水利工程论文-橡胶坝底座对河流弯道段水沙运动影响的分析.doc

水利工程论文-橡胶坝底座对河流弯道段水沙运动影响的分析摘要：本文以延河人工湖工程为研究对象，对人工渠化河流弯道段修建充水式橡胶坝工程后，橡胶坝底座引起河道水流流态及横向流速分布、河床演变和河道洪水位等水沙运动规律的变化进行了试验研究。试验发现，在橡胶坝工程修建后，橡胶坝底座对坝址上下游一定范围内的河道横断面横向流速分布、河床冲淤变化及河道沿程洪水位均具有一定的影响，影响的程度及范围随着河道洪峰流量的增大而加大；在河道凹岸支流有洪峰入汇的情况下，由于支流的顶托作用，在一定程度上，减弱和消除了橡胶坝底座对水流、泥沙运动规律的影响。关键词：模型试验橡胶坝水流流态河床演变洪水位流速分布1延河及延河人工湖工程概况延河是黄河的一级支流，发源于白于山南坡的安塞县镰刀湾，延河人工湖工程位于延安市区延河干流的中游段。延河干流的中游段，上起安塞县龙安村，下至延长县卷烟厂，全长134km，流域面积5414km，河道平均比降2.35；在延安市上游，有支流西川河汇入，在延安市区延河大桥下游200m左右，南川河从延河右岸汇入。南川河河道全长24.2km，平均比降8.5，流域面积431km。在延河干流上，距人工湖工程(上游)5km的杨家湾村，从1958年设立杨家湾水文站，后来称为延安水文站。延安水文站控制流域面积3208km，具有建站以来连续的实测洪水资料。实测资料统计表明：延河属于降雨补给型河流，多年平均降雨量550mm；且降水量年内分配不均，在7、8两月径流量占全年径流总量的40%以上；年际变化也较大，多年平均径流量为1.412亿m3，实测最大年径流量为3.109亿m3(1964年)；多年平均洪峰流量为820m3/s，实测最大洪峰流量为7200m3/s(1977.7.6)；延河又是一条多泥沙河流，流域内植被稀疏，且山高坡陡，洪水暴涨暴落，输沙量年内分配极不均匀，69月输沙量占全年输沙总量80%左右，且这4个月内的输沙量往往只是由几次洪水来输移的，个别场次洪水的输沙量可占到全年总输沙量的1/31/2；多年平均侵蚀模数1.4万t/km2，多年最大侵蚀模数4.26万t/km2(1977年)；多年平均含沙量314.2kg/m，最大含沙量1560kg/m；多年平均悬移质输沙量4480万t，推移质无实测资料。在西川河支流上，距人工湖工程(上游)14km的枣园，从1971年设立枣园水文站，枣园水文站控制流域面积719km。据枣园水文站1971年1989年19年的统计资料分析：枣园水文站多年平均径流量2478万m3，多年平均输沙量407.13万t；且水沙量年内分配不均匀，尤其是沙量年内分配极不均匀，7、8两月水量、沙量分别占全年总量的45%和80%以上，69月沙量占全年总量的98%以上。南川河无水沙实测资料。在延安市区内，延河及南川河均是人工渠化的砌石护坡河段，边坡比为10.210.5。市区内延河河宽一般为120150m，最窄处80m，河床床面与堤顶间的高差约79m，河道比降大，洪水期河槽平均流速在4m/s以上，水流冲刷力强，河床泥沙级配较粗。据延河大桥到坝址之间河床现场取样分析结果可知，河床中值粒径32mm，最大粒径在300mm以上。延河人工湖橡胶坝坝址选在宝塔山脚下的延河大桥下游约320m处，处于延河弯道末端，上游100m左右为延河与南川河交汇区。据设计文献介绍，延河人工湖橡胶坝的设计原则是：为尽可能不改变原河道过洪断面，除冲沙闸闸墩和橡胶坝中墩、边墩高出河床高程3.5m外，橡胶坝底座高程与原河床凹岸最低点同高，其高程为949.5m，坝底座沿水流方向的长度为20.8m，又考虑到左右岸长期淤积，故左右岸靠河堤各设15m浆砌石滚水坝，坝顶高程952.00m，右岸滚水坝的左端设一宽3.0m、高3.5m的冲沙闸，闸底板高程为949.00m；大坝主体为充水式橡胶坝，坝长118.7m，坝体分为两段(见图2)。在非汛期充水运用时，坝顶高程为952.1m，可形成回水长度1.3km，蓄水量约20万m3。2模型设计与验证模型设计为(几何比尺为)160的正态动床模型，模拟范围包括坝址上游2.7km及其下游0.7km的河段。由于原型沙较粗，模型沙可选用天然沙，这样，模型沙与原型沙具有相似的阻力特性和运动特性，并能用同一公式所描述。因此，当模型几何条件和水流条件与原型相似的情况下，模型沙与原型沙的起动、输移等相似条件也随之满足。根据散粒体泥沙起动流速公式，可求得泥沙粒径比尺为160；并依此粒径比尺，按照原型沙级配曲线(d50=32mm)求得模型沙级配曲线(d50=0.53mm)。根据泥沙输移相似条件及河床变形相似条件，可求得单宽输沙率比尺及冲淤时间比尺。模型的验证情况表明，在延河人工湖工程修建前后，模型与原型实测水位符合良好；河床冲淤变形虽没有实测资料，但从河道主流流向、冲淤部位及其演变情况来看，模型与原型也较为相似。因此，可认为：模型设计是正确的，试验结果是可信的。并且，试验结果得到了有关方面的认可。在模型试验中，分别模拟了工程修建前后，河道来流量为3800m3/s、4700m3/s和5400m3/s(即二十年、三十年和五十年一遇洪峰流量)以及延河来流量为4700m3/s时，南川河同时来流量为965m3/s(接近南川河二十年一遇的洪峰流量1100m3/s)等频率洪峰流量的组合试验。3试验结果与分析讨论3.1橡胶坝底座对坝上下游水流流态及横向流速分布影响的分析从模型试验情况来看，在工程修建前后，同样频率洪峰流量的水流流态变化不大，且具有一定的相似性。以三十年一遇洪峰流量试验情况为例，工程修建前后的水流流态及流速分布情况见图1、图2。从图1、2可知，在延河大桥(三孔拱桥)下游的顺直河段，河道受桥孔作用和影响，在工程修建前后的河道中，均形成了清晰可见的三股水流；在凸岸边滩滩嘴(S30)断面的下游，各断面横向流速分布也具有很好的规律性，且工程修建前后的横向流速分布具有一定的相似性，但工程修建前后的各断面垂线平均流速值发生了变化。在S30断面，工程修建前后的最大垂线平均流速均靠凸岸，从河道的凸岸到凹岸，河流垂线平均流速基本上是依次减小；在橡胶坝上下游附近，河流最大垂线平均流速居中，且工程修建后的断面平均流速大于工程修建前的断面平均流速；再向下游，工程修建前后的几股水流均顶冲凹岸，并靠凹岸流动。3.2橡胶坝底座对坝上下游河床冲淤变化影响的分析3.2.1在南川河无洪峰入汇的情况下，从延河人工湖工程修建前后坝上下游的河床冲淤变化可以看出，在橡胶坝上游，工程修建前后各级频率洪峰流量的河床冲淤变化均具有相似的特征：其一，在橡胶坝上游的S30断面以上，工程修建前后的河床冲淤变化差异不大，且床面均还没有形成凹岸冲刷凸岸淤积的形态；其二，在坝上游的S32断面，床面均呈现出右岸冲刷左岸淤积的雏形，且工程修建前的右岸冲刷左岸淤积的强度均较工程修建后的强度略大；而且越接近坝轴线，工程修建前后的右冲左淤形态差别越大，在坝轴线断面，差别达到最大；此外，这种差别随着流量的增大而增大，见图3。在河道来流量为3800m3/s时，工程修建后的河道右岸床面较工程修建前的原河床右岸床面高出部分的面积约100m2，而左岸河床床面较工程修建前降低部分的面积约40m；当河道来流量为4700m3/s或5400m3/s时，工程修建后的右岸床面较工程修建前的原河床右岸床面高出部分的面积为140m2200m2，而左岸河床床面较工程修建前降低部分的面积约100m。图1工程修建前三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)坝上下游水流流态及流速分布图Flowpatternandvelocitydistributionatarecurrenceof30yearswithaflooddischargeof4700m/sbeforethedambuilt图2工程修建后三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)坝上下游水流流态及流速分布图Flowpatternandvelocitydistributionatarecurrenceof30yearswithaflooddischargeof4700m/safterthedambiult在橡胶坝下游，工程修建前后各级频率洪峰流量的河床冲淤变化也具有相似的特征：其一，在坝下游60m范围内，受坝底座附近降水曲线影响，水流流速加大，因此，工程修建后的左右岸河床面均低于工程修建前的原河床面；其二，在S34断面，工程修建前各级频率洪峰流量的河床右冲左淤强度较大，形态较明显；在S35断面，则与之相反，工程修建后各级频率洪峰流量的河床右冲左淤形态则较明显；在S36断面，工程修建前后的河床基本上不再存在右冲左淤形态，冲刷主槽偏离右岸而基本上居中；其三，在坝下游450m的嘉岭桥附近，工程修建前后的河床冲淤形态基本一致，即橡胶坝底座对各级频率洪峰流量的河床冲淤影响在此断面已基本消失。图3工程修建前后坝轴线断面(床面)冲淤变化图Changesofcrosssectionatdamsite根据河流动力学理论及上述河床演变情况分析，在橡胶坝上下游一定范围内，工程修建前后河床冲淤情况发生变化的主要原因有两个：其一，由于橡胶坝底座存在，改变了工程修建前后各级频率洪峰流量水流流态及流速分布，使主流线顶冲凹岸的位置发生变化，从而使顶冲点上下游一定区域冲淤地形发生变化；其二，由于橡胶坝底座修建在弯道段，在工程修建前，原河流在凹岸冲刷形成一条冲刷槽，使一部分水流归槽流动；而在工程修建后，坝底座切断了原河床可动层的连续性及完整性，坝底座的一部分(较工程修建前凹岸河床面高的部分)实际上是一个具有固定高程的底槛，它不仅限制了橡胶坝上游凹岸床面可动层泥沙的起动，而且在一定程度上约束了弯道横向环流作用，致使坝上游凹岸部分冲刷槽消失或减小，凸岸泥沙淤积强度减弱。前述的第一个原因是导致坝下游工程修建前后河床冲淤情况发生变化的主要原因，第二个原因是导致坝上游工程修建前后河床冲淤情况发生变化的主要原因。从上分析可知，从河道过流能力来讲，橡胶坝底座有其不利之处，但若从河道稳定及凸岸引水等方面来考虑，橡胶坝底座也有其有利之处。这就是橡胶坝底座限制了河流对凹岸床面的下切，约束了水流的横向环流作用，使凸岸过流能力加大，并使凸岸床面冲刷下降。工程修建后的这一河床演变特征，不仅有利于河流凹岸河堤堤脚的稳定，而且使河流过流量在横向分布上较工程修建前更趋向均匀，由此为河流的弯道整治及凸岸引水工程等研究课题提供了一个新的研究方向。3.2.2在南川河有洪峰入汇的情况下，当延河来流量为4700m3/s，南川河来流量为965m3/s时，工程修建前后橡胶坝上下游河床冲淤变化情况与南川河无洪峰入汇的情况相类似，而且，在此情况下，橡胶坝底座对坝上下游河床冲淤变化的影响较南川河无洪峰入汇情况下的影响还小。3.3橡胶坝底座对河道各级频率洪峰流量沿程洪水位影响的分析从模型测验结果可知，各级频率洪峰流量的试验结果均有几个共同特征：其一，在坝下游450m的嘉岭桥断面，工程修建前后的同级洪峰流量的洪水位基本一致；其二，在延河与南川河汇流区下游，延河河道为弯道段，因此其右岸水位均高于左岸水位；其三，在弯道凹岸，每股水流顶冲点附近的水位明显高于其上下游水位；其四，S30断面为一特殊断面，其右岸水位基本上均高于其上游S28及S27断面右岸水位；而其左岸处于凸岸弯道转折点，因而其左岸水位基本上均低于其下游S31断面左岸水位；其五，在橡胶坝下游的一定范围内，工程修建后的各级频率洪峰流量的洪水位一般均低于工程修建前的同流量洪水位；在橡胶坝上游一定范围内，工程修建后的各级频率洪峰流量的洪水位一般均较工程修建前的同级流量洪水位具有不同程度的抬高。3.3.1在南川河无洪峰入汇的情况下，橡胶坝底座致使各级频率洪峰流量的水位抬高值在坝上游5080m达到最大，并由此向上游沿程递减；且坝上游水位抬高值及回水影响范围随着流量的增大而增大。在二十年一遇洪峰流量(3800m3/s)时，坝上游洪水位最大抬高0.3m，回水影响范围到坝上游300m左右；在三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)时，坝上游洪水位最大抬高0.30.5m，回水影响范围到坝上游700m左右；在五十年一遇洪峰流量(5400m3/s)时，坝上游洪水位最大抬高0.61.0m，回水影响范围到坝上游1500m左右。此外，由试验结果可知：延河王家坪大桥(坝址上游1500m左右)上下游河段，即使在工程修建前，也不具备二十年一遇洪水的行洪能力，因此，该试验结果为延安市城区河段堤防工程的规划设计提供了较为可靠的依据。3.3.2在南川河有洪峰入汇的情况下，由于南川河洪峰对延河洪峰的顶托作用，不仅使工程修建前后的水流流态及洪水位趋于平稳(同一侧点的水位波动值明显小于南川河无洪峰入汇时的水位波动值)，而且使延河大桥下游河道中的三股水流明显向左岸偏移，因此，在一定程度上消除和减小了橡胶坝底座对延河洪水位的抬高影响。从延河来流量4700m/s，南川河同时来流量965m3/s的实测资料来看，坝上游洪水位最大抬高0.2m，回