水利工程论文-改造宽浅游荡河道的途径与输沙流量.doc

水利工程论文-改造宽浅游荡河道的途径与输沙流量摘要：冲积河流的特性取决于流域因素，来自流域的长期水沙条件，决定了河槽的形态和比降，及河床组成。不同河流的来水来沙条件组合不同，塑造出不同的河槽形态和比降，从而决定了水流的强弱，形成不同的输沙特性，对于一定的河槽形态，小水淤积、大水冲刷分界流量是确定的。因此，来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性；不同的河槽形态对水流的约束作用不同，又形成不同的演变特性；河床组成的抗冲性与水流的强弱决定了河槽的稳定性，因此形成不同的河型。关键词：游荡河道改造途径输沙流量1水流塑造河槽，河槽约束水流冲积河流的特性取决于流域因素，来自流域的长期水沙条件，决定了河槽的形态和比降，及河床组成。不同河流的来水来沙条件组合不同，塑造出不同的河槽形态和比降，从而决定了水流的强弱，形成不同的输沙特性，对于一定的河槽形态，小水淤积、大水冲刷分界流量是确定的。因此，来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性；不同的河槽形态对水流的约束作用不同，又形成不同的演变特性；河床组成的抗冲性与水流的强弱决定了河槽的稳定性，因此形成不同的河型。河型的不同是多因素综合的结果，是河流演变、输沙特性的集中反映。河道的输沙特性与演变特性间存在着密切的联系，其原因是它们都受河槽形态的控制。不同河型的主要差别是因为它们具有不同的河槽形态，具有窄深河槽的河流，不仅输沙能力强，河道很少淤积，且河势受窄深河槽的约束，河道稳定，多年坐弯得以累计，可发展成弯曲性河流。而具有宽浅河槽的河流，不仅输沙能力低，河道强烈堆积，且宽浅河槽无法约束洪水期河势变化，受局部边界的影响经常产生“横河”“斜河”，发生游荡摆动，产生难以预料的河势变化和险情，对防洪极为不利。游荡性河道以宽浅著称。由于河道宽浅使得河道输沙能力低；由于河道宽浅无法约束主流，经常造成游荡摆动，使平工出险，引水困难；由于河道宽浅，整治工程无法布置而难于整治，因此，从防洪、输沙减淤、河道整治控导河势等各方面都希望把游荡性河道治理成具有窄深河槽的规顺的河道。2.游荡性河道的形成3，5，6游荡性河道的形成是流域长期来水来沙条件作用的结果。资料统计表明，当进入河流的水沙搭配用输沙率Qs与流量Q的指数关系表示时()。不管多沙或少沙河流，m值小者形成游荡性河流,m值大者形成弯曲性河流。美国的一些河流m=34时，也形成具有窄深河槽(式中的b=0.00.1)的弯曲性河流。m值的物理意义表示洪、枯水时的泥沙搭配情况。图7-1给出黄河主要干支流含沙量与流量间的关系说明m值的物理意义，图中的m=m-1。当各级流量挟带的含沙量相等时，m值为零；洪水时含沙量小于枯水含沙量时，m值小于零；洪水较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绝大部分靠高含沙洪水输送，而枯水时的含沙量很低。m值小时，小水带大沙，造成河槽强烈淤积，断面宽浅，输沙能力低，河床抬高、比降变陡，河道稳定性差，久而久之，形成目前的游荡性河流。而m值大的河流，由于绝大部分泥沙由洪水输送，通过滩淤槽冲塑造的窄深河槽，输沙能力强，加之枯水时含沙量低，河槽不仅不淤还会产生一定冲刷，使得窄深河槽得以长期保持，流域注入河流的泥沙能够顺利输送，可保持多年冲淤相对平衡，形成比降平缓稳定的河流，能使小水坐弯得以多年累积，最终发展成弯曲性河流。游荡性河流具有比降陡、河槽宽浅、河床组成粗、抗冲能力差和河道输沙能力低的特点。黄河下游高村以上河段为典型的游荡河段，造成河段输沙能力低的主要原因是河槽极为宽浅。渭河、北洛河是黄河中游的主要支流，发源于粗沙产区。流量比黄河干流小，含沙量比黄河高，河道比降与黄河下游高村以上河段相近，但仍能形成比较稳定的弯曲性河流。其主要原因就是其来水来沙比较有利，由m值较大的水沙组成。流域的来沙主要由高含沙洪水挟带，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够长期保持。根据资料统计，以日平均含沙量大于300kg/m3计，北洛河、渭河由高含沙洪水挟带的沙量分别为72%和40%，有的年份高含沙洪水挟带的沙量达80%90%，如1977年北洛河和渭河的来沙大于300kg/m3分别占89%和71.0%，枯水期含沙量很低常不足1kg/m3，而造成塌滩的低含沙洪水很少发生。北洛河在2030年内才发生一、二次低含沙洪水。渭河下游低含沙洪水虽然发生的机会较多，但对河槽的破坏作用并不严重，每逢高含沙洪水发生时，均可使前期较宽浅的河槽形态得到调整，使窄深河槽得以维持。在这样水沙条件的控制下，形成较为窄深规顺的河槽形态，经常保持高效输沙状况。渭河、北洛河下游河道的客观存在，为我们提供了改造黄河下游河道的实例，指出了黄河下游河道的治理方向，可作为今后长期治理的奋斗目标。3.河槽形态调整变化不同来水来沙条件的河槽形态调整变化表明，枯水大沙淤槽，清水冲刷塌滩，河槽展宽。洪水滩淤槽冲，尤其是高含沙洪水通过滩地强烈淤积和主槽的强烈冲刷可塑造出适合高含沙洪水输送的窄深河槽。根据黄河下游的实测资料黄委会设计院得出高村以上河段的水力几何形态与来水来沙之间关系如下3：式中含沙量为kg/m3，流量为m3/s，h为m，v为m/s。图7-2给出花园口站水面宽、水深和流速值与流量、含沙量间的关系。图中包括60年代三门峡下泄清水、70年代高含沙洪水期和90年代的资料，其中：从图中的点群分布可知，不同年代的资料集中分布在平均线的两侧。在流量相同时，高含沙洪水期间河宽明显变小，水深、流速增大。含沙量越低河宽越大，水深、流速越小。这些规律性的变化，反映了冲积河流的河槽水力几何形态，随着来水来沙组合不同会发生相应的调整。从上式可以看出，河槽的水力几何形态，不仅与流量有关，还与含沙量有关。较全面地反映了游荡性河槽形态调整与来水来沙之间的密切关系。其河宽B与过水面积和含沙量成反比，与流量成正比，水深、流速与流量、含沙量成正比。在流量相同的条件下，含沙量越高，塑造形成水深、流速越大，输沙效率越高。由于河宽与含沙量成反比，水深与含沙量成正比，因此高含沙洪水在宽浅游荡河段输送时，必然会塑造出窄深河槽。4.塑槽输沙流量的确定由图7-3给出的1970年以后进入下游含沙量大于200kg/m3的五场高含沙洪水平均含沙量的变化过程可知，在高村以上河段含沙量迅速降低。而在高村以下河段，含沙量沿程变化很小，尤其是艾山到利津近300km长的河道中，含沙量不仅不减，反而沿程增大。由此可见，高村以上宽浅河段是利用河道输送高含沙水流入海的主要障碍，但若能控制高村以上宽浅河段主槽不淤，通过滩淤槽冲则可塑造有利于输沙的新河槽。对高村以上宽浅河道，其输沙机理应与艾山以下窄深河道相同，但由于河槽形态不同，水深在断面上分布极不均匀，而造成输沙特性的不同。主流区水深、流速大，进入高流速区很容易达到不淤的多来多排条件。而在边滩，水深、流速小，处于低流速区，阻力大，泥沙强烈淤积，来水的含沙量越大淤得越多，即“多来多淤”，因此形成高村以上宽浅河道的“多来多排”与“多来多淤”的双重输沙特性，主槽多输，滩地多淤，实测断面滩淤槽冲的变化也证明了这一输沙特性。根据对高村以上河段历年含沙量较高的