水利工程论文-高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点及机理分析.doc

水利工程论文-高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点及机理分析摘要：黄河下游游荡型河道河床逐年淤积抬升的众多影响因素中，高含沙洪水起着十分重要的作用，本文根据概化模型试验结果和野外实测资料，分析了高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点，特别提出窄深河槽一方面由高含沙水流自身塑造，另一方面游荡型河道中由高含沙水流塑造的窄深河槽又表现出相对的不稳定性。关键词：游荡型河道高含沙水流河道演变1黄河高含沙水流对游荡型河道演变的重要作用黄河下游游荡型河道河床的逐年淤积抬高和平面上主流的游荡多变是造成下游防洪威胁的重要原因之一，而其根源和问题的关键则是泥沙问题，在泥沙问题中，高含沙水流又起着十分重要的作用。据资料统计分析1，黄河三门峡站19501977年出现的11次高含沙量洪水，历时仅104天，来水量、来沙量分别只占同期总量的2.2%和15.5%，但造成的河道淤积量却达37.3亿吨，占同期淤积总量的57%，可见淤积在下游河床上的泥沙，大部分来自高含沙水流。另外，这11次洪水不仅含沙量高，而且粒径粗，泥沙主要是来自中游黄土高原的粗泥沙来源区，粒径d0.05mm的一般占全沙的40%以上；不仅淤积量大，而且淤积强度也大，平均每天淤积18801046100104t。由于流量不大，这些粗沙主要淤积在河槽中，难以被水流挟带冲走，给治理造成很大困难。过去的实践及研究成果均表明2，3，4，漫滩高含沙水流常造成游荡型河道的槽冲滩淤和整个河段的严重淤积，其剧烈程度远大于一般挟沙水流，特别值得注意的是漫滩高含沙水流所形成的主槽，往往并不稳定，有时伴随冲刷滩地发生滚河现象，一次滚河幅度可达数公里左右。另外，根据资料分析，由于黄河中上游干流水库的兴建和蓄清排浑方式的运用，以及不合理的用水用沙，黄河来水来沙的发展趋势可能使高含沙水流出现的机会越来越多。关于游荡型河道的演变规律和高含沙水流引起的冲淤演变特点，过去的研究成果很多，取得了显著进展，但由于问题的复杂性，有些问题仍应进一步探索，特别是滩槽冲淤的机理和窄深河槽的稳定性。2试验概况研究采用理论分析、模型试验和实测资料分析相结合的方法。图1给出了具有代表性的游荡型河道宽滩窄槽的横断面形式，图2为概化模型的平面布置，模型全长30m，槽宽0.45m，滩地宽1.27m，滩槽高差0.1m，床面纵比降为1/500。图1游荡型河段横断面及其概化Generalizedchartofthetransversesectionofthebraidedreach图2概化模型平面布置示意图Planesketchofthegeneralizedmodel试验采用黄河花园口的淤泥，其中值粒径d50=0.03mm，d0.01mm的细颗粒泥沙占10%。表1试验水沙条件Flowandsedimentconditionoftheexperiments组次流量(l/s)含沙量(kg/m3)放水历时(min)116.04165.090222.03256.060325.05430.040411.26256.040试验中模拟高含沙量洪水过程，从涨水到退水共4个流量级，试验的水沙条件见表1。放水前先在定床上施放平滩高含沙水流，主槽内发生淤积，待其塑造出相应的动床河床形态后，以此地形为起始河床的边界条件，再按表1的水沙条件放水。试验中观测了滩槽的流速和含沙量分布、床沙和悬沙粒径变化、水位和比降变化过程、断面的形态变化等。3滩槽冲淤演变过程根据试验观察及上述资料的分析，在本文的模型试验中，滩槽冲淤演变具有以下特点：(1)滩地流速(Uf)均小于主槽流速(Um)，其比值随含沙量增加而增大，如当S分别为165、256及430kg/m3时，相应的Um/Uf分别为1.96、3.24及8.0左右；含沙量越大时，滩地相对主槽而言淤积愈多，Sf/Sm愈小，见图3。(2)主槽含沙量及粒径均大于滩地值，Sm/Sf变化于1.11.8之间，与过去的研究所显示的黄河高村以上河段的Sm/Sf=1.5相一致。表2列出模型滩槽水流中泥沙粒径的对比。(3)在来水量和含沙量不变的条件下，水位变化有先升后降的趋势，这显然与河床的冲淤变化有关。开始，河床发生淤积，过水断面减小，水位相应抬升；水位抬升使流速和比降加大，本断面转淤为冲，水位又开始下降，如图4所示。比降的变化列入表3。比降变化与水位变化基本相应，且有随含沙量增大而增大的趋势。图3Sm/SfUm/UfRelationbetweenSm/SfUm/Uf图4水位变化过程Variationprocessofflowstage(4)在不同试验组次的水沙条件下，滩槽断面形态的变化与滩槽的冲淤有关。滩地的淤积厚度沿程逐渐减小，见表4。滩地淤积沿横向的分布规律是除滩槽交界处形成滩唇外，其余地带因模型中滩地过窄而淤积厚度差别不大；来水含沙量越大，同一断面的淤积厚度也愈大，见表5。表2滩槽泥沙粒径对比Contrastofparticlediameteronfloodplaintoinmainchannel试验组次取样编号滩槽D50(mm)d0.01含量(%)D50(mm)d0.01含量(%)Q=16.04l/sS-110.125430.0275S=165kg/m3S-610S-00.015530Q=25.05l/sS-130.025510S=430kg/m3S-10.03410S-140.027510表3比降J变化过程Variationprocessofslope(J)历时(分钟)010122030354042606590平衡比降()含沙量(kg/m3)S=1651.713.483.723.653.033S=2565.464.14.174.314.313.964S=4301.883.954.64.6表4不同流量级各断面淤积厚度单位：cmCrosssectionaldepositionsheightondifferentdischarges断面号1234含沙量(kg/m3)S=1654.672.82.6S=2566.72.52.32.7S=4309.48.18.58.8表5滩地淤积厚度横向分布单位：cmTransversedistributionheightonfloodplain含沙量(kg/m3)断面号距滩槽交界面距离(cm)2060100S=16515.04.54.532.82.82.844.01.21.6S=43019.59.29.529.37.57.539.58.08.049.49.08.0(5)在第一、二级流量和含沙量条件下，滩地与主槽均发生严重淤积，滩地淤厚大于主槽；含沙量越大，滩槽淤积量也越大。主槽淤积过程中(局部也发生冲刷，但总的是淤积)，断面形态逐渐向窄深发展，最深处已接近原定床，如图5；在第三级流量下，主槽已发生冲刷，断面进一步向窄深形态发展，同时在平面上深槽沿程表现为S形，即由右边过渡到左边又转向右岸(见图6)，这说明在高含沙水流条件下，深槽具有摆动性。图5不同含沙量下断面形态的变化Variationofsectionformwithdifferentsedimentconcentration图6断面形态沿程变化Variationofsectionalformalongtheflowcourse4高含沙水流条件下滩槽冲淤机理分析游荡型河道滩槽冲淤演变规律过去的研究成果很多，认识也较一致，即挟沙洪水漫滩后由于滩地糙率大，水深小，流速较小，水流挟沙力很低，滩地发生严重淤积；而主槽由于水流集中，且阻力较小，流速和挟沙力均较大，所以发生冲刷。特别是游荡型河道在纵向上多呈宽窄相间的形态，当滩地淤积后的清水流回下游窄河段的主槽中时，主槽不仅流速大，且水流含沙量小，所以便发生剧烈冲刷，这便是游荡型河段滩槽泥沙交换和槽冲滩淤的演变规律。但对高含沙水流条件下，游荡型河道滩槽冲淤演变规律的新特点，则研究相对较少。天然实测资料及室内试验资料均表明，水流含沙量越大，泥沙粒径越粗，含沙量垂线分布越均匀，直到无分选沉降的伪一相均质流6。高含沙水流滩槽冲淤演变规律和来水来沙条件、水流的性质有关。在一个洪峰过程中，含沙量及粒径沿垂线的分布是变化的，当流量上涨时，若含沙量相对较小，泥沙粒径较细，含沙量及粒径沿垂线的分布较不均匀，由于水流比降增大，流速及紊动强度均较大，主槽的挟沙力很高，便发生冲刷，此时进入滩地水流的含沙量及粒径虽也相对较小、较细，但由于滩地阻力大，流速减小，而挟沙力与流速的高次方成正比，所以水流的挟沙能力锐减，因而滩地发生严重淤积；随着洪峰上涨，含沙量及粒径变大，沿垂线的分布也趋于均匀，这时，主槽水流由于单宽流量、比降和流速均很大，挟沙力更高，