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，來自流域的長期水沙條件，決定了河槽的形態(tài)和比降，及河床組成。不同河流的來水來沙條件組合不同，塑造出不同的河槽形態(tài)和比降，從而決定了水流的強弱，形成不同的輸沙特性，對于一定的河槽形態(tài)，小水淤積、大水沖刷分界流量是確定的。因此，來水來沙條件組合又決定河道的沖淤特性；不同的河槽形態(tài)對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弱決定了河槽的穩(wěn)定性，因此形成不同的河型。關鍵詞：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，來自流域的長期水沙條件，決定了河槽的形態(tài)和比降，及河床組成。不同河流的來水來沙條件組合不同，塑造出不同的河槽形態(tài)和比降，從而決定了水流的強弱，形成不同的輸沙特性，對于一定的河槽形態(tài)，小水淤積、大水沖刷分界流量是確定的。因此，來水來沙條件組合又決定河道的沖淤特性；不同的河槽形態(tài)對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為它們具有不同的河槽形態(tài)，具有窄深河槽的河流，不僅輸沙能力強，河道很少淤積，且河勢受窄深河槽的約束，河道穩(wěn)定，多年坐彎得以累計，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，河道強烈堆積，且寬淺河槽無法約束洪水期河勢變化，受局部邊界的影響經常產生“橫河”“斜河”，發(fā)生游蕩擺動，產生難以預料的河勢變化和險情，對防洪極為不利。游蕩性河道以寬淺著稱。由于河道寬淺使得河道輸沙能力低；由于河道寬淺無法約束主流，經常造成游蕩擺動，使平工出險，引水困難；由于河道寬淺，整治工程無法布置而難于整治，因此，從防洪、輸沙減淤、河道整治控導河勢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期來水來沙條件作用的結果。資料統(tǒng)計表明，當進入河流的水沙搭配用輸沙率Qs與流量Q的指數(shù)關系表示時()。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。美國的一些河流m=34時，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系說明m值的物理意義，圖中的m=m-1。當各級流量挾帶的含沙量相等時，m值為零；洪水時含沙量小于枯水含沙量時，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，而枯水時的含沙量很低。m值小時，小水帶大沙，造成河槽強烈淤積，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，通過灘淤槽沖塑造的窄深河槽，輸沙能力強，加之枯水時含沙量低，河槽不僅不淤還會產生一定沖刷，使得窄深河槽得以長期保持，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。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水來沙比較有利，由m值較大的水沙組成。流域的來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期保持。根據資料統(tǒng)計，以日平均含沙量大于300kg/m3計，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80%90%，如1977年北洛河和渭河的來沙大于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)生的機會較多，但對河槽的破壞作用并不嚴重，每逢高含沙洪水發(fā)生時，均可使前期較寬淺的河槽形態(tài)得到調整，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例，指出了黃河下游河道的治理方向，可作為今后長期治理的奮斗目標。3.河槽形態(tài)調整變化不同來水來沙條件的河槽形態(tài)調整變化表明，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灘地強烈淤積和主槽的強烈沖刷可塑造出適合高含沙洪水輸送的窄深河槽。根據黃河下游的實測資料黃委會設計院得出高村以上河段的水力幾何形態(tài)與來水來沙之間關系如下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、含沙量間的關系。圖中包括60年代三門峽下泄清水、70年代高含沙洪水期和90年代的資料，其中：從圖中的點群分布可知，不同年代的資料集中分布在平均線的兩側。在流量相同時，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)，隨著來水來沙組合不同會發(fā)生相應的調整。從上式可以看出，河槽的水力幾何形態(tài)，不僅與流量有關，還與含沙量有關。較全面地反映了游蕩性河槽形態(tài)調整與來水來沙之間的密切關系。其河寬B與過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，必然會塑造出窄深河槽。4.塑槽輸沙流量的確定由圖7-3給出的1970年以后進入下游含沙量大于200kg/m3的五場高含沙洪水平均含沙量的變化過程可知，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長的河道中，含沙量不僅不減，反而沿程增大。由此可見，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，通過灘淤槽沖則可塑造有利于輸沙的新河槽。對高村以上寬淺河道，其輸沙機理應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，進入高流速區(qū)很容易達到不淤的多來多排條件。而在邊灘，水深、流速小，處于低流速區(qū)，阻力大，泥沙強烈淤積，來水的含沙量越大淤得越多，即“多來多淤”，因此形成高村以上寬淺河道的“多來多排”與“多來多淤”的雙重輸沙特性，主槽多輸，灘地多淤，實測斷面灘淤槽沖的變化也證明了這一輸沙特性。根據對高村以上河段歷年含沙量較高的