（水利工程专业论文）挖河减淤机理及挖槽几何参数的试验研究.pdf

q ：流鬣 s ：禽沙量 h ：水位 l 长攫 l d ：挖河长度 f 磷积 玉舜挽瑟瑟瑟耪 h ；水深 s ：挟沙能力 v ：溅速 ：撼澎静滚逮 v 。：挖河后流速 j ：河床比降 b 淫赛 q ：比值 n ：糙率 g ：黧力勰速度 y t 承往差 y ；水位相对降落高度 w ：挖沙量 e ：弹挖薮嚣毙 z 水位降落高度 由：水力强度 k ：溅爨模数 i ：溉道级毙降 i k ：水流临界比降 e ：水流能量损失 c ：谢旁系数 f r ：佛如德数 r ，；混沙容重 符号表 y ：浑水容重 s v ：体积含沙量 ，。：浑水比降 君：挖涉藏淤范 氏：露诺数 气：水平比尺 如：垂壹跑足 ；流量比尺 ：流速毙足 九：糙率比尺 丸：沉速比尺 扎：床沙粒径眈尺 九：悬沙粒径比尺 屯：起动流速魄足 a ”：扬动流速比尺 墨；含 多重魄足 ：水流时间比尺 气：澎瘩捧淤变形艇淘毙足 k ：挟沙能力比尺 奴：重搴毙尺 独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 ，r 论文作者签名：冬 伽j 年歹肛日 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理工大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公 布论文的全郜或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位论文征解密后应遵守此规定) 论文作者鼢婢导师签名艇醯册多月夕日 西安理工大学工程硕士学位论文 挖河减 嫩 融 淤机理及挖槽几何参数的试验研究 科：工程泥沙作嚣： 哆轰魄脚苷懈 答辩日期：2 0 0 3 3 摘要 稃己节 毓欠乞 黄溺下港嚣遥为严羹豹萎缀挂嚣遘。宽其是近华采，由于来承采沙采昏发生菲游璃 性变异，赘缩速率明显加快，萎缩性更趋严重，河床持续抬高，由此引起的各种灾辔效 应愈加明照，对防洪及河遂治理产生巨大压力。而黄河一f 游存在的最大问题是泥沙淤积， 为鳇，黪簧对黄溽泥涉辩敬多耱洽瑾携藏，鞋减缓一f 游淫遂簿淤积。为筵，疆壅“拦、 排、放、调、挖”等多种综台治理措i 毽，其中，挖河躐淤是其中关键措施之，但辩于 挖河减淤j 袅项关键技术通缺乏系统的研究与论证。为此，近年来许多研究人员针对黄 浮下游挖湃瓣藏淤 乍爰及其关键技术汗袋了一系列专麒玻美，进行系统疆究及分撰论诞， 并取得系列研究成果，本论文结台此课题，重点通过物理模型试验对挖河儿诃参数对 挖河减淤效果的影响以及挖河减淤机理方面进行重点分析论证。从而为本领域及挖河生 产实践程袋种程度上产生积极的接动作蠲。逶过分毒斥论诞，戈致获得始下几方蟊鲍认识 l ，在黄河”f 游窄河段挖河w 以在一定勰河段及时段肉起到定麓减淤效聚。主要表现在 可以引起定范围河段内的水位较挖_ 可前同流量f 有所降低，开挖上游河段水面比降增 大，庶嚣淤积量有所减少袋发生冲刷。 2 挖河减淤效果的大，j 、与挖稽，l 何参数瀚涟值有关，0 啊参数包括挖河长度、断越形悉 及挖槽比降蒋。 3 在一定的水沙条 牛拳l 一定的挖沙量线一定挖河断葭条件下。随挖河长废增加，研究 西安埋王大学工程硕士学位论文 灌段最太永证醛藩菹稿对越太。毽楚，当长菠增蕊翻一定值强螽，蘧挖弼长菠瓣增蕊， 水位跌落值增量不断减小，即单位k 度的增加爆逐渐趋缓；当挖河长度墩于某一值域内 时，挖河的减淤效果才相对较健。在试验水沙条件及挖沙鲑3 3 8 万m 3 条件f ，挖河 ：= 度 谯i o 酶左右对，挖海靛减淤效襞鞍毽。 4 挖河减淤效果与挖槽几何形态及挖槽面积宵燕。试验研究嵌明：开挖断面愈宽泼，开 挖段回淤比越犬，但过于窄深时，回淤比反随宽深比减小而增大。因此，开挖断面宽深 魄蠢弱季莩存在一个较佳鹣取 蠢藏嚣。在选定瓣试验承涉条9 l ：幕l 挖溽蕺囊方案f ，歆为箨挖 断面面积在2 5 0 一3 0 0 m 2 左右，浙面宽深比矾 。在6 9 之间挖河减淤效果较住。 5 。开挖底坡对减淤效果有一定的影响。就整个研究河段的挖沙减淤比来说，坡度较陡或 籀对较缓霹，箕藏淤效栗都不太磐。据研究，院簿弱承潭黪囊二次方成歪 芝，藏莲瑷隧 水深增加，比醉会以较大的比率调平。在确定的水沙条件下通过试验坡魔范围内韵试 缎结果综合分析认为，挖槽坡底在1 o 左右较适宜。 6 挖潺减淤效袋可鼓瓣挖淫敞墩魄采表示，鼙挖涉蛩与挖澎 ； 感挖涎秘究澎羧淀涉净淤 积增艟和挖沙赞的和的比值。蔟值在0 1 l 之间，数值越小，说明挖河减淤效聚越明显。 试验研究条件下，其值约为0 7 2 o 8 6 。 关键词： 黄河挖河疏浚模型试验减淤机理挖河l 受度挖河几何形态挖槽比脐 西安理工大学工程硕士学位论文 - _ - _ - _ _ _ - _ _ h - _ _ _ _ _ _ _ _ ，_ - 一 曼茎p ! i 旦3 1 塾! 垦! 遮星! 垦! q 鱼q 旦4 1 h 垦1 1 i 皿q 垦i y ! 旦! q 亟g i n g 地! 旦! 卫q i 堑q 蛩鲢q 盟丛i i q n 目塑鱼旦! ! 亟g i 旦g ! ! 望盟! 鱼! q 墅! 碰里b ! i 塑! ! ! ! p 。s t g r a d u a t es t u d e n t ：z 伽：多么彳夕m a d v i s o r ：d o c t o ra n ds e n o rp r o f e s s o r ： p r o f e s s o r e n g i n e e r ： a b s t r a c t t h el o w e rr e a c h c so f 、此1 l o wr i v e ra r es er i o u ss h r i n k i n go n e s e s p c c i a l l yf 。r r e s e n t y e a r s ， b e c a u s et h ec o n d i t i o n so fc o m i n gd i s c h a 唱ea n d5 e d i m e n th a v c o c c u r r e du n c o r r e s p o n d i n gv a r i a t i o n ，s h f i n k s v e l o c i t yi n c r e a s e ss c r i o u sr a p i d ly ， s h r j n k sc h a r a c t e r st e n dt ob e s e r i o u s ， t h e “v c rb c dh a v e b e e n h e i g h t e n i n g c o n t i n u o u s ly ，f i o mt h c s c ，t h e y1 1 a v el e a dt ov a r i o u sd i s a s t c re f k c t so b v i o u s i va n ( j b f o u g l l th e a v yp r e s s u r ef o rn o o dc o n t r o la n dr i v c r1 1 a m c s s i n g m o r c o v c t 1 1 c s c d i m c n ld e p o s i t j o ni st 1 1 el a r g c s tp r o b l e mo rt h cl o w c ry c l l o wr i v c r ，1 1 1 c l t c f i ) ic “ n e c d st oa d o p tm u l t i p l eh a r n e s s i n gm e a s u r c sf o rd e c r c a s i n gd e p o s i i i o ni nn l c l o w e ry e l i o wr i v e tt h ec o r n p r e h e n s i v e h a r n e s s i n go f “r e t a i 壬1 j n g ，d r a i n i n g ， d i s c h a 唱i n g ，r e g u la t i n ga n de x c a v a t i n g ”a n dm e a 虬l r e so fs e d i m c n tu t i l i z a t i o nh a v c b e e np o i n t e do u t d r e d g i l l gr i v e rf o rd e p o s i t i o nr e d u c t i o nj so n eo ft h ek e yl n c t h o d s b u tt h ek e yt c c h n o l o g yo fd r e d g i n gr i v e rf o rd e p o s i t i o nr e d u c t i o ni ss t 川s h o r to f s y s t e m a t i cr e s e a r c ha 1 1 dd e m o n s t r a t i o nf o rr e c e n ty e a r s ，i nv i e wo ft h ee f k c t s 。f d c p o s i t i o nr e d u c t i o no fr i v e rd r e d g i n ga n dk c yt e c h n o j o g yi ni h cl o w e ry e l l o w r i v e tas e r i e so fk e yt a s k so ns p e c i a lt o p i c sh a v eb e e nc a r r i e do u tb ym a n y r e s e a r c h e r s a n das c r i e so fr e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d ，t h i sp a p e rw j l l c o m b i n ew i t hr e s e a r c hr e s u l t sm e n t i o n e da b o v et oa n a l y z ea sw e l la se m p h a s i z a l a n a l y z er e s u l t sb ym e a n so fp h y s i c sm o d e l t e s t ， a n dd e m o n s t r a t et h ee f 弛c to f d r e d g i n gc h a n n e l g e o m e t r yp a r a m e t e ro nd e p o s i t i o nr e d u c t i o no fr i v e rd r e d g i n g a n dm e c h a n i s m 。fd e p o s i t i o nr e d u c t i o no fr i v e rd r e d g i n g t h e r e b yi tg e n e r a t e sa n 西安理工大学工程硕士学位论咒 a e t i v ee 掰毫c ti nt h i s 蠡e l da n dp f o 矗u o t l o np 豫e i c oo fd r 。d g i n gf i v e t 蠡r o u g b a n a i y z i n ga n dd e m o n s t r a t i n g ，t 1 1 ek n o w l e d g eo fs e v e r a ia 5 p e c t sh a sb e e no b t a i n c d a sf o l l o w s ： h er o l eo fd o d o s i t 主o n 陀矗珏 i o 珏i nd e 曩n i ef e a c h e s 瑟疽i 歉t e r v a li a sb e e n p l a y e dw i t hd r e d g i n gr i v e ri nt h en a r r o wr e a c h e so fl o w e ry e l l o wr i v e r i ts h o w s t h a tt h ew a t e rl e v e li nt h ed e 最n i t er e a c hi sl o w e rt h a nt h a lw i t hs a m ed i s c h a r g e s b e f o r ed 揩堪g i 砖gr i v e 不氆es w 蠡c es l o eo n 印p e r 耽& c 舞e sd r 。d g e 琏i se n l a 毽e da 娃畦 d e p o s j t i o n1 0 a do nb e di sr e d u c e do re r o d 嗣 2 t h eb u l ko fe f f e c io nd r e d g i n gr i v e rf o rd e p o s i t i o nr e d u c t i o ni sr e l a t i v et o e h 。s n 纛a t 娃mo fd r e d g i 稚g 曲童n n e lg o o m 嚣拓yp a r 器掰e 靶g e o m o t r yp 盆豫m e t e r s i n c j u d ed r e d g i n gc h a n l l e l l e n g t h ，m o r p h o l o g y o ft r a n s v e r s a ls e c t i o na n d 】o n g i t u d i n a is l o p e s 3 弧1 ed f 毽pd a 鼬掰o fl a r g c s tw a t e rl e v e l nr 。s e 8 1 1 e dl i c 鑫c h e sj 拜e r c 硅s e s f e 】a t i v e l yw i t l ll e n 蛋h i n c r c a s eo fd r o d g i n gc h a n n c ii nd e 矗n i t ec o n d i 妊o no f d i s c h a r g ea n ds e d i m e n t a n dd e n n i t ed r e d g e ds e d i m c n tq u a n t i t yo r d r c d g c d m o f p h o l o g yo ft r a n s v e r s a ls e e t i o n b u lw h e n 出ed f e d g e dl e n g t hh a v ei n c r e a s e dt 0 ac e n a 主nv a i u e ，出ei n c r e m e 嫩o fw a t e rl o v e i 出o p 如嚏u md e c r e a s e dc o n 虹m l o u s l y w j t hi e n 甜hi n c r e a s eo fd r e d g i n gc h a n n e l i no t h e rw o r d ，u n i tl e n g t hi n c r e m e n l t e n d st os l o w ly w h e nd r c d g i n gc h a n n e ll e n g t hi s i nac e r t a i nd a t u mr e g i o n ，t h c e f 强e to d r c d g i n gs e d 如瓢o n t 醅d e p o s i t i o nr e d 珏c t i o ni sb e t t e ff e k 址i v e b u n d e ft h e c o n d j l j o no ft e s t j n gd i s c h a 瑁e s e d i 抛e n la n dd j 它d g i l l gs e d i m o n t q u a n l i t yo f 3 3 8 0 0 0 0 m 5 ，w h e nd r e d g i n gc h a n n e ll e n g t hi sa b o u tl o k r n ，t h ee f 搬c to fd r e d g i n g e h a 越e l 蠡臻d e p o s i t i o nr e d 韬c 毛主o nw 籍lb e 疆氇e rb e 娃e 文 4 t 1 1 ee 艉c to f 出e d g i n gc h a n n e lf o rd e p o s i t j o nr e d u c t i o ni sr e l a t e dt od r e d g e d c h a n n e lg e o m e t r ym o r p h o l o g ya n dd r 。d g e dc h a n n e la r c a t h ee x p e r i m e n t a l 瑶s 髓咒魏s 如w s 氇8 t 蠡。搬o 托w i 如一s 融 l o w 囊e 蘸豫d g e ds e 疽。建s i 勰i s ，氇eb i g g e f t h e b a c k d e p o s i t i o n r a t i ow i l ib e b u tw h e nt h ed r e d g e ds e c t i o ni so v e r 西安理工大学工程硕士学位论文 n 鑫h 。w d e 。p ， t 珏e b 鑫e 一d e p o s i i 。nf a 囊。w i l lb 。i 珏e j 鑫s i 珏8w 氧氧d e 。f a s i 疆go f w i d e d e e pr a d i o f i h e r e f o r ed r e d g e ds 。c t i o n sw i d e d e e pr a d i ow i l | b cag o o dv a 】u c a d o p t e da sw e j j ，u n d e rt h ec h o s c nc o n d i n o n so fl e s t j n gd j s c h a f g o - s c d j m c n ca d s c h e m eo fd r e d g e ds e e t i 。n ，疆ee f 灸c o fd f e 硅g i l l g 藏v e f 奄rd e p o s i i o 赴f e d t l c t i o n w i l lb ec o n s i d e r e db e t t e rw h e nt h ed r e d g e ds e c t i 。n sw i d ed e e pr a d i oi s e ，矗。 w i t h6 9a n dd r e d g e ds e c t i o na r e ii sa b o u t2 5 0 3 0 0 n 1 2 5 + t 。e 蠹毛e t 。fd e p 。s i t i o nr 。如c 砖o nw i l lb ei 扎援u e n c e di nd i 翁奄掉n ts i z eo ft h e d r e d g c dc h a n n e i o n g i t u d i n a is o p e 。a c e o r d i n gt o h er a d i oo fd r e d g i n gs e d h n e n t f o rd e p o s i l i o nr e d u c t i o ni nt h ew h o l or e a c hr e s e a r c h e d ，w h e nt h ed r c d g i n gc h a l l n 。j l o n g i t u d i n a ls o p ei s 鞭c e e po rm l d ，i t se f 强c to fd e p o s i t i o nr e d u c t i o nw i l n o tb 。 w e i i b a s e do nt h er e s e a r c h ，t h es i o p ei si nd 证e c tp r o p o r i 。ni oh 靠o fw a e fd e p f 1 ， i nt h co t h e rw o r d ，w i t ht h ew a t e rd e e pi n c r e a s i n 昏t h os i o p ec a nb oa d j u s t e dm i l d j y w i l l ll a f g e r a d i o u n d e rt 1 1 ec o n d 淋) no fg i v e nd i s c l l a 毽ca n ds e d i m e l l t ，i t s h h i g i l tl r o u g hs y n t 毡c s i z ea n a i y s i so f e s i i n gf e s u i l s h a h ee 疆b e o f i r c d 嚣i n g c 1 1 1 1 e if o rd c p o s i t i 0 1 1r e d u c t i o n 、v i l lb cb e t t e rw 1 1 e nl h cd 1 c d g i n gc 1 1 a n n c ls l o p ci s a b o u tl o 强e 。f 凳c o f 文e d g i n ge 魏a r m e i 内r p o s i 疽o n d u e t i o ne 8 nb 嚣e x | ，疆s s e gb y t h er a d i oo fd r e d g i n gc h a n n e lt o d c p o s “i o nr e d i l c t i o i l ， t 1 1 cr a d i oo fd r c d g e d s e d i m e n tq u a n t i t yt ot h es u mo fn e td e p o s i t i o ni n c r e m e n to fs e d i i u e n tw i 1 1d i d ；e d s e 矗珏髓e n t 琏畦a n i t y ，i t sv a l 醢ei s 毡e t w e o n0 l ，i ti ss b e w nt h 采l 魏el e s si t sv 最l u ei s h e m o r eo b v i o u st h ee f r c c to fd r e d g i n gr i v e rf o rd e p o s i t i o nr e d u c t i o nu n d e rt h o e x d e r i m e n t a lc o n d i t i o n ic sv a i u ei sa b o u t0 7 2 08 6 k e yw o r d ：t h c 1 1 0 w r i v e r ir i v e rd r c d g i n g ；m od e e x p e “m e n t ；m e c h a n i s mo f d e p o s i t i o nr e d u c t i o n ；i 。n g t ho fd r e d g i n gr i v e r ；g e o m e t r ym o 巾h o l o g yo fd r e d g i n g v e f s 1 0 p eo fd r e d 鏊 珏ge h a n n e l 西安理工大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 综述 黄河下游河段为严重的萎缩性河道。随着黄河中上游地区社会、经济的迅 速发展和人口的不断增长，使进入下游河道的水沙条件发生了非协调性变异， 进一步加快了下游河道的萎缩速率，由此所引起的各剥z 灾害效应愈加明显，特 别是防洪压力越来越大。例如，进入2 0 世纪9 0 年代，山东部分河段的年淤积 量较5 0 年代的提高0 1 0 m ，利浮至西河口河段河床平均每年抬高达01 8 m 。河 床的加速抬商，使平滩流量已由5 0 0 0 6 0 0 0 m 3 s 锐减至3 0 0 0 m 3 s 左右。下游 洪水漫潍机遇己与1 8 5 5 年大改道时的相接近，显见，河床淤积已十分严重。如 1 9 9 6 年花园口站发生洪峰流量7 6 8 0 m 3 s 的中常洪水，其水位比】9 5 8 年的 2 2 3 0 0 m 3 s 大洪水的水位还商0 9 l m ：在山东黄河西河口以上5 5 3 k l n 的河道i h 达历史最商水位的河道长度约2 9 3 k i n ，占总河段的5 2 9 8 。山此，所造成的潍 区直接经济损失达4 3 5 9 亿元。显然，如果黄河下游河床持续淤积抬高，将意 味着更多灾害能量的积聚和更大灾害的发生。黄河安危不仅关系到两岸地区| l f 勺 国民经济发展，而且对我国整个社会、经济发展的总体布局影响极大，因此， 尽快改善黄河下游河道的淤积萎缩状况，增加河道泄洪输沙能力，己成为黄河 治理开发中迫切需要解决的重大问题。 为此，于1 9 9 7 年出国家计委和水利部审查通过的黄河治理开发舰划纲要 基于几十年的治黄实践，提出了“拦、排、调、放、挖”的综合治理措施，把 “挖”作为处理黄河泥沙问题的措施之一。近年来，一些专家也曾先后相继多 次提出应尽快采取“挖”的措施，通过这种途径疏通流路，降低河床高程，提 高河道的泄洪输沙能力，并可利用挖出的泥沙加固大堤，提高大堤的防洪能力。 但是，由于黄河是多泥沙河流，泥沙淤积较为严重，且河势复杂多变，通 过挖河疏浚能否达到一定的减淤效果，这不仅在理论上缺乏研究，而且在实践 1 西安理工大学工程硕士学位论天 上也缺乏一定的经验。另外，也正是由于黄河水少沙多、河势多变、冲淤剧烈， 因此，在不少港口海域和少沙河流上取得的挖沙疏浚的成功经验，难以在黄河 上直接应用。为探索黄河挖河疏浚的实践经验，解决些关键技术问题，黄河 水利委员会于1 9 9 7 年1 1 月首先在黄河下游窄河段开展了挖河固堤启动工程试 验研究。挖河固堤启动工程的挖河长度为1 1 k m ，由朱家屋子至6 断面。启动工 程试验研究取得了不少成果m t 3 ，4 ，5 ，6 ，7 1 。挖河固堤启动工程观测试验研究结果表 明，挖河固堤对于大堤加固有明显的作用，对于开挖段所在河段的利津清6 河段的河道减淤也有一定作用，在一定时间内是能够减淤的，如在1 9 9 8 年6 8 月的水沙条件下至少可使利滓清6 断面的河段减淤3 0 0 1 0 4 m 3 左右。另外， 在挖河固堤淤区布置、挖河机械的组合、早挖优缺点等施工建设方面也获得不 少实践经验。这些成果，对在黄河下游窄河段进一步开展挖河固堤工程建设具 有很大的科学参考价值。 然而，由于黄河问题的复杂性，加上挖河现场试验河段短，方案单一，观 测时段也较短，因此，很多关键技术问题仍未解决。 从黄河下游挖河疏浚及挖河固堤的研究现状看，以下问题亟待开展研究： ( 1 ) 挖沙减淤机理。通过理论分析和研究表明，挖河减淤效果与挖河比降、 断面面积、宽度及断面形态和长度等都是有关的。但是挖河长度、断面大小及 断面形态等对减淤有什么影响，却缺乏系统研究或研究的很不够。因此，有必 要对通过挖河改变河道纵横断面、比降等水力边界条件( 包括挖河部位) 后，对 河道输沙能力调整的机理开展研究。 ( 2 ) 在一定的挖沙量前提下，挖河长度、宽度、深度等参数的比选组合及 年目应减淤效果的研究： 这些问题均是挖河固堤工程实施中的重要应用基础问题。 针对当前黄河下游河道严重淤积萎缩、防洪问题突出的情况开展黄河下游 挖河疏浚关键技术研究，其成果不仅可直接用于黄河下游的挖河疏浚生产实践， 对我国其它江河，尤其是多沙河流的挖沙疏浚及泥沙利用均会产生积极的作用。 同时，由于黄河自然属性极为复杂，使得在黄河上挖沙减淤的技术难度很大， 西安理工大学工程硕士学位论文 有很多从未解决过的关键技术问题，特别是挖沙减淤机理、挖河尺度及形态对 减淤效果的影响等问题还未进行过深入系统地研究，因此，这些方面的研究成 果不仅具有重大的生产实践意义，还具有十分重大的科学意义，必将为推动泥 沙学科的进展起到一定的积极作用。 1 2 国内外研究概况 在国外，挖沙疏浚多被用来进行航道治理，并且已取得不少研究成果，挖 沙技术相对较为成熟。如早在2 0 世纪6 0 年代，国外主要河口拦门沙航道疏浚 就已经取得了很大成功，吸扬式、耙吸式和绞吸式等类型的挖沙船均有广泛的 应用。不过由于一般采用水中抛沙，航道淤积又成了一个突出问题。对此，各 国学者都先后开展了系统的研究，较有影响的如美国的欧文( o w e n ，m w ) ，法国 的米尼奥( m i g n i o n ，c ) 等，均取得了不少研究成果。s c h e u e r l e i n ，h 曾在阿尔卑 斯山某水库采用水流冲沙的方法清除水库淤积的泥沙，取得了一定效果i “。但 这些多属j ：在岔沙量较低的河流或海口区域，或具有可大幅度降低槲列侵蚀基 准面的库区，疏浚范围鞍小，且多限于航道和库区治理。列于在类似黄河水沙 特性的河流上进行挖沙疏浚的研究则未见有报道。 在我国，采用拖淤疏浚整治河流已有几千年的历史，相传自大禹治水始， 即一直把疏浚作为一项重要措施而广为采用。宋朝在原有人力疏浚的攮础上为 利用水力输沙和解决水下施工困难而创造出了适合于疏浚新淤积物的铁龙爪和 混江龙等较简单的疏浚工具。明嘉靖十四年，神宗万历四年曾分别用平底方舟 长柄铁爬、混江龙等工具对漕河、黄河河口进行过拖淤疏浚。清朝也多次，1 ：展 过黄河、漕河疏浚实践，如靳辅任江南河道总督时，他在治河八疏中详细论证 了当时黄河下游河道行水不畅的状况、原因及应采取的整治措施。疏浚就是八 疏中治理河道的一个重要措施。清河臣高晋、李奉翰、徐端利、松筠等均先后 分别利用混江龙、铁埽、扬泥车等措施及挑挖疏浚的办法进行疏浚治河，有的 也取得了一定的效果。例如，靳辅创设的浚船铁扫帚曾作为一种经常的疏浚措 西安理工太学工程硕士学位论叉 施在漕河键以应用，白海口至徐州的数百公里河段，按各河段实际情况，设浚 麓3 0 0 余壤，铁舞豢2 0 0 多令，浚溪管理入爨这5 s o 多名，鬟密酝舍葵它浚 河措施，对维持河道行洪和漕运畅通，起到了较好作用。在18 8 6 年，已改遒逾 3 0 多年的黄河山东河段，淤积极为严重，连年漫口，时任山东巡抚的张曜，利 曩乎头瀚艇结台挖海甥潍静接麓藏逶涎逢。在瑟瑟、滨矧、溷津等溺段l 篷岸乎 滩，遂段挑挖，在浅水淤泥滩她不能立足之处，用平头园船以铁铣淘挖，这种 疏挖河道的方法，在短时段内对舰顺引河流路趣到了一定效果。然而，实践证 黢，出予这些薅浚掺藏蘧擎，动力不足( 缀多怒蔽熏人工) ，在惩决嚣郏短溺段 淤积并商一定水力条件配台的情况下才会有一定的效栗。舅外，在黄河束沙量 巨大，河势变化无常，河口淤积娥伸迅速，河邋摆动频繁的状况下，利用邀些 拖淤筑浚瓣旌解决黄 霹下游或长湃段豹淤积阔鼷，作惩也极焚蠢袋。出予受当 时政治、经济和技术条件的限制，没有也不可能对黄河拖淤流浚开展系统深入 的研究，对挖河疏浚熙未开展研究。 近年柬，我国关予少沙河流溺嗣兢道歼挖关键技术斡磷究已取得了不少魑 成莱剐。t 1 ，i 2 1 ，包括l 歼挖目淤规律及影确盈素、航道疏竣技术等簿。 在黄河下游从2 0 世纪7 0 年代初开始采用简易吸泥船的方式进行吸泥则挺 淤背的试验，经过多年实践，在山东、河南河段均取得了一崽的成功经验，蜓 这些工传仅鞭于蔽混溺堤丙寒考感到对河道影确熬阉遂，辩如俺通过敷混、挖 沙改善河势，增大河邋泄洪输沙能力，减少河道淤积，未能进行试验研究，遮 方面基本上仍属于空囱。 为开矮黄溪潺霜豹治理，1 9 8 8 一1 9 9 2 年曾宠螽嚣震遘稳嘏撞f 诤) 淤筑浚工 作。1 9 8 8 年在清6 清8 断面间，暇有3 处高大心滩阻碍泄水，分别以铲运机、 挖塘机、吸泥船等机械开挖的方法，将主槽扩腿到2 0 0 3 0 0 m ，挖深l 2 m 。 在拦门沙上开挖密l 船塞豹逮撵，著最翅怒憨、蘸压承；孛露、整送器蒎麓等 方法在2 0 多k m 河段上进行拖淤，疏通竣深河道主槽和拦门沙通道，逐步形成 单一顺畅、水流集中的尾间河道后，开始出现溯源冲刷。1 9 8 9 年又改用射流冲 淤方法骧浚潺道及丑门，使灞遭簧翱逶矮，拦门涉形残一条毙1 8 0 攥左塞、藩 西簧理工大学工程硕士学位论文 潮水深在o 9 m 以上的通道f j “。这些工作为河口疏浚积累了一定的经验。然而， 测验结果表明，在河床泥沙被扰动悬浮向下游运移约3 0 0 m 左右咀后，含沙量 就基本上减小到原来的水平，因此，拖( 冲) 淤可以比较有效地解决小范围内的 泥沙淤积，但是在长距离、大范围的黄河口其减淤作用是不大的。实际上，近 年来的河口机械拖( 冲) 淤也仅限于治理局部淤积问题，对于将机械拖( 冲) 淤及河 口挖沙作为改善上游河道淤积状况的措施并未进行过深入研究。有人对河口实 施挖沙降河措施的可行性专门开展了论证i l ，认为在河口三角洲的河段只要每 年的挖沙量的超过淤积量，产生的溯源影响可以达到济南河段。 在黄河支流渭河河口拦门沙的治理中，2 0 世纪6 0 年代初曾采用绞吸式挖 泥船在渭河口段进行挖沙疏浚。但由于技术、经济等原因，只进行了半年。1 9 6 7 年1 0 月，渭2 渭4 断面河道全部淤塞，渭河水漫流，直到1 9 6 8 年尚有8 8 k m 河道淤塞，造成渭河下游大量淤积。通过人工挖河才疏通了河道【i ”。1 9 8 1 年又 改用滚筒式挖泥船进行疏浚，也仅开展几个月时间。1 9 8 6 年汛前，在渭河又试 图用拖轮推进器冲刷方式拖泥，进行航道疏浚，但由于疏浚技术不完善，对游 荡性河道疏浚问题认识不够，缺乏| j 仃期科学研究，虽然通过疏浚一时形成所谓 航道，但很快全部淤死。总之，尽管在渭河上前后进行了三次挖沙疏浚，但均 因一些关键技术问题没有解决，未能达到其应有效果。 “八五”国家重点科技攻关项目8 5 9 2 6 “黄河治理与水资源开发利用”研 究中，对黄河下游艾山以下河道机淤抽沙淤背淤滩的减淤效果进行了分析【i “， 另外，还从理论上对该河段河道挖河疏浚工程断面的设计进行了初步的研究。 1 9 9 6 2 0 0 0 年三门峡枢纽管理局在三门峡库区潼关河段连续开展了清淤 实践，取得了一定的效果，对一些关键技术问题开展了研究。 为改善黄河下游河道淤积逐年加重的不利局面，1 9 9 8 年在山东黄河下游窄 河段进行了挖河固堤启动工程观测试验研究。观测试验研究的主要内容包括： 挖沙规顺河势与减淤效果的观测、施工观测、淤区观测、环境影响观测和模型 试验，且主要是挖河固堤工程减淤效果的研究。 综上所述，目前，关于挖河减淤及实际应用等许多关键技术问题仍为解决。 西安理工大学工程硕士学位论文 如挖河减淤机理；一次挖沙量的选择；挖河部位的选择；在定挖沙量前提下， 挖河长度、几何尺寸及比降等参数的比选组合及相应减淤效果的研究；挖河机 械及挖河方式选择的优化组合研究：挖河对改善河势效果的研究以及挖河及泥 沙处理对环境的影响等。以上这些关键技术在相应课题的支撑下及实际工作中 己经进行了较为深入的系统研究，并取得了定的进展。本文重点着重于挖河 减淤机理及挖槽几何参数的试验研究。 1 3 研究目的及内容 1 3 1 研究目的 以河工动床模型和概化模型试验为主要手段，结合原型挖河固堤观测资料 的技术分析，研究挖河减淤机理，为挖河固堤工程建设提供一定的理论依据和 技术支撑，从而提出以下主要研究成果。 ( 1 ) 挖河减淤机理； ( 2 ) 在一定的挖沙量前提下，挖河长度、宽度、深度等参数的比选组合 及相应减淤效果。 1 3 2 主要研究内容 本项研究的主要内容包括： ( 1 ) 通过模型试验，研究挖河改变河道纵、横断面后，对河道输沙能力调 整机理的研究： ( 2 ) 挖沙效果影响因素分析； ( 3 ) 在一定挖沙量的前提下，挖河长度、宽度、深度等参数的优化组合及 相应减淤效果的研究。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 研究河段河道基本概况 研究河段为黄河下游利滓清7 河段，全长约8 5 k m ，是黄河下游弯曲性 河段的最下端，属黄河河口尾闾段。模拟河段的水沙进口控制断面为利漳水文 站，该站的水沙条件决定着模拟河段的水流能量输入过程，丁字路口的水位作 为模型试验的出口控制条件( 图2 1 ) 。在试验研究中，共布设有利津、王家庄、 东张、章丘屋子、一号坝、前左、朱家屋子、四段、渔洼、五七、6 断面、7 断面、清1 、清2 、清3 、清4 、清6 和清7 共计1 8 个大断面。其中，利津、朱 家屋子、丁字路口为水文站，号坝、渔洼和西河口为水位站。渔洼以下属黄 河入海的尾间段，其水沙运行、河床冲淤演变有着特殊的规律性。该河段的水 沙特性受上游的来水来沙条件影响。河道的冲淤不仅与河段上游来水来沙量有 关，还受下游河口流路摆动等因素的显著影响。 2 。1 来水来沙条件 2 1 1 来水来沙量 自1 9 5 0 1 9 9 9 年的5 0 年系列中，利津年均水量3 4 0 3 3 亿m 3 ，其中，汛 期水量2 l o 3 0 亿m 3 ，占年水量的6 1 7 9 ，年均沙量8 6 8 亿t ，其中汛期沙量 7 3 8 亿t ，占年沙量的8 5 0 4 。1 9 8 l 1 9 8 5 年年均水量3 9 9 亿m 3 ，汛期水量 2 7 2 亿m 3 ，占年水量的6 8 2 0 ；年均沙量8 8 3 亿t ，汛期沙量7 9 0 亿t ，占年 沙量的8 9 5 0 。1 9 8 6 年以来，随着龙羊峡水库投入运用、工农业用水的增加 及气候的变化，使来水来沙条件发生明显的变化。水沙量大幅度减少，水量减 少幅度略大于沙量减少幅度( 见表2 1 ) 。1 9 8 6 1 9 9 9 年，利滓年径流量只有 1 4 7 5 9 亿m 3 ，占长系列( 1 9 5 0 1 9 8 5 年，下同) 年水量的3 5 4 8 ；汛期水量9 2 5 0 亿m 3 ，占同期年水量的6 2 6 7 ，占长系列同期水量的3 5 9 9 。1 9 8 6 】9 9 9 年 年均沙量3 9 7 亿t ，占长系列沙量的3 7 8 0 ：汛期沙量3 5 2 亿t ，占同期年沙 量的8 8 6 6 ，比长系列同期的上升3 9 1 个百分点，占长系列总沙量的3 9 6 0 。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 可以看出，自1 9 8 6 年以来与长系列的相比，年均水量和年沙量均大幅度减少， 但是，汛期水量占同期全年的比例与长系列的基本相同，而汛期沙量的对应比 例却明显增加。同时，1 9 8 6 1 9 9 9 年的水流平均含沙量较长系列的也增加了近 1 0 ，就是说，尽管输沙量有所减少，而水流平均含沙量却有了明显增加。 1 9 8 6 1 9 9 9 年系列中，以1 9 9 7 年来水来沙量最少，年水量只有1 9 2 4 亿 m 3 ，沙量为o 3 6 亿t ，分别占该系列年均的1 3 0 3 和9 0 7 分别占长系列年 均的4 6 3 和3 4 3 ，。1 9 9 7 年汛期的水沙量分别占全年的1 2 6 8 和1 0 2 1 。 在近年黄河下游河道发生断流年份中，1 9 9 7 年是断流程度最严重的一年，利津 以下断流天数达2 2 6 天，断流长度至开封河段，达7 0 0 余k m ，而且从2 月7 目就发生断流，主汛期断流时间竞达7 6 天。 利津 水文站 碰 图2 1 模型模拟河段河道图 海 姗獭幽 西安理工大学工程硕士学位论文 表2 1 利津站水沙特征值 时段年水量汛期水量汛期水量占 年沙量汛期沙量汛期沙量1 1 ( 年份)( 1 0 8 m 3 )( 1 0 8 m 3 )年水量( ) ( 1 0 8 t )( 1 0 8 t )年沙量( ) 1 9 5 0 1 9 8 5 4 1 62 5 7 o 6 1 7 81 0 5 08 8 98 4 7 0 1 9 8 1 1 9 8 53 9 9 2 7 2 0 6 8 1 78 8 37 9 08 9 5 0 1 9 5 0 1 9 9 93 4 12 1 0 96 1 8 98 6 7 7 - 3 9 8 5 2 4 1 9 8 6 1 9 9 9 1 4 8 9 25 6 2 6 7 3 ，9 73 5 2 8 8 6 6 2