高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点及机理分析

1、高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点及机理分析<    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 1950 1977 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

2、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 d 0.05mm 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 1880 × 104 6100 × 104t 。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

3、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 30

4、m ，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 Generalized chart of the transversesection of the braided reach             &

5、#160;   图 2 概化模型平面布置示意图 Plane sketch of the generalized model         试验采用黄河花园口的淤泥，其中值粒径 d50=0.03mm ， d 0.01mm 的细颗粒泥沙占 10% 。         表 1 试验水沙条件     Flow and sediment condition of the ex

6、periments             组次     流量 (l/s)     含沙量 (kg/m3)     放水历时 (min)             1     16.04  &

7、#160;  165.0     90     2     22.03     256.0     60     3     25.05     430.0     40     

8、4     11.26     256.0     40             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

9、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 1.1 1.8 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

10、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 3 Sm/Sf Um/Uf Relation between Sm/Sf

11、Um/Uf                 图 4 水位变化过程 Variation process of flow stage          (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

12、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     Contrast of particle diameter on flood plain to in main channel             试验组次     取样编号    &#

13、160;滩     槽                     D50(mm)     d 0.01 含量 (%)     D50(mm)     d 0.01 含量 (%)      &#

14、160;          S-11     0.125     43     0.0275           S=165kg/m3     S-6          

15、             10                   S-0     0.0155     30             &#

16、160;       S-13     0.0255     10                 S=430kg/m3     S-1             

17、0;   0.034     10           S-14                 0.0275     10            &

18、#160;          表 3 比降 J 变化过程     Variation process of slope(J)             历时 ( 分钟 )     0     10     12  

19、0;  20     30     35     40     42     60     65     90     平衡比降 ( )           &

20、#160; 含沙量 (kg/m3)     S=165     1.71           3.48                             3.72  

21、;         3.65     3.03     3     S=256     5.46     4.1                 4.17   

22、  4.31     4.31           3.96                 4     S=430     1.88         

23、0;       3.95                 4.6                             4.6   &#

24、160;                   表 4 不同流量级各断面淤积厚度 单位： cm     Cross sectional depositions h Ei ght on different discharges             断面号 &#

25、160;   1     2     3     4             含沙量 (kg/m3)     S=165     4.67           

26、2.8     2.6     S=256     6.7     2.5     2.3     2.7     S=430     9.4     8.1     8.5   

27、  8.8                       表 5 滩地淤积厚度横向分布 单位： cm     Transverse distribution h EI ght on flood plain           

28、60; 含沙量 (kg/m3)     断面号     距滩槽交界面距离 (cm)             20     60     100             S=165  

29、;   1     5.0     4.5     4.5     3     2.8     2.8     2.8     4     4.0     1.2     1.6             S=430     1     9.5     9.2     9.5     2     9