水利工程論文-小浪底水庫(kù)攔沙運(yùn)用期大洪水對(duì)溫孟灘移民安置區(qū)河段影響的試驗(yàn)研究摘要：小浪底水庫(kù)移民安置區(qū)溫孟灘河段河道整治模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在水庫(kù)攔沙運(yùn)用期沖刷嚴(yán)重的初始河道地形條件下遭遇大洪水后，河勢(shì)變化不大，河道整治工程對(duì)大洪水是基本適應(yīng)的，但存在個(gè)別工程入流過(guò)死，局部沖深大和送溜不力等情況。由于前期河床已沖刷下切,河槽泄洪能力大大增加，洪峰期(Q=10000m3/s)基本未出現(xiàn)明顯漫灘。本文對(duì)局部沖刷的基本規(guī)律也作了探討。關(guān)鍵詞：河勢(shì)局部沖刷河道整治工程小浪底水庫(kù)移民安置區(qū)河段黃河黃河小浪底水利樞紐溫孟灘移民安置區(qū)河段位于小浪底工程下游約30km處，該河段西起孟縣境內(nèi)207國(guó)道的洛陽(yáng)黃河公路橋，東至洛河口對(duì)岸的溫縣大玉蘭控導(dǎo)工程以下2.5km，東西長(zhǎng)40km，右岸為邙山山麓，左岸為溫孟大灘。根據(jù)小浪底庫(kù)區(qū)移民規(guī)劃，需在溫孟灘區(qū)安置移民4.7萬(wàn)人。溫孟灘移民安置區(qū)絕大部分為70年代以來(lái)形成的低灘地，受河勢(shì)影響大，為保證移民安置區(qū)的安全，需對(duì)該河段采取必要的河道整治工程措施。為此，有關(guān)部門提出了河道整治方案，主要是對(duì)現(xiàn)有工程進(jìn)行上續(xù)、下延，并通過(guò)修筑防護(hù)圍堤，將左岸控導(dǎo)工程首尾相連，保護(hù)移民灘區(qū)在大洪水時(shí)不漫灘。由于該河段河道演變復(fù)雜及整治工程的重要性，應(yīng)對(duì)其整治方案的合理性及對(duì)不同水沙條件的適應(yīng)性進(jìn)行多方面研究，因而，開展了溫孟灘移民安置區(qū)河段河道整治河工動(dòng)床模型試驗(yàn)。1試驗(yàn)邊界條件根據(jù)三門峽水庫(kù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，在水庫(kù)攔沙運(yùn)用初期往往是下游河道沖淤變化最大、河勢(shì)調(diào)整最劇烈、對(duì)河道整治工程影響最明顯的時(shí)期。因此，為考慮對(duì)下游河道整治工程影響最不利的水庫(kù)運(yùn)用時(shí)段與水沙條件的組合情況，專門開展了小浪底水庫(kù)攔沙運(yùn)用期遭遇大水少沙型洪水的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)組次的設(shè)計(jì)條件是：假設(shè)小浪底水庫(kù)首先下泄19611964年水沙過(guò)程后，又泄放洪峰流量達(dá)到10000m3/s的“82.8”放大型洪水過(guò)程，因此，試驗(yàn)的初始地形是在2000年地形基礎(chǔ)上通過(guò)施放19611964年三門峽水庫(kù)下泄清水過(guò)程塑造而成。在三門峽水庫(kù)攔沙下泄清水運(yùn)用期，黃河下游河道累積沖刷量達(dá)23億t，其中溫孟灘河段沖刷量占全下游的約20%。且在沖刷過(guò)程中，河勢(shì)由寬淺散亂趨于窄深歸一，某些斷面下切相當(dāng)嚴(yán)重。尤其在1964年大水期(三門峽水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量為12400m3/s，出庫(kù)為4900m3/s)，大部分?jǐn)嗝嫔钽c(diǎn)下降幅度達(dá)46m，最大達(dá)10m。因而可預(yù)估，在小浪底水庫(kù)于2001年建成投入運(yùn)用后的攔沙運(yùn)用期下泄清水階段，下游河床沖淤演變也會(huì)受到很大影響。若在對(duì)工程安全不利的此類地形前提下，河道又遭遇大水少沙型的洪水，河床將作何調(diào)整，規(guī)劃的河道整治工程能否適應(yīng)此類大洪水的河勢(shì)變化，工程局部沖刷是否會(huì)進(jìn)一步加劇，等等，是值得研究的問(wèn)題。2試驗(yàn)水沙條件根據(jù)上述試驗(yàn)?zāi)康模x擇了1982年汛期(7月29日8月9日)的洪峰過(guò)程(簡(jiǎn)稱“82.8”洪水)。該水沙過(guò)程的特點(diǎn)是洪峰流量大，含沙量低，屬于大水少沙型洪水，且沙峰稍滯后于洪峰。進(jìn)一步考慮到溫孟灘移民安置區(qū)防護(hù)圍堤的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為10000m3/s，故以此洪水過(guò)程為基礎(chǔ)，采用同倍比法將小浪底洪峰流量放大至10000m3/s，沙量按輸沙率相應(yīng)放大，以此作為小浪底攔沙運(yùn)用期河床沖刷下切后遭遇的大洪水類型，其概化水沙過(guò)程見圖1。3模型設(shè)計(jì)模型模擬河段為小浪底至孤柏嘴，該河段河床邊界條件極為復(fù)雜，上段為砂卵石寬淺多汊型河段，下段為沙質(zhì)游蕩型河段。模型設(shè)計(jì)充分參考了黃河水利科學(xué)研究院關(guān)于黃河動(dòng)床模型的有關(guān)研究成果，尤其是近年來(lái)提出的河工模型相似律，并通過(guò)認(rèn)真分析原型河道的水力條件、邊界條件和進(jìn)行的預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果，提出了“分段設(shè)計(jì)、過(guò)渡處理”的設(shè)計(jì)方法，對(duì)該河段河工動(dòng)床模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)。特別是在模型沙的處理上，根據(jù)起動(dòng)相似條件，上段采用天然沙作為模型床沙，下段采用鄭州熱電廠粉煤灰作為模型床沙，并通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)渡處理，從而完成了從卵石河床到沙質(zhì)河床到沙質(zhì)河床的過(guò)渡轉(zhuǎn)變。試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可滿足水流阻力、河床演變、泥沙起動(dòng)及輸移等方面的相似要求。設(shè)計(jì)的主要比尺見表1。圖1小浪底站“82.8”放大型概化水沙過(guò)程Generalizedwaterandsedimentprocessof82.8magnifyingtypeatXiaolangdistation表1不同河型主要比尺設(shè)計(jì)表Designedscaleofdifferentriverpatterns比尺平面垂直流量砂卵石河床多汊型河段沙質(zhì)河床游蕩型河段密度LhQ床沙粒徑起動(dòng)流速糙率床沙粒徑含沙量河床變形時(shí)間起動(dòng)流速懸沙粒徑糙率DVCnDSt2VCdn數(shù)值600602790007.567.240.723.61.7266.47.631.381.557.952.5586.878.444試驗(yàn)結(jié)果分析4.1河勢(shì)變化總的來(lái)說(shuō)，由于前期清水沖刷，主河槽變得較為窄深，過(guò)流能力大大增加，故在“82.8”放大型洪水過(guò)程中，河勢(shì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較歸順，主流線擺動(dòng)均在工程控制范圍以內(nèi)，基本未出現(xiàn)橫河、斜河等畸形河勢(shì)，洪峰期未出現(xiàn)明顯漫灘現(xiàn)象(圖2)。圖2漲水初期(Q=2024m3/s)、落水期(Q=1990m3/s)河勢(shì)圖Riverconfigurationininitialperiodofraising(Q=2040m3/s)andfallingwater(Q=1990m3/s)periods就工程的適應(yīng)性而言，還存在二個(gè)突出問(wèn)題：一是由于本試驗(yàn)水沙條件為大水少沙型,且河槽在前期已遭強(qiáng)烈的沖刷,加之部分河段整治工程平面布置的曲率半徑不甚合理及工程送溜段嫌短,使得個(gè)別工程前形成入流死、迎溜段水流過(guò)于集中，而出溜較為分散的不利河勢(shì)。如逯村工程入溜段河寬僅為400m，而出溜段河寬達(dá)1600m；趙溝工程出溜段河面突然展寬也達(dá)1km之多，且水流散亂；裴峪工程出溜1500m后水流擴(kuò)散、河面展寬，至大玉蘭工程迎溜段河寬約1.7km，為整個(gè)河段的最寬處。當(dāng)然,形成此類河勢(shì)的原因除工程平面布設(shè)的因素外,來(lái)水來(lái)沙的組合也有一定的影響。如根據(jù)文獻(xiàn)6對(duì)河型與來(lái)水來(lái)沙搭配關(guān)系Qs=Kqm的研究表明，在大水而來(lái)沙偏小或小水來(lái)沙偏大時(shí)，式中的m較小,一定流量下的水流輸沙率也就較低,易形成刷灘淤槽、水流寬淺游蕩的河勢(shì)。二是由于諸如化工工程的下延長(zhǎng)度較短且曲率半徑偏小，出流產(chǎn)生明顯的回流淘刷現(xiàn)象，最大淘刷范圍可至圍堤根，嚴(yán)重威脅了圍堤安全。另外一個(gè)問(wèn)題亦應(yīng)注意，即前期清水沖刷過(guò)程中，由上段砂卵石推移質(zhì)被運(yùn)移至逯村工程下首堆積形成的砂卵石心灘，在該次大洪水期間，并未很快消失，南北兩汊反而進(jìn)一步塌灘外移，落水后期北灘沿距圍堤僅剩100m左右，這對(duì)防護(hù)圍堤安全構(gòu)成極大威脅，因此，對(duì)逯村工程開儀工程、化工工程大玉蘭工程圍堤上段均應(yīng)考慮設(shè)置相應(yīng)的護(hù)根措施。4.2工程適應(yīng)性分析黃河游蕩型河道的整治流量一般是采用中水河槽的平灘流量，按控導(dǎo)作用可將工程的平面構(gòu)成形式分為迎溜段、導(dǎo)溜段和送溜段(見圖3)。按設(shè)計(jì)要求，迎溜入彎段多為小水靠溜段，以彎導(dǎo)溜段多為中水靠溜段，送溜出彎段多為洪水漫灘后靠溜段。一般來(lái)講，出于工程安全角度和導(dǎo)流效果考慮，總是希望入流角(主流線與連壩切線的夾角，見圖3)不宜太大，以小于40為好，同時(shí)，力求整個(gè)導(dǎo)溜和送溜段均靠大溜，主溜出流角(見圖3)不宜太大，以防止挑流過(guò)陡，造成下游工程入溜上提。就是說(shuō)，若在不同流量下，能夠基本達(dá)到入溜平順，出溜集中，送溜到位，則表明工程的適應(yīng)性比較圖3控導(dǎo)工程平面圖Layoutofvulnerableworks好。據(jù)此,分別統(tǒng)計(jì)了模型試驗(yàn)代表水沙條件的Q4000m3/s清水沖刷系列，Q=4000m3/s、S=200kg/m3的水沙條件和本次試驗(yàn)大水少沙型洪水的整治工程的著溜位置、入溜角和送溜長(zhǎng)度等表征控導(dǎo)作用的參數(shù)。依據(jù)整治原則，并參照設(shè)計(jì)流路等有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)工程適應(yīng)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)(表2)。在不同的水沙條件下，各工程的適應(yīng)程度是不一樣的，如在清水沖刷條件下，逯村工程表現(xiàn)出著溜位置嚴(yán)重上提，而大玉蘭工程則下挫嚴(yán)重；對(duì)于高含沙洪水，趙溝工程和裴峪工程均表現(xiàn)出上提嚴(yán)重的著溜情況。總體分析認(rèn)為，該河段河道整治工程對(duì)中水以上的洪水適應(yīng)性相對(duì)較好，基本適應(yīng)諸如“82.8”放大型洪水的河勢(shì)變化，但對(duì)小流量和高含沙洪水來(lái)說(shuō)，其個(gè)別工程適應(yīng)性相對(duì)較弱。據(jù)上述分析，對(duì)工程平面布設(shè)的設(shè)計(jì)方案7提出如下調(diào)整建議：(1)對(duì)鐵謝險(xiǎn)工送溜段進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免逯村工程入溜偏上；(2)趙溝工程上延可由原計(jì)劃的上延25道壩減為20道壩；(3)為了增強(qiáng)逯村工程下首對(duì)圍堤的掩護(hù)作用，可適當(dāng)增加2道潛壩；(4)在增大化工工程送溜段曲率半徑的前提下再對(duì)其下延23道壩；(5)裴峪工程應(yīng)修建護(hù)灣型上延工程12001500m。表2工程適應(yīng)性分析表Adaptabilityanalysisontheworks工程名稱河勢(shì)參數(shù)水沙條件Q=10004000m3/sQ=4000m3/sQmax=10000m3/s清水沖刷系列S=200kg/m3Smax=90kg/m3中水大沙大水少沙系列逯村著溜位置嚴(yán)重上提正常正常入流角偏大偏大適中送溜長(zhǎng)度偏短基本到位正常著溜位置基本正常正常偏上開儀開儀入流角偏大偏大正常送溜長(zhǎng)度基本正常基本正常偏短著溜位置基本到位正常偏上趙溝入流角偏大偏大正常送溜長(zhǎng)度基本正常基本正常偏短著溜位置稍偏上正常基本正常化工入流角偏大偏大適中送溜長(zhǎng)度偏短基本到位偏短著溜位置偏上嚴(yán)重上堤正常翡峪入流角偏大偏大稍偏大送溜長(zhǎng)度偏短基本正常偏短著溜位置嚴(yán)重下挫正常中偏上大玉蘭入流角過(guò)大稍偏大基本適中送溜長(zhǎng)度正常正常正常4.3河底高程的調(diào)整經(jīng)分析計(jì)算，由19611964年水沙系列和“82.8”放大型洪水先后作用下，河床平均高程較2000年下降34m，其中沖刷最嚴(yán)重的河段發(fā)生在馬峪溝以上，最大平灘水深達(dá)10m左右，這與三門峽水庫(kù)攔沙運(yùn)用期的實(shí)測(cè)情況比較接近8。圖4為試驗(yàn)洪峰期水面線和洪水前后河底平均高程沿程變化,可以看出，洪水前、后河底平均高程沒(méi)有發(fā)生大的調(diào)整，河床沖淤相對(duì)較弱。花園鎮(zhèn)工程以上有少量沖刷，花園鎮(zhèn)伊洛河以上微淤，其下又略有沖刷，這主要是前期河床已充分粗化而造成。根據(jù)觀測(cè)，在流量達(dá)到10000m3/s時(shí)，基本沒(méi)有發(fā)生漫灘現(xiàn)象。這說(shuō)明河槽經(jīng)過(guò)19611964年水沙過(guò)程及“82.8”放大型洪水沖刷調(diào)整后，其過(guò)流能力是相當(dāng)大的。圖4縱剖面圖Longitudinalprofile表3工程靠溜位置及最大沖深統(tǒng)計(jì)(最高水位以下)Statistics(belowhighestlevel)ofwork-contactingpointandit