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關(guān)于利用對(duì)口丁壩整治游蕩性河道的研究

2007-03-08 16:17    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后,黃河下游花園口站百年一遇洪水為15700m3/s.即使發(fā)生1958年型22300m3/s的洪水,經(jīng)小浪底水庫(kù)調(diào)節(jié)后花園口站洪峰流量也會(huì)小于10000m3/s[1].小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用不僅削減了洪峰,同時(shí)也使進(jìn)入下游的水沙條件發(fā)生較大變化。在運(yùn)用初期3~5年內(nèi)水庫(kù)將下泄清水[2][3],高村以上河段將產(chǎn)生大量沖刷,河道的泄洪能力將逐漸增大。在以后的相機(jī)排沙運(yùn)用期,平、枯水年水庫(kù)仍將蓄水?dāng)r沙運(yùn)用,只有在中游產(chǎn)生大洪水時(shí)才有排沙機(jī)會(huì)。因此小水挾沙過(guò)多對(duì)下游河槽造成嚴(yán)重淤積問(wèn)題在這一時(shí)期基本上不會(huì)出現(xiàn)。洪峰流量的減小和水沙搭配條件的變化,為游蕩性河道整治創(chuàng)造了新的條件,水庫(kù)的調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用需要游蕩性河道整治配合,從而充分發(fā)揮小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙的作用,進(jìn)一步把高村以上河段治理好。

  游蕩性河槽的整治寬度受多方面控制,即泄洪輸沙的需求與控導(dǎo)河勢(shì)的要求。其中輸沙的需求與控導(dǎo)河勢(shì)要求大體上是一致的。過(guò)寬雖然利于排洪,但輸沙與控導(dǎo)河勢(shì)的能力較差,因此,必須綜合考慮泄洪、排沙與控導(dǎo)河勢(shì)不同需求,確定合理的整治寬度。

  一、不同歷史時(shí)期對(duì)游蕩性河槽整治寬度的建議

  早在1922年美國(guó)水利工程師費(fèi)禮門[4]認(rèn)為黃河下游堤距過(guò)寬是治理困難的主要原因,他根據(jù)京杭運(yùn)河與黃河匯口石洼、位山、姜溝三處洪水期,洪峰流量8000~10000m3/s,最大含沙量9%~10%,實(shí)測(cè)河道斷面自行刷深的情況,提出整治河寬為1/3英里(約為538m)的設(shè)想。

  1946年在嚴(yán)愷院士主持下制定了黃河下游治理初步規(guī)劃[5],下游河道整治寬度定為500m,其主要理由是,黃河山東河道雖然比降小,河寬小,但水深大。認(rèn)為比降1的窄河段的過(guò)洪寬度,在比降2 的游蕩性河道足夠用,建議采用對(duì)口丁壩為主的工程措施縮窄游蕩性河段,并作了全下游河道整治規(guī)劃圖。

  葛羅同、薩丹奇、雷巴特[4]對(duì)上述治理黃河下游河道初步報(bào)告中提出的整治河寬500m表示贊同,認(rèn)為河寬500m,深5m,盡可能取直的河道具有能輸送含沙量達(dá)20%河水的能力。

  50年代后期[6],認(rèn)為三門峽水庫(kù)建成后下游防洪問(wèn)題基本解決,今后的主要任務(wù)就是興利,是在下游梯級(jí)開發(fā)修建攔河樞紐控制縱向的沖刷和整治河道,以利于引水航運(yùn)。設(shè)計(jì)流量為6000m3/s,位山以上河道的整治槽寬定為600m,位山以下定為400~450m.由于三門峽水庫(kù)改建和下游攔河樞紐破壩,河道整治工程未能實(shí)現(xiàn)。

  1966年張瑞瑾先生提出把黃河下游河道治理成“寬灘窄槽”的設(shè)想,并詳細(xì)的論述這個(gè)方針的合理性、實(shí)用性。利用窄槽輸水輸沙,利用寬灘滯洪滯沙,久而久之形成高灘深槽。

  以上建議由于受歷史條件的限制,在當(dāng)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn),現(xiàn)在小浪底水庫(kù)建成后,為實(shí)施這些建議提供了可能。

  二、對(duì)現(xiàn)行河道整治寬度的評(píng)價(jià)及窄深河槽過(guò)洪能力

  1.現(xiàn)行設(shè)計(jì)整治槽寬數(shù)值偏大

  現(xiàn)行黃河下游河道整治規(guī)劃[8],系根據(jù)洪水期主槽平均單寬流量為10m3/s-m,泄量22000m3/s確定的,過(guò)洪寬度為2.5~3km

  若采用實(shí)測(cè)平均值,則計(jì)算出的B也為實(shí)測(cè)平均值,在游蕩性河段,同一流量的水面寬變化很大,反映河床的不穩(wěn)定。由于游蕩性河道的比降陡,河槽極不穩(wěn)定,不同來(lái)水來(lái)沙條件塑造了不同的水面寬,且經(jīng)常處于變化中,如高含沙洪水塑造的河寬窄,低含沙洪水形成的河寬大,隨著水沙條件的變化,河槽寬度經(jīng)常變化。其二,由于河槽極為寬淺,水深在斷面上分布極不均勻,漫灘后水面寬會(huì)迅速增加。因此形成游蕩性河段,流量與水面寬關(guān)系散亂是必然的,不作具體分析采用平均值,確定的整治河寬不盡合理。游蕩性河道整治的目的是縮窄河寬、規(guī)順河勢(shì),故其寬度應(yīng)小于自然條件形成的平均水面寬,應(yīng)是主槽寬度。東壩頭以上1200m,東壩頭至高村1000m明顯偏大。

  2.窄深河槽具有極大的過(guò)洪能力

  從公式可知,Q與R高次方有關(guān),在B、n、J不變的情況下,水深增大對(duì)河道的過(guò)洪能力影響最大。

  表1給出艾山站、濼口站1958年、1976年、1982年實(shí)測(cè)窄槽的過(guò)流能力表明,艾山站在1958年7月21日、22日,在河寬476m、468m,平均水深8.9m和10.6m的條件下,分別宣泄12300m3/s和12500m3/s洪水;濼口水文站在1958年7月22日、23日主槽寬295m,平均水深10.6m和13.1m的條件下,通過(guò)的洪峰流分別為10100m3/s和11100m3/s.

  3.游蕩性河道的洪水主要通過(guò)主槽排泄

  同樣由可知,在河寬、水深,n值相同的條件下,比降由1增加到2,河槽的過(guò)流能力增加40%;若泄量控制不變,則水深可減少23%.但由于比降陡的游蕩性河道,同流量水面寬遠(yuǎn)大于窄河道,因此窄深河槽的過(guò)洪能力常不引人注意。在寬達(dá)幾公里的水面中主流帶的寬度常只有幾百米。表2給出花園口站1958年,主槽寬600m、1000m過(guò)流量可達(dá)到10000m3/s以上,最大達(dá)15022m3/s.占過(guò)流總量的70~90%,甚至達(dá)到98%.

  江恩惠等對(duì)游蕩性河道主槽進(jìn)行詳細(xì)研究,認(rèn)為目前所用河寬偏大[9].文獻(xiàn)[9]給出的流量與水面寬,平均水面寬隨流量的增加而增寬,但水面寬的下限值,隨著流量的增大幾乎不變,均為500~600m.這表明主槽的寬度不隨流量變化。

  單寬流量沿河寬的變化情況可知,主槽的單寬流量可達(dá)20m3/s-m以上,灘地雖很寬但過(guò)流能力很小,單寬流量一般不足1m3/s-m.水流在寬淺河道上總是在一定寬度的主槽內(nèi)集中輸送。尤其是高含沙洪水通過(guò)后,灘地大量淤積,主槽強(qiáng)烈沖刷,塑造出的窄深河槽同樣具有極強(qiáng)的輸水能力,表明,在1977年經(jīng)過(guò)7月和8月兩場(chǎng)高含沙洪水塑造,在8月8日花園口站實(shí)測(cè)的主槽寬467、483m,相應(yīng)水深為5.4、5.3m,平均流速3.85、3.73m/s.過(guò)流量達(dá)到8980m3/s和9540m3/s,由此可見(jiàn),主槽的過(guò)流能力很大。只要能保持較大的水深,泄洪要求的河寬并不是很大。

  4.窄深河槽泄洪機(jī)理

  花園口、濼口兩站洪水期,水沙過(guò)程與河床平均河底高程與最低點(diǎn)高程的變化可知,黃河窄深河槽在洪水期的輸水能力大的主要原因,是在漲水過(guò)程中主河槽不斷沖刷,最大洪峰稍后河床高程到達(dá)最低,水深達(dá)最大。1958年花園口站水位流量關(guān)系表明,流量從5000m3/s漲到15000m3/s,水位只升1m,而平均水深卻由1.99m增加到4.82m,增長(zhǎng)2.81m,水深增長(zhǎng)的幅度遠(yuǎn)大于水位的增幅。由于,泄量與水深的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(見(jiàn)圖5-1),主槽河底高程下降近3m(見(jiàn)圖5-3)。

  洛口水文站的流量與河床高程的變化,隨著洪峰流量的增大,平均和最低點(diǎn)高程不斷降低,最大洪峰后達(dá)到最低。流量從5000m3/s增長(zhǎng)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,也遠(yuǎn)大于水位的升高值。最大水深由8.9m增至18.1m,增加了9.2m.水深增大幅度遠(yuǎn)大于水位升幅。水深迅速增加是河槽過(guò)流能力增大的主要原因。

  三、利用對(duì)口丁壩整治游蕩性河道

  目前黃河下游整治是采用單岸修建工程的彎曲性河道整治方案,取得了很多的成就。小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后,下游水沙條件將發(fā)生很大變化,河道整治也將面臨新的問(wèn)題。在目前已建整治工程的基礎(chǔ)上,在某些河段采用對(duì)口丁壩方案整治,效果可能更好[11][12][13].其依據(jù)就在于該方法在利用窄深河槽滿足泄洪輸沙要求的情況下,還能更充分有效地控導(dǎo)河勢(shì),這是其它方案所難以做到的。

  在無(wú)小浪底水庫(kù)的條件下,由于小水挾沙過(guò)多,河槽嚴(yán)重淤積,游蕩性河段若按幾百米進(jìn)行整治。主槽將迅速淤高,形成槽高灘低的不利局面,如目前的二級(jí)懸河。河道無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定。但在小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后,來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生很大變化,初期下泄清水河床發(fā)生沖刷,水庫(kù)若是造峰沖刷下游河道,塌灘會(huì)更嚴(yán)重。根據(jù)三門峽水庫(kù)1960年9月~1964年10月下泄清水期高村以上斷面實(shí)測(cè)資料分析,游蕩性河道在主槽不斷的擺動(dòng)中下切,造成灘地的塌灘、河道展寬。目前只在單岸修建工程,主流仍有一定的擺動(dòng)范圍,有些工程常不能適應(yīng),尤其是中水整治、小水運(yùn)行,矛盾突出,河勢(shì)會(huì)有較大變化,灘地坍塌不可避免。采用對(duì)口丁壩雙岸同時(shí)控制,無(wú)論大中小水主槽都能限制在較窄范圍,河勢(shì)會(huì)更穩(wěn)定,可防止塌灘,使沖刷向縱深方面發(fā)展。在相機(jī)排沙運(yùn)用期,平水、枯水年下泄清水與初期一樣,河槽也會(huì)發(fā)生沖刷,不會(huì)淤積抬高。水庫(kù)排沙期的流量均大于3000m3/s,整治后的河槽不應(yīng)產(chǎn)生淤積,甚至還應(yīng)發(fā)生些沖刷,對(duì)于漫灘洪水造成灘地淤積,則有利于高灘深槽的形成。

  四、卡口槽寬為600、800、1000m時(shí)對(duì)洪水位的影響

  實(shí)測(cè)資料分析表明,在洪峰上漲的過(guò)程中河床不斷沖深,在最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間稍后河床高程達(dá)到最低,河槽的過(guò)洪能力達(dá)到最大。河寬的縮窄會(huì)影響過(guò)流范圍引起水位抬高,但主流的集中則使河槽沖刷加劇,兩者綜合作用,引起洪水位抬升。根據(jù)1958年花園口站實(shí)測(cè)資料,600、1000m河寬水位,泄量變化規(guī)律,推求河寬整治成600、800、1000m時(shí),流量由5000m3/s漲到10000、15000m3/s時(shí)的水位壅高值,并與1999年防洪預(yù)報(bào)值進(jìn)行了比較[15].

  五、關(guān)于對(duì)口丁壩的布置形式

  據(jù)阿姆河下游游蕩性河道整治經(jīng)驗(yàn)[13],和我們對(duì)黃河游蕩性河道按微彎布置整治工程的分析,采用對(duì)口丁壩進(jìn)一步整治河槽可能更有效。關(guān)于整治工程的高度,從有利于排洪考慮,以目前黃河下游河道整治工程超高標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),修建對(duì)口丁壩后對(duì)泄洪影響不大,河道保持天然河道泄洪特性,工程的興建只起護(hù)灘作用,隨著河槽的沖刷,槽深的增加,河槽的過(guò)洪能力增加,深槽會(huì)自然形成。從施工防守方便上考慮,筑壩基較為有利。

  若兩岸對(duì)口丁壩口門較寬,水流不經(jīng)?繅晤^,搶險(xiǎn)只能以陸上為主,為了使河道在洪水期仍能漫灘,滯洪滯沙,丁壩間不修聯(lián)壩,壩間的交通只用道路聯(lián)結(jié),路面可與當(dāng)?shù)囟䴙└叱?.5m,若為防止大洪水河勢(shì)出現(xiàn)較大擺動(dòng),工程的高程可按10000m3/s洪水位齊平設(shè)計(jì),若考慮百年一遇洪水,應(yīng)按15000m3/s洪水位齊平設(shè)計(jì)壩頂高程。當(dāng)平灘流量為5000m3/s時(shí),堤高為1.3~1.4m.隨著平灘流量的增大,同樣的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),堤高會(huì)逐漸減小。從以上分析可知,河槽縮窄后對(duì)排洪影響不大。

  綜上所述,應(yīng)根據(jù)不同河段不同情況選擇不同的布置形式,以滿足防洪生產(chǎn)等方面的要求。關(guān)于河槽的整治寬度在順直河段可以按600~800m設(shè)計(jì),從有利于泄洪考慮,對(duì)彎曲段可按800~1000m槽寬整治河道。關(guān)于對(duì)口丁壩的間距,根據(jù)阿姆河實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為800~2150m,合1.3~3.6倍的卡口寬度。

  阿姆河年徑流量190~770億m3,年沙量2.46億t,Qmax=8000~9000m3/s,洪水期S=16~20kg/m3,4~8月洪水期沙量2.12億t,常見(jiàn)洪水流量3000~4000 m3/s,枯水流量為400~900m3/s,河道比降為0.00016~0.00026,最大流速3~4m/s,河槽在3~5km范圍內(nèi)擺動(dòng)。按照土雅姆水利樞紐下游200km河段整治規(guī)劃,需要填筑255道橫堤,總長(zhǎng)度250km,河道整治寬度600m,對(duì)口丁壩間距800~2150m,規(guī)劃的255道橫堤中在1986年報(bào)道中已建成130道,總長(zhǎng)度達(dá)105km,在30道橫堤上完成了拋石。120km的河段已部分地得到了整治,整治工程修建后,在大洪水期間仍可漫灘。

  應(yīng)根據(jù)黃河下游不同河段河勢(shì)可能的變化情況,緊密結(jié)合現(xiàn)有的河道整治工程,因地制宜的確定對(duì)口丁壩工程的間距和護(hù)岸的長(zhǎng)度。

  六 關(guān)于選擇試驗(yàn)河段的建議

  我們建議盡快選擇一典型河段進(jìn)行試點(diǎn),為游蕩性河道的治理進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)。為了使試點(diǎn)工作能順利進(jìn)行,需要開展模型試驗(yàn),以便選定設(shè)計(jì)參數(shù),確定最有利的布置形式。

  經(jīng)征求各方意見(jiàn),推薦試驗(yàn)河段有三段,一是鐵謝至大玉蘭河段,二是神堤至棗樹溝河段,三是趙口至黑崗口河段,經(jīng)分析比較,趙口至黑崗口河段較長(zhǎng),現(xiàn)有整治工程較少,防洪問(wèn)題突出,進(jìn)行試驗(yàn)后對(duì)丁壩設(shè)計(jì)參數(shù)存在的問(wèn)題能得到較充分反映,故選取該河段作為試驗(yàn)河段。

延伸閱讀:丁壩 游蕩性 河道
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