（农业水土工程专业论文）黑龙江省北部引嫩工程渠道冲淤成因及综合防治措施的研究.pdf

摘要 黑龙江省北部引嫩工程( 简称北引工程) 位于黑龙江省松嫩平原中部，地理位置在 杂建- 1 2 6 0 1 2 8 0 ，北纬4 6 0 4 8 0 之间。该工程是以满足大庆石油、化工用水为主，同时 解决沿线人民生活用水和灌溉部分农田的综合性大型水利工程。自1 9 7 6 年投入运行以来 产生了巨大的社会效益、经济效益和生态环境效益。充分体现了水利基础产业的重要作 用。北引工程运行2 0 余年来，渠道发生了很大的变化，主要表现在渠道的纵横方向都发 生了冲淤变形特别是渠道横向上的扩宽非常严重，一般冲宽了5 6 m ，严重处有超过 2 0 m 者。对于一个有着多种用途的输水渠道来说，输水能力是其生命的表现。然而对于 本文通过原型观测、资料分析、理论分析、室内试验对：l l 啊j i 渠道变形的成因和发生 机理进行了较为深入的分析研究，给出了造成北引渠道变形的八大原因：流水引起的变 形、渗透引起的冲刷、地表径流引起的冲刷、滑坡变形、干燥作用、人类和动物活动的 影响、风浪引起的冲刷、冻融侵蚀，并着重阐述了冻融侵蚀的机理。 本文通过理论分析、类比分析提出了北引渠道整治的综合防治措施，分析了各种措 施的防护机理，给出了具体实施的方法和步骤，并通过现场试验进行了检验。总的治理 原则是因地制宜地采取多种措施：( 1 ) 对流水引起的渠道变形，应遵循水流和泥沙的运 动规律，因势利导。对于输沙达到平衡、河床比较稳定又达到输水能力的渠段，可保持 现状；对淤积比较严重又影响输水能力的局部渠道，可进行适当疏浚清淤；对淘刷比较 严重的弯道凹岸进行工程护砌。( 2 ) 对于由渗透引起的冲刷要注重排水。( 3 ) 由于坡水 引起的冲刷，则需修建截流沟。( 4 ) 对于渠道塌坡、滑坡比较严重的渠段则需削坡和铺 砌护岸。( 5 ) 对于冻融和冻胀较为严重的渠段则宜采用削坡后铺碎石护岸；为减轻冻融 侵蚀，同时采取适当的调度方式。( 6 ) 对于渠道变形不剧烈的渠段，在马道上采取植树 种草等生物措施，防止渠道的侧向侵蚀。( 7 ) 随着新型建筑材料的发展，在北引渠道上 积极探讨固化剂护坡、膜袋护坡和绿化植生带护坡等新技术。以便在试验的基础上确定 经济实用的工程和生物护坡方案。 、， 关键词：l t b l 渠道蝴4 激积冻融侵蚀综合措施 f 日一 中 失 不 c 口的 程，。 乡过一页明型祈么理演于什治的行 有以查进没加丝嘀并施避一影力措沌一的 能治道移一 水防渠缒输取引业 下采北泥一 量时对对 流及型性计应模定设，学稳在全数的道安和态 渠的析形分岸分面 部堤料断 大及资， 管危、响尽已测影，宽观的 说拓型力来塌原能道坍用水渠向采过嫩横文对引的本态 部道 形 北渠 淤 。一。一。翟鉴氅兰堡璧鎏些篓鎏圣一。，。一。 a b s t r a c t t h en o r t hn e n j i a n gc o n v e y a n c ep r o j e c to fh e i l o n 西i a n g ( r 州c p ) i sl o c a t e di nt h e c e n t r a lo f s o n g - n e np l a i no fh e i t o n g j i a n gp r o v i n c e ，i nt h en o r t hl o n g i 。t u d e1 2 6 。1 2 8 。a n d e a s tl a t i t u d e4 6 。- 4 8 4 t h ep r o j e c ti sai n t e g r a ll a 噶ew a t e rc o n v e y a n c ep r o j e c tw h i c h m a i n l ys u p p l i e sw a t e rt od a q i n g o i lf i e l d ，c h e m i s t r yi n d u s t r i e s ，d r i n k i n gw a t e rf o rp e o p l el i v e n e a rt h ec o n v e y a n c ec a n a la n d i r r i g a t e s s o m ef a r m l a n d s s i n c e1 9 7 6 ，t h ep r o j e c tw a s c o m p l e t e da n dp u ti no p e r a t i n g ，i th a sm a d eg r e a ts o c i a l ，e c o n o m i c a la n db i o e c o l o g i c a l b e n e f i t i th a st a k e np l a ya ni m p o r t a n t r u l e d u r i n g2 0y e a r so p e r a t i n g ，n c ph a sg r e a tc h a n g e b e c a m eo ft h ee r o s i o na n ds e d i m e n t , s p e c i a l l yt h ec r o s ss e c t i o ne n l a r g e d ，g e n e r a l l yw i d t h e n l a r g e d5 6m e t e r st h a nn o r m a ls e c t i o n t h em a x i m a le x c e e d e dm o r et h a n2 0 m e t e r s f o ra m u l t i p u r p o s ec o n v e y a n c ep r o j e e lt h ec o n d u i tc a p a c i t yi sam o s ti m p o r t a n tf a c t o r a l t h o u g h t h ec a n a lc o n d u i t c a p a c i t yd o e sn o tc h a n g ev e r ym u c h t h a nd e s i g nd i s c h a r g e ，t h ec a n a le r o s i o n d u et om a n yy e a r ss c o u ra l r e a d yd a m a g e dt h ec a n a ls t a b i l i t y t h e r e f o r e ，t a k i n ge f f i c i e n t m e a s u r e ss h o u l dp r o t e c tt h ec a n a l 。 b ym e a n so fp r o t o t y p eo b s e r v a t i o n 。a n a l y s i sa n dn u m e r i c a lm o d e lt h ea u t h o ra n a l y z e d t h ec a n a ls c o u ra n ds e d i m e n tp r o c e s s ，t h ed i f f e r e n ts c o u ra n ds e d i m e n ta f f e c t e do nt h e d i s c h a r g ea n da f f e c t e do nm a t e r i a l sm o v e m e n ti nd i f i r e r e n tc r o s ss e c t i o n so f 斑ec a n a l 。 b ym e a n so fp r o t o t y p eo b s e r v a t i o n ，a n a l y s i sw i t hm a t e r i a l sa n dt h e o r i e s ，a n dl a b o r a t o r yt e s t ， t h ea u t h o rd e e p l ya n a l y z e dt h ec a u s e sa n dp r o c e d u r eo fc a n a lc r o s ss e c t i o ne r o s i o n a n d o b t a i n e d e i g h tc a u s e sw h i c hr e s u l t e d t h ec a n a ld e f o r m i n c l u d i n gf l o w , s e e p a g e , r u n e 最 c o l l a p s eo fb a n l c d r ye f f e c t ，h u m a na c t i v i t y , w a v ef l u s h ，f r o z e n 。a n dt h e ns t r e s s e dt od i s c u s s t h ef r o z e n p r o c e s s 。 t h r o u g ht h e o r e t i c a l l ya n a l y s i sa n dc o m p a r i n g ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e dt h ei n t e g r a l m e a s u r e st or e n o v a t en c p , a n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h em e a s u r e s m e t h o da n dp r o c e d u r e s ， a l lo fm e a s u r f sh a v eb e e nt e s t e di nt e s ts i t e ，t h e g e n e r a lr e n o v a t i o np r i n c i p l e i s t a k i n g v a r i o u sm e a s u r e sa c c o r d i n gt ot h el o c a lc o n d i t i o n s ，s u c ht h a t ：1 f o rf l o we r o s i o n ，m u s tt a k e m e a s u r et oc o n t r o lw a t e rf l o wa n ds o i lm o v i n gf o l l o w i n gt h ef l o wc o u r s e i nt h ec a n a lw i t h s a n dm o v i n gb a l a n c ea n ds t a b l e b e d ，m a yk e e pt h ec u r r e n ts t a t u s ；f o rt h es e d i m e n tc a n a l w h i c hs e r i o u s l yr e d u c e dd i s c h a r g e ，m a yp r o p e r l yc l e a ns e d i m e n t ；f o rt h es e r i o u s l ys c o u r e d c a n a l ，s u c ha sc u r v e dc a n a l ，s h o u l dl i n i n gt h ec a n a l 2 f o rs e e p a g e ，s h o u l dt a k ed r a i n a g e 3 。 f o r f l u s h i n gc a n a lb ys l o pr u n o f f , m u s tb u i l dt h ec u to f f d i t c h 4 f o rc o l l a p s ee r o s i o n ，s h o u l d m a k e g r a d u a ls i d es l o pa n dl i n i n gt h eb a n ko fc a n a l 5 f o rf r o z e ne r o s i o nt h eg o o dm e a s u r ei s t oc u ts l o pa n dl i n i n gw i t hc o a r s eg r a v e l ；m e a n w h i l e ，a d j u s tt h ec a n a lo p e r a t i n gt ol e s st h e f r o z e n 6 f o rs l i g h t l ye r o s i o nc a n a l ，c a np l a n tt r e e sa n dg r a s so nt h ed y k et o p r e v e n tt h e j a t e r a i e r o s i o n 7 f o l l o w i n gd e v e l o p m e n to ft h e n e wc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s t h en e w t e c h n o l o g yl sa l s ou s e di nn c ef o r s e l e c t i n gt h ep r a c t i c a la n de c o n o m i c a lm e t h o dt op r o t e c t i l t h e c a n a l ，t h en e wp r o t e c t i o n m e t h o d ss u c ha sc h e m i c a ls o l i dm a t e r i a l s l i n i n g ，b u r i e d m e m b r a n e l i n i n ga n dp l a n t a t i o nb a n kp r o t e c t i o nh a v eb e e n t e s t e di nt h ep r o j c o t m a s t e rc a n d i d a t e ：l i uy a n j u n s u p e r v i s o r ：p r o f l i uq i n g h u a p r o f y ub a i f a n g m a j o r ：a g r i c u l t u r a lw a t e ra n d s o i le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：n o r t hc o n v e y a n c ec a n a l ，s c o u ra n df l u s h ，s e d i m e n t f r o z e n e r o s i o n ，i n t e g r a l m e a s u r e s i i l 引言 1 引言 1 1 基本情况介绍 黑龙江省北部引嫩工程( 简称北引工程) 位于黑龙江省松嫩平原中部，地理位置在 东经1 2 6 。1 2 8 0 ，北纬4 6 0 4 8 0 之间 由渠首、乌北总干、乌裕尔河交叉工程、乌南总 干、萨尔图分干、红旗泡水库和大庆水库组成；自位于讷河县拉啥镇境内的渠首至位于 安达市境内的红旗泡水库，渠道全长2 4 2 k m ( 总干2 0 2 k m 。萨尔图分干4 0 k m ) ，跨越三个 地区( 嫩江、绥化和大庆地区) ，七个市县( 讷河市、富裕县、依安县、林甸县、青冈县、 明水县、安达市) ，如图卜1 所示。乌北渠道是按5 0 m 3 s ，建筑物是按7 0 m 3 s 设计和施 工的；乌南渠道是按3 0 m 3 s ，建筑物是按5 0 m 3 s 设计和施工的。目前渠道按引水流量 3 0 m 3 s 运行，扩建后引水流量将达1 7 0 m 3 s 。 北引i 程是以满足大庆石油、化工用水为主，同时解决沿线人民生活用水和灌溉部 分农田的综合性大型水利工程。自1 9 7 6 年投入运行以来产生了巨大的社会效益、经济效 益和生态环境效益。在大庆工业效益方面，供水使大庆石油管理局年均增加产值8 3 8 亿元，使大庆石化总厂年均增加产值4 亿元。在农业效益方面，使过去十年九旱的沿线地 区农业得到长足的发展，在以往认为水稻种植禁区的林甸、安达等盐碱地上种植水稻成 功。目前，引嫩灌区水稻种植面积已发展到1 3 9 万亩，改变了本地区的种植结构，使沿 线近8 0 的农户脱贫。在社会和生态环境方面，北部引嫩工程的运行极大地改善了沿线 地区的水质条件，对控制克山病、大骨节病起到了重要的作用。充分体现了水利基础产 业的重要作用。 北引工程运行2 0 余年来，渠道发生了很大的变化，主要表现在渠道的纵横方向都 发生了冲淤变形，特别是渠道横向上的扩宽非常严重，一般冲宽了5 6 m ，严重处有超 过2 0 m 者。对于一个有着多种用途的输水渠道来说，输水能力是其生命的表现。然而对 于北部引嫩渠道来说，尽管大部分渠道在设计流量下输水能力并没有什么明显的损失， 但渠道的横向坍塌拓宽已危及堤岸的安全，应及时采取防治措施加以治理。 1 2 研究的目的和意义 北引总干渠的设计流量和设计断面沿程是变化的。如在渠首至l l k m 渠段的设计流 量晟大为3 4 7 m 3 s ，设计渠底宽为2 8 m ；而乌南9 0 k m 以下设计流量为2 3 2 m 3 s 相应渠 道底宽只有1 0 m 。经过2 0 多年的运用，渠道断面形态发生了很大的变化。相对比较起来 渠道的横向变形更过于纵向的变化，也可以说北引总干渠的变化特点就在于渠道的横向 冲蚀异常严重，整个总干渠沿程各断面基本上都是冲宽的。不过乌北和乌南的情况还略 有不同；在乌北的8 1 k m 范围内，由于沿程地形、地质条件变化较大，故沿程各断面的冲 蚀程度也有大有小；而在乌南段，由于地形、地质等条件变化较为平缓，故断面的冲蚀 幅度也变化不大，一般均在5 1 0 m 左右，最大值可达1 4 m 。 整个渠道渠底沿程变化是较大的，有的渠段冲深，有的渠段淤高，有的冲淤相间或 东北农业大学工程硕士专业学位论文 图 f i g 1 1t h es c h e m a t i c p r o v i n c e 卜l 黑龙江省北部引嫩工程位置示意圈 d r a w i n go ft h el o c a t i o no fd i v e r s i o nw o r k si nn o r t hh k j 2 引言 _ _ - _ _ _ _ _ _ 置i i i 目g ! 变化不明显。在乌北o 2 2 k m 渠段冲淤相间乌北2 2 4 1 k s 则呈微淤状；乌北4 1 6 8 k m 渠段全程基本上都是淤高的，其中4 1 5 2 k m 一段淤高最为明显；自乌北0 8 k m 以下直至 乌裕尔河有冲有淤且冲淤幅度不大。在乌南段乌南o 2 9 k m 渠底基本是淤高的，但淤 高幅度不大，一般在0 5 m 左右；乌南2 9 k m 至总干渠末端渠底是冲淤交替的。 北引渠道渠首在嫩江采用无坝引水方式引水。嫩江属清水河道，最大含沙量仅 0 2 k g m 5 ，取水口下游嫩江江桥站多年平均含沙量为0 0 6 9k g m 3 。由于北引渠首位于江 道的凹岸，在弯道环流的作用下。流入引渠的是含沙量较低的表层水。根据渠首闸下l o o m 测量断面1 9 9 9 2 0 0 0 年的测量结果得知，从江道引水进入渠道的含沙量变化幅变为 0 0 0 3 0 0 3 7 7k g m 3 ，平均含沙量大约在0 0 1 8k g m 3 左右。可见，从嫩江进入渠道的 含沙量非常小渠道水流含沙量小于渠道水流的挟沙能力，渠道纵向输沙不平衡，造成 渠道冲刷，含沙量沿程将增加。其次，北引渠道流经广阔地区，乌裕尔河以北坡地为丘 陵漫岗区，乌裕尔河以南为广阔平原区。由于岗坡比降大，且多为坡耕坡，形成许多雨 洪小溪沟，沿程坡水挟带泥沙入渠，也将使渠道含沙量沿程增加。第三，总干沿程与通 南沟、乌裕尔河和双阳河交叉，交叉的形式基本上是平交和立交相结合，汛期河流水沙 进入渠道影响渠内水流泥沙条件。第四，北引渠道位于高寒地区，受当坡水及长时期的 封冻影响所发生的重力侵蚀和冻融侵蚀严重，渠道边壁塌坡或滑坡严重，在水流的挟带 下造成渠道含沙量沿程增加。 对国内大多数渠道而言，遇到的问题是从江河引入渠道的含沙量比较大，渠道水流 挟沙能力不够，泥沙沿程淤积含沙量沿程减少。如引黄渠道的重点问题是解决泥沙淤 积、如何实现泥沙远距离输送和引黄泥沙发何处理等。而北引渠道由于自身独具的特性， 渠道含沙量沿程增加。在促使渠道侧蚀发生的动力因素中，除部分处于弯道的断面，因 受弯道环流的影响常发生水流淘刷外，大部分是受当地坡水及长时期的封冻影响所发生 的重力侵蚀和冻融侵蚀。渠底淤积物的主要来源是渠道两侧的冲蚀坍塌以及坡水、交叉 工程带入的泥沙。本项目研究将为北引渠道冲淤变形的防治提出切实可行的措旋。同时， 本项目研究对正在规划中的北引扩建工程的设计，以及我国北方高寒地区引水工程的治 理和运用具有十分重要的指导意义。 1 3 国内外研究动态与趋势 世界上关于土壤的研究仅有6 0 年的历史，我国仅有4 0 年。目前，国内成果主要集 中在土木建筑工程的基础安全问题，国外成果主要源于一些理想条件下的室内试验。尽 管土壤冻融侵蚀是一种重要的土壤侵蚀类型，但人们对土壤冻融侵蚀的研究还远远滞后 于对其它几种土壤侵蚀类型的研究且集中于融雪产生的地表径流所形成的片蚀，而对 冻融侵蚀的研究更是鲜有发现。因此，本项目对北引渠道边坡的冻融侵蚀和渠道淤积机 理进行深入研究，提出防治对策，并在实际工程中实施，在国内是一个崭新的尝试。 1 4 课题的来源及主要研究内容 主要研究内容及采用的方法如下： ( 1 ) 冲淤形态的研究 采用原型观测、资料分析和数学模型对北引渠道冲淤形态的演变过程，不同冲淤形 态对过水能力的影响，断面形态的稳定性对泥沙输移的影响进行研究。 ( 2 ) 渠道侧向侵蚀机理的研究 通过原型观测、资料分析、理论分析、室内试验对渠道冻融侵蚀机理及冻土融化后 抗剪强度的变化原因进行分析研究。 ( 3 ) 治理措施的研究 通过理论分析、类比分析提出治理措施，并通过现场试验进行检验。 4 。一。一。一。，。，。鐾警鎏塑鉴丝，一一。，一。一一。一 2 工程 i ；c 况和自然条件 2 1 工缝概况 黑龙江省北部引嫩工程由渠首、乌北总干、乌裕尔河交叉枢纽工程、鹞南总千、萨 尔圈分干、红旗泡水库和大庆水库组成，全长2 4 2 k m ( 总千2 0 2 k mt 分千4 0 k m ) ；跨越 三个建区( 嫩江、绥亿帮大淡建区) ，七个委( 谪淫、鬻裕、旅安，棒诩、青岗、鹈承、 安迭县) 。鸟北渠道熬按5 0 m 3 s ，建筑物是按7 0m s 设计和施工的；乌南渠谴是按3 0 m 3 s ， 建筑物是按5 0 m v s 设诤和燕王豹。 2 1 1 渠首工獠 ；藩荣营抠缝z 援控予联建茳省遁嚣谪嚣雾羟蹬镇，主要有g l 瘩渠、分承鱼嘴、渠 道进水闸、进水同下游的防冲工程以及江道整治工程组成。 b i 水口设在嫩泼千流，讷河县拉啥镇嫩江渡口上游8 0 0 m 处，采用无坝引水形式。 遘求阐为竟矮堰，设计3 琵出流，每魏净宽6 ，总宽1 8 $ 。阐门务平援阐门，离3 5 甄 由兰台2 5 t 电动和筝动两用器扬机启闭。闸与引水口之间由4 2 5m 长的日l 渠连接，引水 角2 5 。，渠藏宽度3 3 m ，渠底嶷程为1 7 2 5 0 m 。为防止江道i 孛捌和塞瀛摆动，对； 水鞠上、 下游江遭避行了整治，护岸妖t 5 4 0 m 。 2 1 。2 总手渠工程 乌北总千2 2 k m 以上，设计渠道底宽为2 2 2 8 m ，设计水深2 m ，边坡眈为i ：3 ，纵眈降 i ：1 5 0 0 0 ：2 2 8 2 k i n ，设计水深2 3 m ，设计渠道底宽1 6 1 8 m 。边坡比1 ：2 ，纵比降为 1 ：1 5 0 0 0 ，犬舔分经避缓建，窍遴较多，鹞j 共存1 3 7 个弯递。 乌南总手o 1 1 3k m ，设计渠道底蹴为1 2 1 6 m ，设计水深2 3 2 8 挪，娩坡比为1 ：1 5 纵比降为l ：1 5 0 0 0 ，接有弯道2 2 个。 萨尔躐分手垒长4 0 k m ，设诗渠道底宽为1 2 m ，浚计承深1 9 2 4 m ，缀陇降为 1 ：1 0 0 0 0 1 ：1 2 0 0 0 ，按有弯道1 6 个。 2 1 3 交叉王稳 总干莱上重要的交叉工程有通南沟交叉、岛裕尔河交叉、双阳河西支和南支等四处。 逶糍淫交叉控裁流域嚣积1 8 4 2 k m ，二卡年一遴熬设津洪峰流餐2 0 2 蠢s ，采羯平窥缝 合交叉型式：乌裕尔河交叉控制流域面积9 6 6 0 k m 。，二十年一遇的设计洪峰流量1 9 2 0 m 3 s ，河滩宽十余公里。采用水库槊邀结合的警交型式：双阳河疆支和煮支交叉均采用 罕立交瑶会搿式。浚一方涵鞍溢流缓捧澄溪承，为耱盎取阳河滚承进入渠道。设鬟7 爷 制闸。 2 。 4 蘩承王羧 s 一。，蛮塑鳘垄兰型鐾型鐾垒垡二。一 红旗泡水库位于大庆龙风以东约1 2 k m ，库区面积3 5 k m 2 ，总库容i i 亿m 3 。枢纽工程 包括土坝、进水闸、泄水闸和提水泵站等。向大庆石油化工日供水量3 0 万t 。水库进行 年调节，工业要求常年不间断供水。在运用上，春夏秋三季随来随用，冰冻期采取十月 末以前蓄足水，以满足六个月冰冻期化工的生产用水。 大庆水库位于大庆萨尔图区以东约1 5 k m ，库区面积为6 0 k m 2 ，总库容1 0 3 亿m 3 枢 纽工程包括土坝、节制闸、进水闸和向大庆供水泵站组成，设计日供水量1 0 万t 。水库 运用是在春夏秋三季随来水随用，在十月末以前蓄满水库，以满足六个月冰冻期的石油 地下注水。 2 2 自然条件 2 2 1 气候 本区属半干旱气候区，冬季受到蒙古及西伯利亚气压影响，严寒少雪。夏季常受海洋 季风影响，温暖多雨。冬季严寒而漫长，地温很低，结冻期长达5 个月。年降水量4 0 0 5 0 0 m m ，蒸发量1 5 0 0 1 6 0 0 m ，降雨集中在7 9 月，占全年降水量的7 0 8 0 ( 见表2 1 ) ， 且多暴雨。春秋干旱，多风，降水少，空气干燥，蒸发强烈。 2 2 2 地质地貌 北部引嫩渠道位于松嫩冲积平原中部，地质构造上位于松辽凹陷第四纪下沉区。乌 北o i b k m 渠道地处嫩江左岸滩地，地表广布亚粘土和亚砂土。乌北1 8 8 1 k m 渠道位于 二级阶地前缘斜坡地带，微地形变化较大，表层为黄土状亚粘土。乌南o 3 2 k m 渠道位 于乌裕尔河一级阶地，局部地段切入河漫滩之中，地表广泛分布厚4 2 5 o m 的黄土状 粘土。鸟南3 2 u 3 k m 渠道地处闭流洼段，渠道位于厚层粉质粘土层上。萨尔图分千地 处闭流洼地，地形平坦，岩性均一；分干o - - 2 4 k m 渠道位于亚粘土层，分干2 4 4 0 k m 渠道座落于亚粘土、细砂和亚砂土层上。 表2 - 1 北引工程区域降水、蒸发特征流计表( 单位：i l i 口) 1 曲2 1q 翻r a c t e r i s t i c so fp r e c i p i m t i a n d 舒，a p o r a t i o f li nt l ea n ao f ”廿罔md i v e r s i mw o r k s 齐齐 地点讷河富裕林甸杜蒙大庆安达肇源 哈尔 年降水量 4 3 04 7 04 4 04 4 04 0 04 1 94 2 94 1 1 项7 8 月降水量 2 2 02 5 02 3 02 3 02 1 02 2 0 4 5 月降水量 4 85 45 44 74 44 5 目年蒸发量1 4 8 31 3 5 31 5 8 91 6 5 3i 7 5 71 5 9 71 6 2 4 无霜期( 天) 1 3 11 2 01 2 81 2 01 4 91 4 2 1 3 61 5 l 6 2 2 3 水文泥沙 北部引嫩渠道的水文泥沙条件较为复杂。渠道在嫩江干渠引水，引水1 2 1 处嫩江控制 流域面积为1 0 6 6 6 0k m 2 ，汛期( 6 9 月) 多年平均流量为1 2 2 4 m 3 s ，江水较清澈，属少沙河 流。取水1 3 上游阿彦浅站多年平均悬移质输沙量为4 6 万t a 取水口下游江桥站多年平均 悬移质输沙量为1 4 3 万t a 主要集中在汛期。与 水工程有关的主要是底部推移质泥 沙远动总干渠沿程与通南沟、乌裕尔河、双阳河交叉，交叉的型式基本是平交和立交 相结合，汛期河流水沙进入渠道，影响渠内水流泥沙条件。北引渠道大部分流经坡地， 坡水量较大，坡面水沙对渠道的影响不容忽视。 东北农业大学工程硕士专业学位论文 3 渠道冲淤变化 3 1 冲淤量沿程分布 北引总干渠经过2 0 余年的运用，渠道纵横向都发生了很大的变化。由于受干渠沿 程地形、地质及气候等条件的影响，渠道的冲淤变形是极其复杂的。现根据1 9 7 5 年和 1 9 9 8 年实测资料分析比较如下： 从总的情况看，总干渠沿程的冲淤变化，乌北段与乌南段的情况有所不同。由于乌 北段所处地带的地形、地质条件比较复杂，受弯道及坡水的影响较大，故沿程断面的冲 淤变化比较剧烈；而乌南段由于地形比较平缓，渠道也较顺直，故断面冲淤比较单一， 沿程主要是以冲蚀为主。 从冲淤总量来看，全干渠冲淤累加的结果是冲蚀1 0 1 7 0 0 0 m 3 。这里所说的淤积或冲 蚀不是单指渠底的淤高或刷深，而是指某一断面在同一水位下过水面积的减少或增加： 过水面积减少的是断面发生了淤积，反之则是断面发生了冲蚀。 整个乌北段的冲淤基本上是平衡的，全乌北段总的冲蚀量仅3 1 0 0 0 m 3 。但各段是有 冲有淤而且有的渠段冲淤还很剧烈。( 1 ) 由渠首到2 2 k m 一段，主要处在嫩江左侧滩地 上，沿程有冲有淤但以淤积为主，全段淤积总量为1 5 4 0 0 0 m 3 ，全段平均损失过水面积 ? m 2 。在这一渠段中，以7 9 k m 及1 9 2 2 k m 渠段淤积最为严重；其中，7 8 k m 淤积3 9 4 0 0 m 3 ，1 9 2 2 k m 之间淤积4 2 6 0 0 m 。( 2 ) 2 2 4 1k m 一段虽然也是有冲有淤，但主要是冲蚀 的。本渠段共冲蚀1 1 6 0 0 0 m 3 ，平均增加过水面积6 1 m 2 。( 3 ) 4 1 5 2 k m 渠段基本上都是 淤积的，全段共淤积3 0 6 0 0 0 m 3 ，全渠段平均损失过水面积2 7 8m 2 。( 4 ) 从5 2 k m 到6 7k m 一段呈冲淤交替状，全段累积略有冲蚀，共冲8 3 0 0 0 m 3 ，平均断面扩充5 5 m 2 。( 5 ) 自6 7 k 。以下直至8 1k 全程都是冲蚀的，本段共冲2 9 2 0 0 0 = 3 ，平均增加过水面积5 5 m 2 。 全乌南段总的冲蚀量是9 8 6 0 0 0 m 3 。过水面积平均增加8 7 m 2 。但沿程各段的冲蚀强 度( 即单位里程的冲蚀量) 不同，个别渠段还有微淤。其中3 9 7 7k m 段冲蚀强度最大， 平均每公里冲蚀近1 5 0 0 0 m 3 ，平均增加过水面积近1 5 m 2 。( 1 ) 1 7 k m 渠段冲蚀，共冲7 2 0 0 0 m ，过水面积平均增加1 0 3 m 2 。( 2 ) 7 1 9 k m 渠段冲淤相间，全段微淤3 1 7 0 0 m 3 ，过水面 积平均损失2 6m 2 。( 3 ) 1 9 3 3 k m 渠段冲蚀，全段共冲蚀1 2 3 7 0 0 m 3 ，过水面积平均增加 8 8m 。( 4 ) 3 3 3 9k m 渠段呈淤积状全段共淤积2 2 6 0 0 m 3 ，平均损失过水面积3 8m 2 。 ( 5 ) 3 9 7 7 k m 长达3 8 k m 的渠段，除个别断面略呈淤积状，全程都是冲蚀的。全程共冲 蚀5 6 1 7 0 0 m 3 过水面积平均增加了1 4 8 m 2 。( 6 ) 7 7 8 6k m 渠段是冲淤交替的，全段微冲 3 1 9 0 0 m 3 ，平均增加过水断面3 5 2 。( 7 ) 8 6 1 1 3 k m 除个别断面呈微淤状外，全程均呈 冲刷。共冲刷2 5 1 万m 3 。平均增加过水面积9 3 m 2 。 3 2 冲淤形态 3 2 1 横向形态变化 8 渠道冲淤变化 根据北部引嫩工程修改初步设计报告，北引总干渠的设计流量和设计断面沿程 是变化的。如在渠首至1 i k m 渠段的设计流量最大为3 4 7 m 3 s 。设计渠道底宽为2 8 m ；而 乌南9 0 k m 以下设计流量为2 3 2 m s ，相应渠道底宽只有l o m 。经过2 0 多年的运用，渠道 断面形态发生了很大的变化。相对比较起来，渠道的横向变形更过于纵向的变化，北引总 干渠变化的特点就在于渠道的横向冲蚀异常严重。整个总干渠沿程各断面基本上都是冲 宽的。不过乌j t 和乌南的情况还略有不同。在乌北的8 1 k m 范围内，由于沿程地形，地质 条件变化较大，故沿程各断面的冲蚀程度也有大有小。而在乌南段，由于地形、地质等 条件变化较为平缓，故断面的冲蚀幅度也变化不大，一般均在5 l o m 左右，晟大值可达 1 4 m 。 在乌北o 2 2 k m ，渠段横断面变化不大，两侧虽有微冲微淤，但马道的基本形态依 然完整，说明冲淤变化主要来自于河道两岸强约束下自然走弯的特性由于本河段土壤 颗粒较粗，加之遭受冻融破坏较少，因此抗冲性较好，弯道冲刷破坏程度有限。其中0 1 8k m 河段，地处嫩江左岸滩地，地表广布亚粘土和亚沙土，厚度小于2 m ，土壤颗粒粗， 含水量小，其下为砂砾石及砂层，潜水径流条件较好，虽然地下水埋深较浅( 渠底设计 高程左右) ，亦不易产生冻融侵蚀。乌北2 3 k m 之后开始出现左侧高岗地特有的重力侵蚀 现象。同时，由于高差影响，坡水冲刷也较为严重。乌北2 3 k m 3 7 k m ，渠道左侧侵蚀； 由于右岸地下水位较低，冻融侵蚀作用较弱，右侧变化不大。乌北4 1 k m 之后，渠道左侧 地形已较平缓，重力侵蚀逐渐减弱。过了4 8 k m ，地形开始平坦，地表广布厚达5 8 m 的 黄土状亚粘土。上游带来的少量泥沙和本河段侵蚀的泥沙由于渠道比降和输沙能力减小 开始沉积。淤积特点是渠道顺直段渠底高程抬高，4 3 k m 后开始出现鱼鳞状沙波：渠道弯 道凹岸侧蚀较为严重，渠底微淤。与此同时，由于地势的平坦和土壤含水量的增高，潜 水的水平径流减缓，马道以下冻融侵蚀十分强烈，渠道过水河宽展宽明显。乌北6 4 k m 之后至8 1 k m 地势更低平，大多为填方渠道，边壁冻融侵蚀甚微，因此渠道宽度变化不 犬。但由于上游淤积抬高渠底有所冲刷。 乌南o 3 0 k r a 河段，位于乌i 尔河一级阶地，局部地段切入河漫滩之中。地表是厚 4 2 5 m 的黄土状的亚粘土。地下水埋深3 5 m ，在渠底设计高程附近。下层为透水性能 较好的砂、砂砾石。从横断面来看，两侧有一定的塌蚀展宽。乌南比降小，流速小，输 沙能力较弱，侵蚀或坡水来沙往往就在本段渠道淤积，造成渠底的抬高。乌南3 0 k m 之后， 地处闭流洼地，土质为厚层粉质粘土层。潜水埋藏浅，水平径流迟缓，这些都对渠道边 壁的冻融侵蚀提供了充足的条件。尤其是双阳河交叉段的4 0 6 4 k m 河段，由于双阳河滩 地已形成水位高于渠底的广阔泡沼，加剧了渠道的边壁侵蚀。许多地方已危及大堤，形 势十分紧迫。 3 。2 。2 纵向形态 整个渠道沿程变化是较大的，有的渠段冲深。有的渠段淤高，有的冲淤相间或变化 不明显 在乌北o 2 2 k s 渠段冲淤相间，2 2 4 1 k m 则呈微淤状。4 1 6 8 k s 渠段全程基本上 都是淤高的，其中4 1 5 2 k s 一段淤高最为明显；如乌北4 5 k m 处。断面平均淤高i 1 k m 。 9 东北农业大学工程硕士专业学位论文 自6 8 k i n 以下直至乌裕尔河全程有冲有淤且冲淤幅度不大。 在乌南段，2 9 k m 以上榘底基本上是淤高的，但淤高幅度不大，一般在o 5 m 左右。 自2 9 1 m 以下渠底是冲淤交替的。 小结北引总渠的冲淤有以下几个特点： ( 1 ) 从冲淤总量来看，全程冲蚀1 0 1 7 万m 3 ；其中乌北段仅冲蚀3 1 0 0 0 m 3 ：绝大部分 冲蚀都发生在乌南段，特别是在乌南3 9 7 7 k m 一段冲蚀强度较大，平均每公里冲蚀1 5 0 0 0 m 3a ( 2 ) 虽然乌北段的冲淤量接近平衡，但受地形、地质及坡水等条件的影响，乌北段 渠道沿程的冲淤变化是较大的，特别是有的渠段的淤积强度很大。如乌北4 1 5 2 k m 渠段， 共淤积泥沙3 0 6 0 0 0 m 3 ，平均每公里淤积2 7 8 0 0 m 3 ，平均损失过水面积2 7 8 m 2 。值得注意 的是：自渠首至乌北5 2 k m 累计淤积3 4 4 万m 3 ，从后面分析可知嫩江引入水流含沙量很 小，说明坡水入渠水沙是本段淤积泥沙的主要来源之一。 ( 3 ) 北引总干槊最大的变化是横断面的变化，即横向侵蚀比较严重；渠道的横向 坍塌拓宽已危及堤岸的安全。乌北段因左侧山坡较高且坡水多，冲蚀主要发生在渠道左 侧( 特别是在乌北2 3 3 7 k m 渠段) ，且以重力侵蚀为主。乌南段因处在低洼平原地带， 地下水位较高且排水不畅，故渠道两侧皆发生冲蚀且以冻融侵蚀为主。 ( 4 ) 从渠底纵断看，北引总干渠渠底有冲深或淤高，特别是乌北4 1 6 8 k m 及乌南 7 2 8 k m 渠段明显淤高。但是由于渠道侧蚀严重，渠底的淤高不定会影响渠道的过水 能力，这要看渠底的淤高与边壁的冲蚀对过水面积的影响如何，还要看渠底淤高对纵比 降的影响及渠道冲淤后渠道糙率的变化等，其中过水面积的损失或扩大应是一个主要因 素。 3 3 渠底泥沙颗粒的沿程变化 为探索总干渠淤积泥沙的来源即淤沙是来自大江、上游渠道的冲刷还是坡水入渠 和交叉工程水流带入：1 9 9 9 年3 月2 9 日至3 0 日，进行了自渠首至红旗泡水库进口全程 2 4 2k s 的渠底泥沙取样工作。全程共设取样断面2 4 个，其中总干渠2 2 个，萨尔图分干 2 个。共取沙样3 1 个。 由于工作环境极端困难，只在具有代表性的地方设取样断面( 如建筑物上下游或原 设水尺断面处等) ：在横向方面除少数断面在堤顶、坡脚和渠底同时取样外，一般只取 渠底中泓点。因此，这次所取沙样的代表性不能说是全面的，存在着一定的随机性和误 差等问题。但从最终分析结果看，还是可以看出一些大的趋势，得出一些整体概念来。 ( 1 ) 目前北引总干渠渠底的泥沙颗粒与建渠前原地面的地质组成基本上是一致的。 渠底泥沙的沿程分布大体上可以乌裕尔河为界，乌北颗粒较粗，乌南较细。 乌北段的中数粒径d 5 0 约在0 1 0 3 咖之间，大体上属中细砂范畴，这和原地质组 成基本上是一致的。据设计报告。总干渠除进1 ：3 段( o 1 8 k m ) 处在嫩江滩地，地面组成 物质较粗外，其余渠段皆处在一、二级阶地上，地质以亚砂土、亚粘土及细沙为主，这 和目前渠底的颗粒组成是接近的。 乌南渠底的泥沙粒径则要细得多。d 舯约在0 0 1 0 0 3 m s 之间，这和原地质组成也 0 基本上相应。据设计报告载“8 9 1 2 1 k m 位于乌裕尔河阶地，地表4 5 m 为黄土状亚粘 土”，“1 2 1 2 1 7k m 渠道置于厚层粉质粘土上”。按照土的分类标准，这部分泥沙的d ；。 大体上就在0 0 1 0 0 5 r a m 左右。 ( 2 ) 渠道进口渠底无明显的细化，说明从大江引进的沙量不多。也就是说从大江引 进的沙量除在进口局部渠段可能造成淤积外，不致构成对总干渠整体的威胁。 ( 3 ) 渠底淤积物主要是来自断面两侧的冲蚀坍塌( 包括断面两侧坡水入渠泥沙) ，既 不是由大江引入的泥沙也不是上游渠道冲起泥沙的搬运。说明北引总干渠的挟沙能力是 有限的；这也表明，除部分弯道凹岸可能受水流的淘刷外，渠道边壁的侧蚀坍塌主要是 外营力作用的结果，如坡水、重力侵蚀和冻融侵蚀等。 4 渠道水力特性及输沙能力分析 4 1 渠道水力特性 人类利用渠道引水灌溉由来已久，并在长期的实践中逐步认识到灌溉渠道必须有一 定的断面尺寸和比降，才能使大河的浑水通过渠道。保持冲淤平衡。早在1 9 1 9 年， e s l i n d l e y 1 就指出：输送含有一定泥沙的水流的渠道，它的宽度、深度和比降都是大 自然所确定了的。1 0 年以后，g l a n c y “2 1 将这个大自然的规律归纳为如下三个方程式，称 为“均衡理论”。 式中：c ，一平均流速 r 一水力半径 p 一湿周 口，b ，c 一系数 ；，五一与泥沙性质有关的参数 q 一流量 把水流连续方程代入式( 4 - 1 ) 的前两个方程，得 r q v 31 ，q 一狮 p d v 2 j ( 4 2 ) 即均衡渠道的形态和坡降应是流量的指数函数。 1 9 5 3 年l e o p o l d 和m a d d o c k 将上述渠道的研究成果进一步应用到河流中来，认为 在处于准平衡状态的天然河流中河宽、水深和流速与流量之间同样存在简单的指数关系。 2 蛩 嚣一 r _ l ，篇 式中：b 一水面宽度 h 一水深 u 一平均流速