水利工程论文-新形势下黄河下游游荡性河道整治工程设计有关问题探讨.doc水利工程论文-新形势下黄河下游游荡性河道整治工程设计有关问题探讨.doc

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水利工程论文新形势下黄河下游游荡性河道整治工程设计有关问题探讨摘要随着黄河清水来源区基流的减少、中下游地区耗水量的增加,使近十几年黄河下游中小洪水、高含沙洪水出现机率增加,从而导致一些迎送溜关系较好的控导工程对河势的控导作用明显削弱。小浪底水库建成后,将改变进入下游的水沙及洪水过程,中小洪水持续时间将更长,今后游荡性河道如何整治是一个非常重要的课题。本文通过模型和原型资料的对比,对已建整治工程布局中存在的问题及工程对中小水的适应性等进行了分析,同时对新形势下游荡性河段河道整治设计流量、设计河宽及新型河道整治工程状况下排洪河宽的计算等问题进行了分析和初步评议。关键词河道整治工程设计整治流量整治河宽排洪宽度1概述黄河下游河道整治工程已有300多年历史。1974年开始有计划有步骤地进行游荡性河道整治以来,修建了大量的控导工程,在确保下游防洪安全中起到了重要作用。“八五”期间,“黄河下游游荡性河道整治”专题1对游荡性河道整治进行了系统的总结和研究。目前黄河下游河道整治所采用的“排洪宽度、整治流量、整治河宽”等都是根据1985年以前的水沙资料统计分析得出来的。1985年以后随着黄河上游清水来源区水资源的日益开发,进入下游的基流大幅度减小,水少沙多的矛盾更加突出,黄河下游河道状况进一步恶化。随着国民经济的发展,今后黄河两岸引水量将有增无减,沿程基流会更加减小。近几年,中小流量的持续作用,不少工程出现多次靠河现象,使本来迎送溜关系较好的控导工程对河势的控导作用大大削弱。黄科院的模型试验结果,也使我们不得不对游荡性河道整治有关问题重新认识。小浪底水库建成后,将改变进入下游的水沙及洪水过程,中小洪水和高含沙洪水出现机率将大大提高。本文作者曾经对天然实测资料进行回归分析,得出过水断面面积关系式2ABH0073Q121/1SV0204SV21由上式看出,在来流流量一定的前提下,含沙量较小时,过洪断面面积因河槽冲刷、过洪宽度大幅度减小而为一较小值;一般挟沙水流时,过洪断面面积则随含沙量增加而增加主要是河槽宽度增加很大所致;但含沙量大于200KG/M3后,洪水逐渐呈高含沙水流特性,河槽因大量泥沙淤积而使过洪面积大大减少。同时,由上式也可看出,如果来水偏枯,造床流量减少,河槽过洪断面将大大减小,这也正是近些年黄河下游河床萎缩的原因所在。目前的河道整治工程能否适应今后的水沙过程,已经成为黄河下游急待解决的一个重大问题。我们延长了最近十年的实测水沙系列进行统计分析,对黄河下游游荡性河段的河道整治问题取得了一些粗浅认识,提出来,意欲起到抛砖引玉的作用,希望对这一问题能够引起重视并进一步深入探讨。2新形势下黄河下游游荡性河段河道整治设计流量浅析黄河下游河道以中水整治为原则,其工程设计流量的选择取决于造床流量。本文根据1973~1996年24年水沙系列,采用多种方法综合分析了游荡性河段的造床流量,并对小浪底水库修建后河道整治设计流量问题进行了分析和预估。21平滩流量法3目前黄河下游常采用水位与河漫滩相齐平的流量作为造床流量。表1是花园口至夹河滩断面1987年以后平滩流量分析结果,由表看出,花园口、夹河滩两站平滩流量明显减小。表1黄河花园口、夹河滩站平滩流量分析结果BANKFULLDISCHARGEATHUAYUANGKOUANDJIAHETANSTATIONS年份198719881989199219941996花园口430036004700330040003500夹河滩3300350031003700300022输沙能力法我们曾对黄河下游造床流量计算方法进行对比分析,并提出了输沙能力计算方法3,4。引入水流挟沙力S,视QSPM最大时所对应的流量为造床流量。P为汛期各级流量出现的频率,其中水流挟沙力S采用文献5提出的通用公式计算。该方法引入S后,使造床流量的计算,不仅考虑了流量过程,而且反映了含沙量大小、水流强度及泥沙粗度对造床作用的影响,显然从概念上更完善一些。取M06,根据1973年~1996年黄河下游花园口、夹河滩水文站实测资料,分别计算各流量级相应的QSP06,点绘于图1。可以看出,花园口、夹河滩站的造床流量分别为4000M3/S和3000M3/S,该流量出现的频率约3汛期出现的频率约102。图1黄河下游花园口、夹河滩造床流量分析结果(输沙能力法)DOMINANTDISCHARGEATHUAYUANKOUANDJIAHETANONTHELOWERYELLOWRIVER图2平滩流量Q平与输沙能力计算结果Q造对比COMPARISONOFBANKFULLDISCHARGEWITHTHATCALCULATEDBYSEDIMENTTRANSPORTINGCAPACITYMETHOD用此方法计算1992年、1996年花园口和夹河滩的造床流量分别为3500M3/S及2500M3/S,比一般水沙条件下求得的造床流量小了很多。图2为1973年至1996年之间平滩流量与输沙能力计算的造床流量,对比后23新形势下游荡性河道整治设计流量的选取河道整治工程一旦兴建就无法改动,它要求一个相对稳定的设计流量。设计流量的选择,必须考虑将来的水沙变化,使整治工程在相当时期内最大限度的适应不同水沙条件。因此,正确预估小浪底水库修建后,下游水沙条件及平滩流量的变化,显得非常重要。小浪底水库修建后,将控制黄河花园口以上流域面积内95的来水,根据设计院提供的小浪底水库运用方案,水库下泄水流主要以中小水为主。黄科院开展的“小浪底枢纽拦沙期游荡性河段河道整治模型试验研究”6及“花园口至东坝头河段小浪底枢纽正常运用期河道演变模型试验研究”6结果表明,经过小浪底水库下泄清水期对河道的冲刷之后,主河槽过洪能力将有所增大,目前1300M3/S流量水位可过流3000M3/S~5000M3/S洪水;25年正常运用期运用之后,平滩流量一般为4000~5000M3/S。因此,根据以上分析目前以至今后黄河下游游荡性河段河道整治工程的设计流量,考虑与以前河道整治设计流量相衔接,选取4000M3/S较合适。3河道整治设计河宽的确定胡一三等在“黄河下游游荡性河段河道整治”中明确提出了今后游荡性河道的整治原则为防洪为主、统筹兼顾;中水整治、洪枯兼顾1。确定中水流路治导线是游荡性河道整治的核心,那么中水流路的整治设计河宽是确定河道整治治导线必不可少的要素之一。小浪底水库的修建将改变黄河下游的来水来沙条件。吴宾格在“河道整治小弯方案探讨”一文8中,为确定流量减小后的治导线宽度,利用黄河花园口、夹河滩、高村三站资料,点绘出B/Q与SV关系,认为,在造床流量减小后,河道整治宽度应减小,小弯方案可用于新形势下的游荡性河道整治之中。目前黄河下游东坝头以上河道整治设计河宽一般采用1200M,东坝头至高村河段采用1000M。现行河道整治设计河宽是否能够适应新时期本河段河床演变状况,已成为黄河下游面临的现实问题。31稳定河槽宽度稳定河槽宽度即河道处于动力平衡条件下的河宽。从长时期来看,河流总是不断地向形成稳定河槽宽度的方向调正。张海燕提出了在以流量Q和输沙率QS为自变量的冲积河道趋向于调整和建立其宽度、水深和比降以满足RQJ最小9。按照这一思路,本文采用张红武输沙能力公式、曼宁阻力公式等约束条件,计算了黄河下游游荡性河段在输沙平衡条件下,含沙量在30~120KG/M3、比降在019‰~020‰的范围内,不同流量相应的稳定河宽,计算结果如图3。可以看出,本河段相应于4000M3/S流量的稳定河宽为600M左右。图3各流量与相应稳定河宽的关系RELATIONSHIPBETWEENDISCHARGEANDCORRESPONDINGSTABLECHANNELWIDTH32整治设计河宽321类比模范河段法确定设计河宽根据黄河下游实际情况,胡一三等1选择花园口、夹河滩两水文站,点绘了水面宽B与流量Q的关系图,由此求出4000M3/S流量相应的水面宽,花园口站为700M~1500M,均值为1050M,夹河滩站为650M~1270M,均值为900M。我们在该图补充最近几年的点子,其值均在平均线以下。322统计法确定设计河宽胡一三1等人采用统计法确定设计河宽,统计了三门峡水库建成后前天然情况下黄河游荡性河段大洪水时的平均主槽宽度,变化于1000M~600M之间。我们统计了1983年至1997年黄河下游游荡性河段下古街至杨小寨大断面的主槽宽度,而且统计了1992、1994年进行的“928”、“828”型及“58”型大洪水物理模型试验测得的主槽宽度。主槽平均宽度变化于639M~914M之间。323水力学计算法确定设计河宽设计河宽与设计流量是密切相关的,二者的关系可通过曼宁流速公式与水流连续方程联合求解。设计流量采用4000M3/S;主槽糙率取001;分别计算花园口、夹河滩、高村断面的设计河宽为976M、945M、775M。朱太顺采用花园口、夹河滩及高村断面实测资料,点绘了(BD50)05/H与S/S之间的关系图,表明BD5005/H随S/S的增大而增大,由此给出了如下量纲和谐的经验关系式10BD5005/H007800232S/S00695S/S22上式与曼宁流速公式和水流连续方程联解,选取花园口至夹河滩河段的设计流量Q设4000M3/S、比降J000025、糙率N0009、床沙中径D5001MM,求得S/S02~14条件下的设计河宽B645M~1316M。取其平均值,B9805M,与上述统计结果也比较接近。324游荡性河段整治设计河宽的确定根据以上分析,考虑到小浪底水库修建后,下游河道将冲刷下切,花园口至高村河段设计河宽可适当降低,为了与现行河道整治设计河宽1200M相衔接,东坝头以上可选取1000M,东坝头至高村可适当降低为800M。4关于黄河下游河道排洪河宽问题4.1小浪底水库修建后黄河下游排洪河宽的确定胡一三在“河道整治中的排洪河槽宽度”一文中11就黄河下游河道排洪河宽的定义及确定方法进行了详尽的介绍,认为“按照规划进行河道整治后,一处河道整治工程的末端,至上弯整治工程末端与下弯整治工程首端连线的距离,称为该处河道整治工程的排洪河宽BF,如图4所示。在排洪河宽范围内除在大洪水时有足够的宣泄洪水能力外,中小洪水及一般流量时还应有一定的滞沙宽度,以免增加下游窄河段的淤积负担,同时要防止大洪水时因BF过小,弯道段出现水流反弯现象指凸凹岸左右易位,以免打乱以下河段的流路。基于此,我们统计了1957年以来所有大洪水黄河花园口、夹河滩、高村三站水力因子变化,从中可以发现,主槽平均过流量分别达到8954、9796、829,平均河槽宽度只有971M、1177M、808M,主槽平均单宽过流量为989M2/S、894M2/S、103M2/S。据此推算小浪底水库运用后,黄河下游百年一遇洪水时花园口流量15000M3/S、夹河滩流量14500M3/S、高村流量12300M3/S,相应的排洪河宽分别为1500M、1300M、1200M。图4排洪河槽宽度示意图SKETCHOFCHANNELWIDTHFORFLOODDISCHARGING图5典型年洪水与主槽流速关系RELATIONSHIPBETWEENFLOODDISCHARGEANDFLOWVELOCITYFORTYPICALYEARSINMAINCHANNEL为进一步说明主槽过洪的主要特征,点绘主槽过流量与主槽流速关系图512,可看出主槽流速随其过流量增加而增大,说明黄河下游河道主槽过流能力尚有潜力。42采用潜坝工程结构后河道排洪宽度可减少经过多年的实践与探索,潜坝在黄河下游河道整治工程中已引起重视,比较适合黄河的水沙变化与河床演变特点。黄科院几年来对黄河下游新型工程结构潜坝的多种裹护方式进行的防护效果试验表明坝体漫水后冲刷坑大幅度后移,而且漫坝水越过坝顶以后,快速分散,坝后水流流速急剧减小,极大地限制了坝后冲刷坑的继续刷深和扩大,防护效果非常明显。同时潜坝对主河槽中的水流仍然具有较大的约束和送溜能力,仍然可以起到控导工程送流段送溜的效果。潜坝过水后,坝上水深可达2M以上,和河道主槽一样过流,因此,计算排洪河宽时,应该计入或部分计入潜坝本身所占去的河道宽度,不可以坝体末端作为计算排洪宽度的依据如图4中B1F。
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