水利工程論文-高含沙洪水輸水輸沙特性及對河道的破壞作用與機(jī)理研究.doc

水利工程論文-高含沙洪水輸水輸沙特性及對河道的破壞作用與機(jī)理研究摘要：本文通過原型、模型實測資料分析，論述了黃河下游高含沙洪水河床演變規(guī)律及高含沙洪水在窄深河槽形成前后輸水輸沙特性的變化、現(xiàn)行河床條件下高含沙洪水造成洪水傳播特性異常的原因和高含沙洪水對河道的破壞作用，意在指出小浪底水庫正常運(yùn)用期內(nèi)要盡可能地避免出現(xiàn)高含沙洪水或少出現(xiàn)高含沙洪水。關(guān)鍵詞：高含沙洪水造床規(guī)律窄深河槽輸水輸沙特性險情1前言近年來，尤其是90年代以來，黃河上、中游汛期、非汛期來水量均明顯下降，但沙量減少甚微，據(jù)統(tǒng)計，90年代華縣站減水40.32億m3，減沙1.38億t，減水、減沙分別占前期（19501969年）的44%、32，說明90年代水減得多，沙減得少，水少沙多的矛盾更加突出，高含沙洪水出現(xiàn)的機(jī)遇增加，勢必給黃河下游河道沖淤演變及防洪帶來一些新的問題?！?6.8”洪水出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象就充分說明了這一點。因此，進(jìn)一步分析、研究高含沙洪水的造床機(jī)理和輸沙特性，對黃河下游的防洪、河道整治等一系列工作有著積極的作用。2高含沙洪水窄深河槽形成前后輸水輸沙特性變化文獻(xiàn)1曾經(jīng)對高含沙洪水造床規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論,在此不再過多贅述。我們知道高含沙洪水在黃河下游(特別是游蕩性河段)通行時，不會一開始就形成高灘深槽，往往在峰前首先發(fā)生大漫灘，洪水漫灘之后，流速滯緩，造成灘地的大量淤積，形成新的灘唇，而后水流才集中河槽下泄，單寬流量增加，流速增大，挾沙能力隨之提高，當(dāng)挾沙能力增大到一定程度之后，才會引起主槽揭底沖刷，河床下切，窄深河槽方得以形成。根據(jù)黃河花園口至東壩頭河段動床模型觀測發(fā)現(xiàn)2:來童寨斷面高含沙洪水塑造的窄深河槽形成前后，過水面積下降24.35%，而流速增圖1口含沙量的關(guān)系RelationshipofsedimentdischargefromHuayuankoutoLaitongzhaiwithinletsedimentconcentration大0.4%；九堡斷面過水面積下降18.45%，流速增大14.2%，挾沙能力提高2倍以上。高含沙水流的輸沙能力可以用河段排沙比來直觀地反映。通過黃河花園口至東壩頭河段河道動床模型試驗測得的花園口至來童寨河段排沙比與進(jìn)口含沙量的關(guān)系(圖1)，可以看出，隨著進(jìn)口含沙量的增大，排沙比越來越小，造成河道的嚴(yán)重淤積，一旦進(jìn)口含沙量大到一定程度以后，排沙比又明顯增大。說明，黃河下游河道高含沙洪水對河道沖淤變化過程是極其復(fù)雜的，不是簡單相關(guān)，挾沙能力關(guān)系并不是唯一的，而是一個多值關(guān)系。江恩惠也曾對此進(jìn)行過分析3，認(rèn)為在同一水力條件（V3/gH0）下，挾沙力S*隨含沙量S增大而增大，揭示了黃河下游常見的“多來多排”的特性。同時也反映出河道的輸水輸沙能力與河床的初始狀態(tài)有密切關(guān)系。天然情況也如此4。例如，1977年7月的高含沙洪水由于前期河床寬淺，漲水期流量大于4800m3/s時，洪水大量漫灘，灘地淤積嚴(yán)重，淤積厚度1m左右，河道過水寬度縮窄，形成相對窄深的河槽。此后，洪峰期（8010m3/s）洪水集中河槽下泄，主槽發(fā)生強(qiáng)烈沖刷，平均河床下切2m左右。落水后流量為5000m3/s時，花園口水位與漲水前同流量水位相比降低1m多，夾河灘水位降低0.7m左右。經(jīng)過7月份高含沙洪水的造床過程，河道內(nèi)形成了相對的高灘深槽（即所謂的窄深河槽），致使8月份洪水到來時，80%的主流集中在7月份洪水所形成的窄深河槽內(nèi)運(yùn)行，洪水陡漲到10800m3/s時，漫灘水流比例反倒不像7月份洪水時那么大，上灘的那部分水沿7月份洪水在橫斷面上形成的倒比降迅速漫向兩岸（或老灘沿），同時受上次灘唇的阻擋，漫灘水為主河道表層含沙量相對較小、水流挾帶顆粒較細(xì)的那部分水，因而本場高含沙洪水造成灘地淤積厚度僅為0.2m，遠(yuǎn)不及7月份洪水淤積嚴(yán)重。由于長期以來河床一直處于淤積狀態(tài)，河道過洪能力大大降低，“92.8”洪水前，平灘流量由5000m3/s降為3500m3/s。因此在1992年8月14日流量僅為3220m3/s時，原陽雙井一帶二灘即開始大量漫水，泥流入灘，流速滯緩，從而加重了灘地淤積，致使6240m3/s洪峰過后，花園口一帶灘唇淤積厚度達(dá)1.5m2m，形成了相對高灘深槽5。但是，本次高含沙洪水由于持續(xù)時間較短，窄深河槽沒有再向下游發(fā)展。為了更清楚地說明本河段輸沙能力的變化，我們計算了花園口夾河灘河段1977年和“92.8”洪水的排沙比P，即根據(jù)洪水水文要素測驗結(jié)果，考慮洪水傳播時間差以后的相對應(yīng)的夾河灘站含沙量與花園口站含沙量之比（圖2）。1977年兩場高含沙洪水漲水前同流量排沙比沒太大變化，流量5000m3/s時P一般為0.7左右，落水后由于河道內(nèi)形成了窄深河槽，洪水集中河槽下泄，排沙比明顯提高，在花園口含沙量小于200kg/m3以后，還出現(xiàn)了沖刷現(xiàn)象。“92.8”洪水僅在花園口等局部河段形成窄深河槽，而且窄深河槽維持時間極短，8月16日洪峰過后洪水不能及時歸槽，一周內(nèi)灘地積水仍沒有退去，因而河道排沙比不僅沒有增大，反而略有減少。另外，本河段高含沙洪水在現(xiàn)行河床條件下，河道輸沙能力降低，從河道沖淤情況也可看出，“92.8”洪峰期8月6日到18日，花園口夾河灘河段淤積達(dá)2.06億t，而1977年7、8兩個月淤積量僅為2.5億t。圖2黃河花園口至夾河灘河段排沙比與花園口含沙量關(guān)系RelationshipsofsedimentdischargefromHuayuankoutoJiahetanwithinletsedimentconcentration通過分析我們發(fā)現(xiàn)，高含沙洪水自然塑造窄深河槽是以前期河床的嚴(yán)重淤積為代價的，雖然出現(xiàn)了槽沖灘淤的現(xiàn)象，但由于灘地的淤積量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主槽的沖刷量，因此，整個河道還是發(fā)生了嚴(yán)重的淤積。3現(xiàn)狀河床邊界條件下高含沙洪水傳播特點隨著黃河下游河床邊界條件的日益惡化，洪水傳播時間越來越長，其中，“96.8”洪水期間，夾河灘高村和高村孫口洪峰傳播時間分別長達(dá)76和120小時，與正常情況相比，加長6倍左右。據(jù)申冠卿6等分析：現(xiàn)行河床邊界條件下，主槽的行洪流速并沒有減小。那么造成“92.8、“96.8洪水洪峰傳播時間特長的原因是什么呢？長期的枯水少(中)沙，特別是近幾年7月份的高含沙小洪水過程，使黃河下游主槽明顯萎縮，過流面積大大減小，平灘流量降低為3000m3/s左右，與19581982年汛前相比減小一半以上。隨著流量的增大，水位的抬高，將有相當(dāng)一部分的水流漫向灘地?！?2.8”等高含沙洪水，使黃河下游河道嫩灘大量淤積，灘唇高昂，灘地橫比降加大，使得漫向灘地的那部分水流不能在短距離內(nèi)回歸主河道，需長時間在灘地滯留(甚至個別斷面二灘還會出現(xiàn)倒流現(xiàn)象)，形成類似于水庫的調(diào)蓄作用?！?6.8”洪水期間的原陽高灘、東明灘、長垣灘表現(xiàn)更加明顯。灘區(qū)道路、渠堤縱橫交錯，形成較大的滯洪庫容，滯蓄的洪水直至滿足下泄條件之后，才逐步向下游推進(jìn)或退歸主河道，而實際上主流的洪峰早已過去。灘區(qū)滯洪造成了下游各站洪峰的逐步削減。由于灘地吞吐水量存在一個時間差，因而下游斷面洪峰將發(fā)生明顯變形，其后半翼相應(yīng)變胖。如果后續(xù)洪水與洪峰相比并沒減少太多，那么下游斷面的洪峰很可能就是后續(xù)洪水與上游灘地退水合并的結(jié)果，峰現(xiàn)時間推遲也就不言而喻了7。近幾年汛期，花園口東壩頭河段洪水演進(jìn)預(yù)報試驗結(jié)果也清楚地反映了這一現(xiàn)象。從夾河灘(三)站洪水位實測過程可以看到，受上游原陽高灘、中牟高灘前期漫灘洪水退水的影響，下游各水位站后期高水位持續(xù)時間長達(dá)27和20小時，大大加重了該河段的防洪壓力。4高含沙洪水對河道的破壞作用3.1高含沙洪水造成河道的嚴(yán)重淤積高含沙洪水在渠道和天然河道上，常常出現(xiàn)嚴(yán)重淤積，對防洪非常不利。1973年引洛灌區(qū)連續(xù)出現(xiàn)高含沙洪水，引水過程在沿途進(jìn)行分流、扒口，致使流量分散，形成“分流必淤”的局面，干渠發(fā)生嚴(yán)重淤積，用10000個工日清淤才恢復(fù)引水能力。1974年在引洛東干渠又是沿程分流太多發(fā)生平行上升淤積，比降1/2000調(diào)平到1/5000，又進(jìn)一步加大淤積8。黃河下游自1950年至1977年，28年中發(fā)生18場高含沙洪水（含沙量大于300kg/m3），其造成的淤積占黃河下游同期總淤積量的50%，見表1。從表1可知，18場高含沙洪水的水量占28年總水量的2.6%，沙量占總沙量的18.2%，但淤積量卻占28年總淤積量的50.6%，1970年及1977年高含沙洪水對黃河下游造成的淤積更為嚴(yán)重。由此可知，在目前黃河下游河道現(xiàn)狀條件下，高含沙洪水對下游河道和防洪非常不利。表1黃河下游18場洪水特征值Characteristicvaluesof18floodsintheLowerYellowRiver年份三門峽黑石關(guān)小董下游淤積量108t備注水量108m3沙量108t19501977年12762.5409.196.0年均水量452億m3,年均沙量14.6億t,年均淤積量3.4億t18場高含沙洪水330.774.348.61970年兩場高含沙洪水年沙量21.4108t,年淤積量10.5108t35.179.266.521977年兩場高含沙洪水年沙量20.09108t,年淤積量10.6108t45.5315.369.94黃河下游為游蕩型寬淺河道，主流不定，高含沙洪水到來之后，水位異常偏高，1973年，1977年和1992年的高含沙洪水水位都高于同流量低含沙洪水水位，甚至超過1958年22300m3/s的大洪水水位，這對防洪非常不利。4.2高含沙洪水造成重大險情在高含沙洪水期，水流多由幾股集成一股，在游蕩性河段往往切割阻水洲灘，水流滾移，引起河勢大變，增多了出現(xiàn)橫河、斜河的機(jī)遇。例如，1977年7月9日，花園口河段通過高含沙洪峰后，河勢發(fā)生大幅度改變。洪峰前大河緊靠南裹頭，北岸馬莊工程距河較遠(yuǎn)，但洪水過后，大河主流移至北岸，頂沖馬莊工程上段。主流遂又以近90的角度頂沖南岸花園口險工，同時八堡斷面處原有三股河歸為一股。以下河段河勢也發(fā)生較大變化，萬灘以北河床形成長70.5km的沙洲，本河段主流緊靠南岸行洪，有些堤段壩前水深20余米，楊橋險工的17#21#壩及護(hù)岸工程也相繼出險，壩岸坍塌200多米，搶護(hù)七天七夜，險情才被控制。這場高含沙洪水致使化工控導(dǎo)工程前河勢突變，一小時內(nèi)主流北擺500m之多，引起主流直逼9#17#壩，兩小時后9#壩全部沖毀，隨即10#、11#壩也以每分鐘23m的速度全部塌毀，雖奮力搶修，但仍造成跑壩；又如“92.8”高含沙洪水期，開儀及駕部河段河道大淤大沖，主流擺動與河勢變化的速度極快，變幅又大，常為人始料不及，給防洪搶險帶來很大困難，其中在開儀工程附近，主流受河心灘頂托，河勢上提，直逼4#壩，使以下6道壩相繼出險，搶險拋石近1000m3，方化險為夷。高含沙洪水引起河勢改變并致大溜頂沖工程時，壩前流速可達(dá)56m/s，具有很強(qiáng)的沖刷能力，造成大壩根石走失，壩體失穩(wěn)。如1977年高含沙洪水期，馬渡險工38#、40#、42#、60#各壩先后出險；趙口險工41#壩，建壩已80年，根石深達(dá)13m多，但在大溜頂沖幾十分鐘后即出大險。此外，萬灘、楊橋等險工也有險情出現(xiàn)，搶險持續(xù)一月之久。高含沙洪水特殊的造床作用，常致使深槽劇烈沖刷，河寬急劇減少，形成溜勢迅猛的“河脖”，對工程影響更大。例如，1977年7月10日8時，花園口險工之前形成“河脖”，主流直逼花園口險工，一些工程底部受水流淘刷，根石大量走失。特別是第二場洪峰到來之時，建壩200多年、根石深達(dá)20多米的將軍壩出險，搶險13個小時，拋石250m3，才控制住險情發(fā)展。5高含沙洪水對河道破壞作用機(jī)理研究水流阻力特性是水力學(xué)及河流動力學(xué)的核心問題之一，更是了解黃河高含沙水流運(yùn)動規(guī)律的重要環(huán)節(jié)。由于黃河問題的復(fù)雜性，目前尚缺乏能直接適用于黃河下游各種情況且方便適用的計算方法。許多數(shù)學(xué)模型往往采用固定糙率來計算黃河下游水沙運(yùn)動，造成水位計算與實際相差甚遠(yuǎn)。還有的模型，試圖通過不同方法對河道糙率進(jìn)行修正，在進(jìn)行高含沙洪水的演進(jìn)計算時，仍存在不小的誤差。為此，江恩惠統(tǒng)計了黃河、渭河大量實測資料，發(fā)現(xiàn)河道的糙率系數(shù)(n)與水力、泥沙因子有密切的關(guān)系，如圖3、4。用佛汝德數(shù)(Fr)表示河流的水力要素，糙率系數(shù)(n)隨Fr和含沙量(S)的增大而逐漸變小，當(dāng)含沙量大于200kg/m3時，糙率系數(shù)n有增大的趨勢，而且在含沙量接近500600kg/m3時，糙率增加非?？?，出現(xiàn)明顯反彎現(xiàn)象。究其原因：在高含沙洪水期間形成窄深河槽以后，洪水集中河槽下泄，流速增大，水流動力(Fr)增加，造成河床劇烈變化，床面沙波、沙丘進(jìn)一步發(fā)展壯大，甚至出現(xiàn)揭河底沖刷，使得河床糙率劇增。圖3黃河下游不同水力條件下糙率隨含沙量變化規(guī)律Variationsofroughnesswithsedimentconcentrationunderdifferenthydraulicconditions圖4渭河不同水力條件下糙率隨含沙量變化規(guī)律Variatio