑造河槽，河槽約束水流沖積河流的特性取決于流域因素，來(lái)自流域的長(zhǎng)期水沙條件，決定了河槽的形態(tài)和比降，及河床組成。不同河流的來(lái)水來(lái)沙條件組合不同，塑造出不同的河槽形態(tài)和比降，從而決定了水流的強(qiáng)弱，形成不同的輸沙特性，對(duì)于一定的河槽形態(tài)，小水淤積、大水沖刷分界流量是確定的。因此，來(lái)水來(lái)沙條件組合又決定河道的沖淤特性；不同的河槽形態(tài)對(duì)水流的約束作用不同，又形成不同的演變特性；河床組成的抗沖性與水流的強(qiáng)弱決定了河槽的穩(wěn)定性，因此形成不同的河型。河型的不同是多因素綜合的結(jié)果，是河流演變、輸沙特性的集中反映。河道的輸沙特性與演變特性間存在著密切的聯(lián)系，其原因是它們都受河槽形態(tài)的控制。不同河型的主要差別是因?yàn)樗鼈兙哂胁煌暮硬坌螒B(tài)，具有窄深河槽的河流，不僅輸沙能力強(qiáng)，河道很少淤積，且河勢(shì)受窄深河槽的約束，河道穩(wěn)定，多年坐彎得以累計(jì)，可發(fā)展成彎曲性河流。而具有寬淺河槽的河流，不僅輸沙能力低，河道強(qiáng)烈堆積，且寬淺河槽無(wú)法約束洪水期河勢(shì)變化，受局部邊界的影響經(jīng)常產(chǎn)生“橫河”“斜河”，發(fā)生游蕩擺動(dòng)，產(chǎn)生難以預(yù)料的河勢(shì)變化和險(xiǎn)情，對(duì)防洪極為不利。游蕩性河道以寬淺著稱(chēng)。由于河道寬淺使得河道輸沙能力低；由于河道寬淺無(wú)法約束主流，經(jīng)常造成游蕩擺動(dòng)，使平工出險(xiǎn)，引水困難；由于河道寬淺，整治工程無(wú)法布置而難于整治，因此，從防洪、輸沙減淤、河道整治控導(dǎo)河勢(shì)等各方面都希望把游蕩性河道治理成具有窄深河槽的規(guī)順的河道。2.游蕩性河道的形成3，5，6游蕩性河道的形成是流域長(zhǎng)期來(lái)水來(lái)沙條件作用的結(jié)果。資料統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)進(jìn)入河流的水沙搭配用輸沙率Qs與流量Q的指數(shù)關(guān)系表示時(shí)()。不管多沙或少沙河流，m值小者形成游蕩性河流,m值大者形成彎曲性河流。美國(guó)的一些河流m=34時(shí)，也形成具有窄深河槽(式中的b=0.00.1)的彎曲性河流。m值的物理意義表示洪、枯水時(shí)的泥沙搭配情況。圖7-1給出黃河主要干支流含沙量與流量間的關(guān)系說(shuō)明m值的物理意義，圖中的m=m-1。當(dāng)各級(jí)流量挾帶的含沙量相等時(shí)，m值為零；洪水時(shí)含沙量小于枯水含沙量時(shí)，m值小于零；洪水較枯水的含沙量相差越多，m值越大。m值大者表示河流的泥沙絕大部分靠高含沙洪水輸送，而枯水時(shí)的含沙量很低。m值小時(shí)，小水帶大沙，造成河槽強(qiáng)烈淤積，斷面寬淺，輸沙能力低，河床抬高、比降變陡，河道穩(wěn)定性差，久而久之，形成目前的游蕩性河流。而m值大的河流，由于絕大部分泥沙由洪水輸送，通過(guò)灘淤槽沖塑造的窄深河槽，輸沙能力強(qiáng)，加之枯水時(shí)含沙量低，河槽不僅不淤還會(huì)產(chǎn)生一定沖刷，使得窄深河槽得以長(zhǎng)期保持，流域注入河流的泥沙能夠順利輸送，可保持多年沖淤相對(duì)平衡，形成比降平緩穩(wěn)定的河流，能使小水坐彎得以多年累積，最終發(fā)展成彎曲性河流。游蕩性河流具有比降陡、河槽寬淺、河床組成粗、抗沖能力差和河道輸沙能力低的特點(diǎn)。黃河下游高村以上河段為典型的游蕩河段，造成河段輸沙能力低的主要原因是河槽極為寬淺。渭河、北洛河是黃河中游的主要支流，發(fā)源于粗沙產(chǎn)區(qū)。流量比黃河干流小，含沙量比黃河高，河道比降與黃河下游高村以上河段相近，但仍能形成比較穩(wěn)定的彎曲性河流。其主要原因就是其來(lái)水來(lái)沙比較有利，由m值較大的水沙組成。流域的來(lái)沙主要由高含沙洪水挾帶，枯水期流量小，含沙量低，使得高含沙洪水塑造的窄深河槽能夠長(zhǎng)期保持。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，以日平均含沙量大于300kg/m3計(jì)，北洛河、渭河由高含沙洪水挾帶的沙量分別為72%和40%，有的年份高含沙洪水挾帶的沙量達(dá)80%90%，如1977年北洛河和渭河的來(lái)沙大于300kg/m3分別占89%和71.0%，枯水期含沙量很低常不足1kg/m3，而造成塌灘的低含沙洪水很少發(fā)生。北洛河在2030年內(nèi)才發(fā)生一、二次低含沙洪水。渭河下游低含沙洪水雖然發(fā)生的機(jī)會(huì)較多，但對(duì)河槽的破壞作用并不嚴(yán)重，每逢高含沙洪水發(fā)生時(shí)，均可使前期較寬淺的河槽形態(tài)得到調(diào)整，使窄深河槽得以維持。在這樣水沙條件的控制下，形成較為窄深規(guī)順的河槽形態(tài)，經(jīng)常保持高效輸沙狀況。渭河、北洛河下游河道的客觀存在，為我們提供了改造黃河下游河道的實(shí)例，指出了黃河下游河道的治理方向，可作為今后長(zhǎng)期治理的奮斗目標(biāo)。3.河槽形態(tài)調(diào)整變化不同來(lái)水來(lái)沙條件的河槽形態(tài)調(diào)整變化表明，枯水大沙淤槽，清水沖刷塌灘，河槽展寬。洪水灘淤槽沖，尤其是高含沙洪水通過(guò)灘地強(qiáng)烈淤積和主槽的強(qiáng)烈沖刷可塑造出適合高含沙洪水輸送的窄深河槽。根據(jù)黃河下游的實(shí)測(cè)資料黃委會(huì)設(shè)計(jì)院得出高村以上河段的水力幾何形態(tài)與來(lái)水來(lái)沙之間關(guān)系如下3：式中含沙量為kg/m3，流量為m3/s，h為m，v為m/s。圖7-2給出花園口站水面寬、水深和流速值與流量、含沙量間的關(guān)系。圖中包括60年代三門(mén)峽下泄清水、70年代高含沙洪水期和90年代的資料，其中：從圖中的點(diǎn)群分布可知，不同年代的資料集中分布在平均線的兩側(cè)。在流量相同時(shí)，高含沙洪水期間河寬明顯變小，水深、流速增大。含沙量越低河寬越大，水深、流速越小。這些規(guī)律性的變化，反映了沖積河流的河槽水力幾何形態(tài)，隨著來(lái)水來(lái)沙組合不同會(huì)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。從上式可以看出，河槽的水力幾何形態(tài)，不僅與流量有關(guān)，還與含沙量有關(guān)。較全面地反映了游蕩性河槽形態(tài)調(diào)整與來(lái)水來(lái)沙之間的密切關(guān)系。其河寬B與過(guò)水面積和含沙量成反比，與流量成正比，水深、流速與流量、含沙量成正比。在流量相同的條件下，含沙量越高，塑造形成水深、流速越大，輸沙效率越高。由于河寬與含沙量成反比，水深與含沙量成正比，因此高含沙洪水在寬淺游蕩河段輸送時(shí)，必然會(huì)塑造出窄深河槽。4.塑槽輸沙流量的確定由圖7-3給出的1970年以后進(jìn)入下游含沙量大于200kg/m3的五場(chǎng)高含沙洪水平均含沙量的變化過(guò)程可知，在高村以上河段含沙量迅速降低。而在高村以下河段，含沙量沿程變化很小，尤其是艾山到利津近300km長(zhǎng)的河道中，含沙量不僅不減，反而沿程增大。由此可見(jiàn)，高村以上寬淺河段是利用河道輸送高含沙水流入海的主要障礙，但若能控制高村以上寬淺河段主槽不淤，通過(guò)灘淤槽沖則可塑造有利于輸沙的新河槽。對(duì)高村以上寬淺河道，其輸沙機(jī)理應(yīng)與艾山以下窄深河道相同，但由于河槽形態(tài)不同，水深在斷面上分布極不均勻，而造成輸沙特性的不同。主流區(qū)水深、流速大，進(jìn)入高流速區(qū)很容易達(dá)到不淤的多來(lái)多排條件。而在邊灘，水深、流速小，處于低流速區(qū)，阻力大，泥沙強(qiáng)烈淤積，來(lái)水的含沙量越大淤得越多，即“多來(lái)多淤”，因此形成高村以上寬淺河道的“多來(lái)多排”與“多來(lái)多淤”的雙重輸沙特性，主槽多輸，灘地多淤，實(shí)測(cè)斷面灘淤槽沖的變化也證明了這一輸沙特性。根據(jù)對(duì)高村以上河段歷年含沙量較高的