清水下泄下游河道冲淤特性与演变特性

1、清水下泄下游河道冲淤特性与演变特性 摘要：小浪底水库的主要任务是防洪和减淤，同时也应尽量满足其它方面的兴利要求。三门峡水库1960年9月1964年10月初期蓄水拦沙阶段，库区潼关以下淤积36.5亿t泥沙，下游河道冲刷23亿t，其中高村以上冲刷16.9亿t，占73%。关键词：清水下泄 下游河道 冲淤清水下泄下游河道冲淤特性与输沙特性小浪底水库的主要任务是防洪和减淤，同时也应尽量满足其它方面的兴利要求。三门峡水库1960年9月1964年10月初期蓄水拦沙阶段，库区潼关以下淤积36.5亿t泥沙，下游河道冲刷23亿t，其中高村以上冲刷16.9亿t，占73%。图5-1是根据三门峡水库下泄清水期洪峰时段资

2、料，点绘的下游不同河段日平均冲刷量和花园口站流量间的关系，由于用洪峰时段日平均冲淤量点绘该图，使得图中的横坐标建立在同一个时间基础上，更能客观地反映不同河段的冲淤特性。在资料 分析 中，考虑了位山枢纽运用和破坝的 影响 。实测资料表明，影响冲刷距离的主要因素是流量，从图5-1可以看出，在花园口流量q花1500m3/s时，点群逐渐分离，说明冲刷可以发展到高村至艾山间。从图中给出的艾山利津河段的日均冲淤量与流量间的关系表明，流量小于500m3/s时基本不淤，在流量小于1500 m3/s时随着流量的增大，该河段的的淤积量增大，1500m3/s时淤积最强烈，但淤积量绝对值很小。而后随着流量的增大淤积强

3、度减弱，在流量大于2500m3/s后河道发生冲刷, 在4000m3/s时，冲刷最强烈，冲刷1t泥沙用水量仍达345m3，而艾山以上河段冲刷1t泥沙用水量仅86m3，即80%冲刷量发生在艾山以上河段。由此可见，对艾山利津河段冲刷1亿t泥沙的要需水量相当可观。根据以上分析，在制定水库运用原则时，可将兴利流量上限放大到1200 m3/s，既照顾了发电和下游用水要求，又不至造成艾山以下河段的严重游积。清水冲刷、滩地坍塌，河槽在摆动中下切三门峡水库1960年9月1964年10月蓄水拦沙运用，在年均来水量559亿m3、来沙量5.82亿t、年均含沙量10kg/m3情况下，全下游共冲刷23亿t，年均冲刷5.7

4、8亿t。其年均冲刷量分布列入表5-1。1980年10月至1985年10月，下游年均来水482亿m3，年均来沙量9.7亿t，年平均含沙量20kg/m3，属于天然情况下来水丰、来沙少的典型系列，全下游累计冲刷4.85亿t，全河年均冲刷量0.97亿t，高村以上河段年均冲刷1.19亿t,高村艾山年均淤积0.45亿t,艾山利津年均冲刷0.11亿t,详见表5-1。三门峡水库1960年9月至1964年10月下泄清水时，根据以往资料分析，在高村以上河段塌滩280km2，平均塌滩宽度1000m，各河段的分布情况见表5-3。其中，花园口至夹河滩河段塌滩最严重，平均塌滩宽度1181m，其中柳园口至古城河段平均塌滩宽

5、度长达2300m。断面资料套绘表明，河床在冲刷过程中，不断的摆动，塌掉二滩、高滩，新淤出是低滩，详见花园口断面变化套绘图5-2。根据河势的变化与断面套绘分析主流摆动范围最大达10km，发生在伊洛河口，平均摆动范围3.54.2km; 1981年至1985年河槽的摆动范围有所减小，最大摆幅6km，河段平均摆范围23.5km，主要是控导工程的不断兴建控制了河槽的摆动范围。各河段的摆动范围详见表5-3。三门峡水库1960年9月1964年10月清水冲刷期几十个大断面资料，统计出各河段塌滩情况见图5-3，高村以上河段塌滩面积279km2，平均塌宽1000m，最大河段塌宽2300m，河槽在摆动中下切，若只在

6、一岸兴修整治工程，由于游荡性河段比降陡，河床组成抗冲能力弱，床沙最易起动。水沙条件变化后，河床形态调整将十分迅速。今后小浪底水库运用后下泄清水，塌滩将不可避免。河床纵剖面和平滩流量变化表5-4给出1960年9月1964年10月和1980年1985年10月汛末q=3000m3/s水位变化情况。1960年9月1964年10月，在高村以上河段冲刷量分别为16.9亿t时，流量3000m3/s时，水位下降变化范围在2.71.65m，呈沿程减少趋势。平滩流量的变化， 由1960年10月的3000 m3/s水位：花园口站92.25m，到1964年10月，水位92.32m时实则过流量9430m3/s，相同水位

7、过流能力增加了6430m3/s；夹河滩站1960年10月3000m3/s时，水位73.56m，到1964年10月，水位73.11m时实则过流量9360m3/s，水位基本相同过流能力增加了7000m3/s；高村站1960年10月3000m3/s时，水位60.77m到1964年10月，水位61.41m时实则过流量9050m3/s，相同水位过流能力增加了3500m3/s。综上所述，如果1960年10月的平滩流量按4500m3/s起算，则花园口以上河段的平滩流量在10000m3/s以上，花园口至夹河滩河段的平滩流量约为10000m3/s，夹河滩至高村河段的平滩流量在10000-8000m3/s。198

8、01985年，高村以上冲刷量5.95亿t时， 3000m3/s流量水位下降变幅为0.80.35m，平滩流量 由1981年1月前的5000 m3/s增加到1985年汛前的6500 m3/s。以小浪底水库运用前十年冲刷量12亿t，河槽的平均冲刷宽度按2000m，容重rm=1.5t/m3 计算 ，在高村以上长290km的河段内，河床平均将下切1.38m；若冲刷量为20亿t，平均冲刷宽度为2500m，河床平均将下切1.84m.。综上所述，在 目前 下游河道整治布局情况下，主流的摆动范围一般仍在20003000m，个别河段可达到4000m以上，在小浪底水库投入运用后，河床在下切的过程中，滩地坍塌是不可避

9、免的，仍会出现塌掉高滩、淤出低滩、河槽展宽、主流摆动不断、河势突变而造成钻裆，导致平工出险难以控制的局面。清水冲刷期河势变化特点与险情在能量消散过程中，任何的具能体总是遵循这样 规律 ，将它所具有的位能以最快的速度、最短的时间、最大的能量消散率消散，从而达到最稳定状态。游荡性河道的河势变化同样是能量消散规律在起主导作用。由于游荡性河道河槽极为宽浅，河槽对水流的约束作用弱，因此在洪水期改道时形成的河槽总是顺直的，沿着最大比降方向流动，这就是洪水期河势趋直的原因所在；至于河流的弯曲，则是由于受边界条件的制约而形成的，如控导工程的挑流作用，弯曲性河槽的约束作用等。游荡性河流普遍存在着“大水趋直、小水

10、坐弯”的河势变化规律，小水坐弯是由于河床局部边界条件对水流的约束与控导作用的结果。如由于水流与泥沙的相互作用，形成犬牙交错的边滩，先造成主流动力轴线的弯曲，随之发生一岸坍塌和另一岸的淤积，形成凹岸与凸岸之分，逐渐形成弯曲的流路。但是并非所有在枯水期产生主流弯曲的河流都能形成稳定的弯曲性河道，主要是河槽形态不同对水流的约束作用不同；游荡性河道河槽宽浅对水流约束作用差，因此造成游荡性河道河势变化的随机性，使得河势的 发展 很难预估。当洪水试图沿着最大比降方向流动时，遇到阻水和挡水物时被迫改变流向，当水下的边界条件无法预先知晓时，河势变化则呈现随机性。但是由于流量大小不同，水流所具有的动能不同及水位

11、高低不同，河床对水流的约束作用也不同，河势变化又呈现出一定的规律性，如小水河势顶冲点会上提，大水河势顶冲点会下挫。从19601964年和19811985年高村以上游荡河段河势变化的实测资料 分析 可知，游荡性河道在清水冲刷期的河势变化同样具有复杂性、随机性和相关性的特点，工程着溜点上提下挫、变化无常，河势变化“一弯变、弯弯变”。在洪水期，由于河槽对水流的约束作用弱，河势易出现突变；在落水期，水流归槽后，河势受局部地形胶泥嘴等耐冲体的控导，易坐死弯，形成“横河、斜河”使平工出险。如1964年汛期发生在花园口东大坝处的重大险情，横河顶冲191坝，抢险抛石量达11900m3。边界条件的变化会使河势的

12、发展受到限制，近年来大量控导工程的兴建限制了游荡范围。由于河槽的逐渐冲深，滩槽差的加大，平滩流量增加，主流只能在河槽内游荡摆动，不会出现在二级悬河普遍存在的情况下，因平滩流量小，洪水漫滩后突然改道，另择捷径，大幅摆动的情况。但主流的摆动会造成滩地的大量坍塌，使河槽更趋宽浅，河势失去控制，原有的控导工程不靠流，流路发生重大改变，造成在控导工程间钻裆的危险河势依然可能出现。在来水丰、来沙少的1981年至1985年，游荡性河段严重的险情明显增加，最典型是化工、大玉兰工程的钻裆险情与北围堤严重险情（见图5-4）。由于1982年大水，8月2日小浪底站洪峰流量8520m3/s，主流河势趋中，没有入赵沟弯；加之1983年丰水，流量常在40005000m3/s，在赵沟下首靠河，化工控导工程尾部着流坐湾，引起大玉兰工程上首高滩坍塌后退，大玉兰工程受到抄后路的严重威胁。由此可见，在小浪底水库投入运用后，在河道冲刷过程中，遇到来水丰时，滩地坍塌坐弯，河势失控后，仍可能发生主流顶冲钻裆形成滩地坐湾、控导工程脱河严重的险情综上所述，在近期黄河下游高村以上河段河道特性不可