4河床演变及泥沙冲淤分析项目可行性研究报告.doc

4河床演变及泥沙冲淤分析4.1河段特性渭河是黄河最大的一级支流，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，自西向东横跨甘肃、宁夏、陕西三省（区），于潼关注入黄河。主河道全长818km，流域总面积13.5万km2。林家村至咸阳陇海铁路桥全长171km，被划分为中游段。咸阳城区河段从上游吕村至陇海铁路桥全长9.5km，平面形态比较顺直，河宽约450760m。河道纵坡较缓，比降为0.650.95。岸坎北高南低，其中南岸坎高23m，系粘土、壤土岸质；北岸坎高34m，上部为壤土，下部由粘土组成，抗冲力强，历史上该河段河势变化不大。后经多年治理，现主河槽单一，平面摆动进一步减小，河势也较为顺直。1965年进行渭河流域规划时，对此段河道平面形态指标进行过分析，1999年进行渭河中游干流防洪工程可行性研究时，进行了复核，两次比较成果见表41。表41 渭河中游咸阳城区段河弯平面形态指标比较表年份弯道半径（m）中心角（度）过渡段长（m）弯道摆幅（m）弯道纵距（m）1965790721999174341930220010460由表41可以看出，经过多年治理，该河段现状1999年比1965年河道的曲率半径增大，中心角减小，过渡段和弯道纵距相应加长，河道形态趋于平顺，对行洪更加有利。该河段河床多为细沙、粗沙组成，洪水中泥沙含量较大，颗粒甚细。从长时段来看，河床冲淤基本平衡，而2003年汛期连续发生5次较大洪水，河槽较前出现明显的冲刷。历史上该河段相对稳定，俗称“咸阳”十里峡。该河段内已建有西宝高速公路桥、西兰一号、二号公路桥和陇海铁路桥组。咸阳水文站位于一号公路桥上游约120m处。按照2001年水利部审查通过的陕西省渭河中游干流防洪工程可行性研究报告，渭河咸阳城区段堤防间距不小于600m，北岸堤防洪水标准为100年一遇，南岸堤防洪水标准为50年一遇。目前，北岸堤防建设已基本完成，南岸堤防正在建设之中。4.2来水来沙分析4.2.1 泥沙概况渭河是一条多泥沙河流。从总体看，渭河中游段输沙基本处于动平衡状态，但年际之间的变化较为悬殊。咸阳水文站为本次设计依据站，其多年平均悬移质输沙量为1.52亿吨，最大输沙量为3.88亿吨，发生在1973年，最小为0.06亿吨，发生在1997年，最大值是最小值的65倍。根据该站实测资料，统计分析19342001年历年径流量、输沙量见表42，水沙特征值见表43及图41。多年平均悬移质泥沙颗粒级配见表44。表42 咸阳站历年径流量及输沙量表年份年径流量(亿m3)年输沙量(万t)年份年径流量(亿m3)年输沙量(万t)年份年径流量(亿m3)年输沙量(万t)193454.9825585195868.1521444198229.93816193565.4023825195941.7427878198372.88704193644.6911270196032.7312554198472.812522193792.6833088196167.0812772198547.28925193865.099294196254.7514570198624.16276193932.378193196364.4712741198729.44320194078.01137681964111.7030199198844.410277194141.8214844196551.0013655198938.335582194232.085185196650.8732797199047.618641194359.3015705196774.1625103199126.234881194448.6516352196877.2226721199234.8312856194562.1527017196935.5911731199339.473959194672.0315986197059.8731536199418.093673194749.3824248197127.80555019955.252381194864.7510119197220.701992199611.292147194980.5924620197335.503878919975.77600195043.5012551197424.22271199817.582780195140.895702197570.49618199917.763799195268.8210559197653.48791200014.684809195335.579278197720.51750220019.9948195468.602740519783416998多年平均46.713360195559.4116588197920.37001最大111.738789195667.2620460198034.411953最小5.25600195745.597821198160.912993表43 咸阳站水沙特征值表项目特征值备注最大洪峰流量(m3/s)7220 (1954年8月18日)多年平均流量(m3/s)148多年平均径流量(亿m3)46.7其中：610月份平均径流量(亿m3)30.8 79月份平均径流量(亿m3)21.2多年平均含沙量(kg/m3)28.6最大含沙量(kg/m3)729 (1968年8月3日)多年平均悬移质输沙量(万吨)13360其中：610月平均悬移质输沙量(万吨)1240479月平均悬移质输沙量(万吨)10697图41 咸阳站年径流量及年输沙量过程线图表44 咸阳站悬移质泥沙颗粒级配表粒径（mm）0.0050.0070.010.0250.050.10.250.51中数粒径平均粒径小于某粒径沙重百分数（%）26.127.835.960.184.1095.898.199.31000.0190.034对咸阳站不同年代的径流量及输沙量进行分析，结果表明：50年代为中水中沙年，60年代为丰水丰沙年，70年代为少水少沙年，80年代为中水少沙年，进入90年代以后，水沙均偏少，但水量偏少的程度要更大一些。详见表45。渭河干流天水北道咸阳段为中游以上河段的主要产水区，其中北道以上河段为主要产沙区。 流域水沙变化是气候和人类活动共同作用的结果，在19701995年期间，咸阳站以上人类活动对径流、泥沙的影响作用很大，是水沙变化的主要影响因素。而近十年来，气候因素对径流和泥沙的的影响程度较大。80年代人类活动减水减沙效益最为明显，水利水保工程措施减水减沙作用较显著。随着人们环境意识的增强和水保治理力度的加大，渭河上中游有来水来沙呈逐年减少的趋势。表45 咸阳站径流量及输沙量分年代统计表年份径流量（亿m3）输沙量（亿t）合计平均合计平均19501960572.4252.0416.191.6219611970646.7164.6721.172.1219711980341.6134.1612.061.2119811990467.4446.748.210.8219912001201.2518.294.280.39由上述表及图可以看出咸阳站年径流量与年输沙量有一定的对应关系，即当年径流量较大时，年输沙量一般也较大，反之，当年径流量较小时，年输沙量一般也较小。悬移质的年内分配一般情况下是来沙较来水集中，来沙主要集中在汛期610月，其悬移质输沙量为12404万t，占多年平均悬移质输沙量13360万t的93%，而610月份径流量为30.8亿m3，占多年平均径流量46.7亿m3的66%；79月悬移质输沙量为10697万吨，占多年平均悬移质输沙量的80%，而79月份径流量为21.2亿m3，占多年平均径流量的45%。4.2.2 含沙量与流量关系渭河属多含沙水流，这给治理段的蓄水带来较大的困难。咸阳站位于治理段范围内，该河段的河床经多年演变后基本趋向冲淤平衡，可以采用咸阳站进行泥沙的有关分析。对咸阳站1980至2001年近20场洪水的退水过程进行分析，并将洪峰流量划分为5级（300500 m3/s，5001000 m3/s，10001500 m3/s，15002000 m3/s，2000m3/s）进行统计，见图42至图46。由图可见，含沙量和流量没有明显的相关关系，由退水过程点绘的含沙量和流量关系图点据较为散乱。但就某一个洪峰流量级来说，总的趋势是流量越大含沙量越大。对于洪峰流量在300500 m3/s的这一级洪水，其含沙量是最大的，分析原因是由于这一流量级的洪水多是汛期发生的头一两场洪水，在非汛期沉积的泥沙首先在这第一、二场洪水中被挟带下来，而在年最大洪水之后发生的洪水，其含沙量则相对较小。但也出现过后期发生的洪水含沙量较大的情况。另外又分析了1980年至2001年81场洪水的退水退沙过程，其中洪峰小于1000m3/s的47场，洪峰大于1000m3/s的34场，初步分析结果如下：洪峰流量小于1000m3/s的洪水，退水过程起蓄时段的流量不宜大于200m3/s；洪峰流量大于1000m3/s的洪水，退水过程起蓄时段的流量宜选在700m3/s以下。见图47和图48。具体操作时，可根据实际情况相机蓄水图42 Qm=300-500m3/s流量含沙量关系图图43 Qm=5001000m3/s流量含沙量关系图图44 Qm=10001500m3/s流量含沙量关系图图45 Qm=15002000m3/s流量含沙量关系图图46 Qm2000m3/s流量含沙量关系图图47 Qm1000m3/s流量含沙量关系图图48 Qm1000m3/s流量含沙量关系图4.2.3 沙峰与洪峰关系对咸阳站1980至2001年近20场洪水进行分析,大部分情况下沙峰滞后于洪峰：如1980年7月、1981年7月等洪水沙峰滞后洪峰10小时左右，1989年7月的第二场洪水沙峰滞后于洪峰29小时，1984年8月洪水沙峰滞后洪峰4小时；也有沙峰出现于洪峰之前的情况：如1989年7月的第一场洪水沙峰提前于洪峰10小时，1990年8月沙峰提前于洪峰31小时。相对而言，沙峰提前于洪峰的洪水其退水末端含沙量较小，有利于蓄水。总体而言，多是沙峰滞后于洪峰，滞后时间多为10小时左右。详见图49至图414。图49 流量含沙量过程线图（1980.7.26-8.11）图图410 流量含沙量过程线图（1981.7.14-7.19）图411 流量含沙量过程线图（1983.8.16-24）图412 流量含沙量过程线图（1984.8.3-10）图413 流量含沙量过程线图（1989.7.16-24）图图414 流量含沙量过程线图（1990.8.12-24）4.3 天然河床演变分析4.3.1 造床流量（1）平滩流量法由于造床流量时水位大致与河漫滩齐平，因为也只有当水位平滩时，其造床作用才最大，当水位再升高而漫滩时，水流分散，造床作用降低；水位低于河漫滩时，流速较小，造床作用也不强，因此可以直接采用与平滩水位相应的流量作为造床流量。1965年规划时采用平滩流量法计算的咸阳站的造床流量为1700 m3/s。2000年渭河中游干流防洪工程分析的咸阳站的造床流量变幅为13291888m3/s，取值为1610 m3/s。（2）马卡维也夫法马卡维也夫认为，造床流量的大小和其输沙能力的大小及该流量经历的时间长短有关。水流的挟沙能力与流量Q的某次方及比降J的乘积成正比，所经历的时间可用出现的频率P来表示，并当QmJP值为最大时，所对应的流量为造床流量。2000年渭河中游干流防洪工程可研，选用咸阳站1976年为典型年，采用马卡维也夫法进行分析计算的咸阳站的造床流量为1550 m3/s。（3）经验公式法黄河水利委员会根据黄河流域汛期来水来沙的特点，提出了一个用汛期平均流量计算造床流量的方法，其公式为：Qp=7.7Qx0.85+90Qx1/3式中Qp为造床流量，Qx为汛期平均流量，本次采用汛期710月的平均流量计算咸阳站的造床流量为1600 m3/s。按最大日流量均值法计算的咸阳站的造床流量为2100 m3/s。（4）频率计算法清华大学钱宁教授研究了国内外很多河流的资料后认为，造床流量相当于1.5年一遇的洪水流量。按此法计算的咸阳站的造床流量为1900 m3/s。根据上述分析计算，本次造床流量仍采用渭河中游干流防洪工程的有关成果，即咸阳站的造床流量按1900 m3/s来确定。4.3.2 实测资料分析（1）冲淤变化按汛前、汛后实测大断面资料统计，咸阳水文站断面冲淤变化范围为2.05.0m，1988年陕西院曾对渭河中游河段进行过横断面实测，1999年在进行渭河中游干流防洪工程可行性研究时，又对原横断面进行了复测，依据两次实测断面进行冲淤变化分析，并绘制了沿程冲淤变化图。咸阳城区河段（B177B165见附图1）冲淤变化，见图415。从图415可以看出，在1988年至1999年的12年中，咸阳水文站断面（B172）以上河段，就断面平均值而言，以冲刷下切为主，而咸阳水文站断面上、下河段出现淤积。主要原因是12年中未发生过较大洪水，咸阳站除1990年、1992年和1993年其最大洪峰流量大于中水造床流量外，其它年份均不足造床流量的50%，系小水小沙年，故该河段没有出现较大冲淤变化。进一步野外调查表明，本河段在大水期滩地出现较多的泥沙淤积，其主要原因是滩面上人为种植乔、灌木而产生挂淤作用所致。冲淤量（万m3） 图415 渭河干流咸阳城区段冲淤变化图再从套绘的1988年和1999年实测河段深泓线图（见图416）来看，咸阳城区河段除咸阳水文站断面稍有淤积外，其它河段似以冲刷为主。从套绘的1988年、1999年咸阳水文站测流断面横断面图（见图417）来看，该断面有冲有淤，淤积略大于冲刷。2003年渭河干流咸阳城区河段连续发生5次较大洪水，其中8月28日最大洪峰流量为5340m3/s。从套绘的2003年咸阳水文站实测横断面图（见图418）来看，最大冲刷深度为2.87m（横断面图为大沽高程系统）。实测横断面图上距起点约200m左右的部位，河底高程比较低，是近几年挖的沙坑，洪水期主流实际上偏右岸运行。我们通过中常洪水试验量测的河道断面变化情况，同时结合渭淤37断面1990年汛前至1996年汛后套绘结果，也可发现，即使中常洪水的造床作用，咸阳城区段洪水期河床也有较大幅度的冲淤变形。再从咸阳站实测大洪水水位、流量比较（表46）来看，今年发生的5340m3/s流量的洪水，比以往同标准的洪水水位高约0.60m，与1981年比较，流量小870m3/s，水位反而高0.51m ,分析其原因，主要是河滩上人为开垦种植了大量的乔、灌木，滩地糙率及湿周都很大，一遇漫滩大洪水，明显对水流起阻挡、拦淤作用，致使水位抬高。 图416 深泓点冲淤变化图图417 咸阳站测流断面冲淤变化图图418 咸阳站2003年冲淤变化图表46 咸阳站实测水位流量比较表流量级4000m3/s5000m3/s以上年份1959196220031958197019812003流量（m3/s）39204020396049105050621050405340水位（m）387.00386.99387.53387.2387.25387.32387.72387.83（2）河床平面变化根据调查访问，吕村至咸阳城区河段，1933年1964年摆动情况为：长9.5km河段，左岸移动河段长4.8km，占该河段长的51%。最大移距为200m，摆动幅度400700m。根据对渭河不同河段河型区划的研究结果，咸阳至泾河口河段河床综合稳定性指标：式中，B、H分别为造床流量下河宽及水深；i为河床比降；D50为床沙中径；、分别为泥沙及水容重。由于该指标小于5，属于游荡河型。即使是咸阳城区段，若取造床流量下B、H分别为300m及3m，i0.7，D500.39mm，2.7tf/m3，则由上式可求出Zw4.01，显然治理河段仍具有游荡特性。根据陕西省渭河中游干流防洪工程可行性研究报告，渭河中游咸阳城区河段主槽单一，河势较为顺直，平面变化受堤防工程的控制已趋稳定。若不出现较大洪水决堤改道，今后不会出现较大平面形态变化。（3）河床质资料分析咸阳站河床质级配成果见表47。可以看出，该河段河床组成颗粒小，易于冲刷，因此河床演变较为剧烈，河床较不稳定。表47 咸阳站河床质泥沙颗粒级配表粒径（mm）0.0050.010.0250.050.10.250.512510中数粒径平均粒径小于某粒径沙重百分数（%）0.150.240.743.46.124.172.298.099.599.91000.3800.4204.3.3现状河道中常洪水河床演变试验由于渭河为黄河第一大支流，水少沙多，特别是近十年来大洪水出现几率小，而含沙量大的中小洪水频发，泥沙淤积严重，河床不断抬高，造成主槽明显萎缩，行洪能力偏低，河床演变特性十分复杂。为了掌握该河段中常洪水河势演变特征，使得河道治理工程能够顺应该河段自然演变规律，避免河道治理后出现大规模的河床再塑造，而影响治理河段工程正常运行及上下游河势稳定，我们首先以1983年洪水水沙资料为基础概化出流量、含沙量进口水沙条件，开展了现状河道地形边界条件下（未建河道治理工程）不同流量级洪水模拟试验。中常洪水试验所取的主要流量级为1000m3/s、2000m3/s 、3440m3/s，相应的含沙量仍以输沙率法加以匹配。套绘上述试验量测的河道断面图（图419），结合渭淤37断面1990年汛前至1996年汛后资料分析结果（图420至图422），可以发现，即使是中常洪水的造床作用，渭河咸阳城区段洪水期河床也有较大幅度的冲淤变形。由中常洪水河势演变试验可以看出，尽管本河段断面形态及主流随流量增加而有所变化，但整段河势相对是稳定的。拟建工程进口段由于受上游凸入河内左堤的顶托，右岸靠流几率较大，着流部位也较为稳定；而在出口段，主流傍左岸再经铁路桥北侧滑向下游，在本治理工程进出口布局时应充分利用上述特点，以尽量减少对上下游河势的影响，同时缓解治理工程边界与洪水运行之间的矛盾。图4-19 现状河道中常洪水试验主流线套绘结果 图420 渭淤37断面1990年-1992年河道断面套绘 图4-21 渭淤37断面1993年-1994年河道断面套绘 图4-22 渭淤37断面1995年-1996年河道断面套绘4.4治理后河道冲淤分析4.4.1方案比选成果（1）泥沙模型试验对比分析本阶段，通过河工动床模型试验和数学模拟计算，对一槽方案、二槽方案做进一步比选分析。为研究工程长时间运行过程中的冲淤情况，根据近年渭河水沙特点，选择1990年1999年实际洪水系列进行概化，作为中小水大沙型系列年试验的水沙条件，对一槽、二槽方案进行对比试验。一槽方案的运行方式为：当上游来水流量小于或等于2800 m3/s时，上游来多少水泄多少水，保持泄洪蓄水渠处于蓄水状态；当上游来水流量大于2800m3/s时，橡胶坝塌坝，全河道过洪。二槽方案的运行方式为：当上游来水流量小于泄洪浑水渠的过流能力（Q2800 m3/s）时，上游来水由泄洪浑水渠下泄，泄洪蓄水渠保持蓄水状态；当上游来水流量大于2800 m3/s时，橡胶坝塌坝，全河道过洪。在小水大沙条件下，由于原河道经过了人工开挖，两个方案都存在改变天然河床状态后的再造床过程，但是，一槽方案的河床上经淤积再造床形成新的滩、槽，试验过程中险象环生，局部发展为横河、斜河，且随着泥沙淤积，小流量也将出现高水位，防洪形势极为严峻。经过多年水沙系列试验后，一槽方案淤积759万m3；二槽方案泄洪蓄水渠淤积81.8万m3，泄洪浑水渠淤积192.85万m3，合计274.3万m3；比一槽方案少淤积484.7万m3，为一槽方案的36.1%，可见一槽方案的淤积十分严重。因此，在同等蓄水条件下，一槽方案比二槽方案淤积多，平均淤积厚度达3m以上，严重影响了防洪安全和工程正常运行。（2）数学模型对比分析除开展泥沙模型试验研究外，我们还根据近年来渭河咸阳河段来水来沙特点，利用水沙数学模型，对一、二槽方案在无较大洪水冲刷以及有较大洪水冲刷条件下进行了对比计算。经对1990年2003年咸阳水文站实测水沙资料分析发现，2003年8月9月发生的洪水具有典型性或代表性。其水沙过程见图423。选取该水文年度发生的四次洪水中的连续两次作为整治河段不同方案计算入流水沙条件。两方案数学模型分析计算结果见表48。s（km/m3）图423 拟选用的2003年洪水水沙过程表48 整治河段冲淤计算结果 （万m3）洪水方案高含沙小洪水高含沙小洪水洪水冲沙来沙量淤积量淤积率来沙量淤积量淤积率一槽1288199.4615.5%2978106.603.6%二槽蓄水渠/5.6%蓄水渠68.912.8%浑水渠72.57浑水渠15.32由表48可以看出，由于一槽方案高含沙小洪水过程中立坝壅水，导致大量淤积。二槽方案则不同，泄洪浑水渠敞泄大量泥沙被水流带往下游。因此高含沙小洪水后，一槽方案淤积量明显大于二槽方案。对于高含沙小洪水后跟随较大洪水冲沙的情况，一槽方案淤积量为106.60万m3，小于高含沙小洪水淤积量，46.5%的淤沙被带走，冲沙效果良好。对于二槽方案，蓄水渠由于过洪，淤积量为68.91万m3，但是，总淤积量仍比一槽方案少22.37万m3。泄洪浑水渠78.9%的淤沙被带走，说明冲沙效果良好。4.4.2二槽方案冲淤分析首先，对项目建议书阶段二槽布置方案，选取“1983”型和“1981年”型两场典型洪水进行泥沙模型试验。“1983”型洪水历时3.25天，洪峰流量为3440m3/s，最大含沙量为140kg/m3，属于中常洪水类型，含沙量相对较大。“1981年”型洪水历时2.3天，洪峰流量6210m3/s，最大含沙量为44.6kg/m3，洪峰流量较大，而对应的含沙量相对不大。从模型试验结果看，项目建议书阶段布置方案主要存在以下两方面的问题：（1）工程入口处水流条件差。1坝位于原河道主槽由北向南转折处，导致主流顶冲1坝，水流紊动刷烈，局部冲刷强度大。（2）整治河段由曲率较大的连续弯道构成，阻水明显。更为重要的是，受两侧建筑物限制，弯道横向发展受到制约，强制性弯道引起的横向输沙造成凹岸一侧垂向冲刷剧烈，冲起的泥沙则又被弯道环流带至凸岸，形成严重淤积。针对存在的问题，对平面布置进行了优化。主要优化内容：治理段长度由5.5km左右缩短为4.6km左右，橡胶坝梯级由三级优化为两级；将弯曲的治导线调整为相对平顺的形式；在1坝上游左岸修建潜坝以适当控制主流，改善整治段入流状况；泄洪蓄水渠相应减少至270m；泄洪浑水渠加宽至230m。两方案淤积对比结果见表49。表49 模型试验泥沙淤积对比表淤积情况原布置方案优化布置方案81年洪水（6210 m3/s）83年洪水（3440 m3/s）81年洪水（6210 m3/s）83年洪水（3440 m3/s）蓄水渠浑水渠合计蓄水渠浑水渠合计蓄水渠浑水渠合计蓄水渠浑水渠合计淤积量(万m3)83.5998.37182.2675.6472.76148.4077.0216.293.2264.8214.3379.15淤积比/11%/21.8%/4.7%/9.7%由表49可以看出，优化布置方案与原布置方案相比，河段整体淤积量有较大幅度的下降，表明在河道整治过程中洪水再造床过程减缓，泥沙淤积数量也相应减少。以1983年洪水试验结果为例，泄洪蓄水渠淤积量减少了10.82万m3，占淤积量的16.7%，泄洪浑水渠淤积量减少了58.43万m3，占淤积量的407%，总淤积量减少了69.25万m3，占淤积量的87.5%。由于规顺了纵向建筑物，弯曲半径增大，河床边界与水流的矛盾有所缓解，因而局部冲刷强度明显减弱。虽然工程局部仍出现水流集中冲刷和局部冲刷现象，但是冲刷强度明显减弱，1坝附近河床最大冲刷深度约为6.5m，出口处约为4m，泄洪浑水渠水流顶冲处为8.2m，其它部位冲刷较小。采取合理的防冲措施，可以确保建筑物的安全。此外，进、出口条件明显改善。由于上游设置导流潜坝，而且1#坝下移，右岸靠流较为稳定，泄洪浑水渠入流条件较好，大大减少了1#坝前壅水和顶冲，出口由于调整了右岸治导线，取消了泄洪浑水渠末端橡胶坝，并且2#坝上移，出流有所左移，与自然状况接近。渭河1954年发生洪峰流量为7220m3/s的洪水，最大含沙量280kg/m3。对优化后的布置方案进行了“1954年”型洪水试验。该场洪水上游来沙量为1612万t，洪水后治理河段总淤积量为54.0万m3，其中蓄水渠39.76万m3，浑水渠14.24万m3。图7.16所示为“1954年”型洪水试验累计淤积测验结果。对治理河段而言，淤积率为3.5%，小于“1983年”型洪水及“1981年”型洪水试验的淤积率，这一试验结果与渭河一般淤积规律是一致的，即淤积主要是由中小洪水造成的。图424 “1954”年型大洪水沿程淤积量洪水期在两坝附近测得的最大水深分别达10m及7.5m，减去冲刷前水深，推得最大冲刷深度约为6.5m及4m。此外，洪峰期在浑水渠水流顶冲处测得最大冲刷坑水深达11.7m，推得最大冲刷深度约为8.2m。由于规顺了纵向建筑物，弯曲半径增大，河床边界与水流的矛盾有所缓解，因而局部冲刷强度明显减弱。虽然工程局部仍出现水流集中冲刷和局部冲刷现象