基于改造宽浅游荡河道的途径和输沙流量-土建水利论文

1、基于改造宽浅游荡河道的途径和输沙流量-土建水利论文    摘要摘要：冲积河流的特性取决于流域因素，来自流域的长期水沙条件，决定了河槽的形态和比降，及河床组成。不同河流的来水来沙条件组合不同，塑造出不同的河槽形态和比降，从而决定了水流的强弱，形成不同的输沙特性，对于一定的河槽形态，小水淤积、大水冲洗分界流量是确定的。因此，来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性；不同的河槽形态对水流的约束功能不同，又形成不同的演变特性；河床组成的抗冲性和水流的强弱决定了河槽的稳定性，因此形成不同的河型。 摘要：游荡河道 改造途径 输沙流量 1 水流塑造河槽，河槽约束水流 冲积

2、河流的特性取决于流域因素，来自流域的长期水沙条件，决定了河槽的形态和比降，及河床组成。不同河流的来水来沙条件组合不同，塑造出不同的河槽形态和比降，从而决定了水流的强弱，形成不同的输沙特性，对于一定的河槽形态，小水淤积、大水冲洗分界流量是确定的。因此，来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性；不同的河槽形态对水流的约束功能不同，又形成不同的演变特性；河床组成的抗冲性和水流的强弱决定了河槽的稳定性，因此形成不同的河型。河型的不同是多因素综合的结果，是河流演变、输沙特性的集中反映。河道的输沙特性和演变特性间存在着密切的联系，其原因是它们都受河槽形态的控制。不同河型的主要差别是由于它们具有不同的河槽形态，

3、具有窄深河槽的河流，不仅输沙能力强，河道很少淤积，且河势受窄深河槽的约束，河道稳定，多年坐弯得以累计，可发展成弯曲性河流。而具有宽浅河槽的河流，不仅输沙能力低，河道强烈堆积，且宽浅河槽无法约束洪水期河势变化，受局部边界的影响经常产生“横河”“斜河”，发生游荡摆动，产生难以预料的河势变化和险情，对防洪极为不利。游荡性河道以宽浅著称。由于河道宽浅使得河道输沙能力低；由于河道宽浅无法约束主流，经常造成游荡摆动，使平工脱险，引水困难；由于河道宽浅，整治工程无法布置而难于整治，因此，从防洪、输沙减淤、河道整治控导河势等各方面都希看把游荡性河道治理成具有窄深河槽的规顺的河道。2. 游荡性河道的形成3，5，

4、6游荡性河道的形成是流域长期来水来沙条件功能的结果。资料统计表明，当进进河流的水沙搭配用输沙率Qs和流量Q的指数关系表示时( )。不管多沙或少沙河流，m值小者形成游荡性河流,m值大者形成弯曲性河流。美国的一些河流m=34时，也形成具有窄深河槽( 式中的b=0.00.1)的弯曲性河流。m值的物理意义表示洪、枯水时的泥沙搭配情况。图7-1给出黄河主要干支流含沙量和流量间的关系说明m值的物理意义，图中的m%26cent;=m-1。当各级流量挟带的含沙量相等时，m%26cent;值为零；洪水时含沙量小于枯水含沙量时，m%26cent;值小于零；洪水较枯水的含沙量相差越多，m%26cent;值越大。m%

5、26cent;值大者表示河流的泥沙尽大部分靠高含沙洪水输送，而枯水时的含沙量很低。m%26cent;值小时，小水带大沙，造成河槽强烈淤积，断面宽浅，输沙能力低，河床抬高、比降变陡，河道稳定性差，久而久之，形成目前的游荡性河流。而m值大的河流，由于尽大部分泥沙由洪水输送，通过滩淤槽冲塑造的窄深河槽，输沙能力强，加之枯水时含沙量低，河槽不仅不淤还会产生一定冲洗，使得窄深河槽得以长期保持，流域注进河流的泥沙能够顺利输送，可保持多年冲淤相对平衡，形成比降平缓稳定的河流，能使小水坐弯得以多年累积，终极发展成弯曲性河流。游荡性河流具有比降陡、河槽宽浅、河床组成粗、抗冲能力差和河道输沙能力低的特征。黄河下游

6、高村以上河段为典型的游荡河段，造成河段输沙能力低的主要原因是河槽极为宽浅。渭河、北洛河是黄河中游的主要支流，起源于粗沙产区。流量比黄河干流小，含沙量比黄河高，河道比降和黄河下游高村以上河段相近，但仍能形成比较稳定的弯曲性河流。其主要原因就是其来水来沙比较有利，由m值较大的水沙组成。流域的来沙主要由高含沙洪水挟带，枯水期流量小，含沙量低，使得高含沙洪水塑造的窄深河槽能够长期保持。根据资料统计，以日均匀含沙量大于300kg/m3计，北洛河、渭河由高含沙洪水挟带的沙量分别为72%和40%，有的年份高含沙洪水挟带的沙量达80%90%，如1977年北洛河和渭河的来沙大于300kg/m3分别占89%和71

7、.0%，枯水期含沙量很低常不足1kg/m3，而造成塌滩的低含沙洪水很少发生。北洛河在2030年内才发生一、二次低含沙洪水。渭河下游低含沙洪水固然发生的机会较多，但对河槽的破坏功能并不严重，每逢高含沙洪水发生时，均可使前期较宽浅的河槽形态得到调整，使窄深河槽得以维持。在这样水沙条件的控制下，形成较为窄深规顺的河槽形态，经常保持高效输沙状况。渭河、北洛河下游河道的客观存在，为我们提供了改造黄河下游河道的实例，指出了黄河下游河道的治理方向，可作为今后长期治理的奋斗目标。3. 河槽形态调整变化不同来水来沙条件的河槽形态调整变化表明，枯水大沙淤槽，净水冲洗塌滩，河槽展宽。洪水滩淤槽冲，尤其是高含沙洪水通

8、过滩地强烈淤积和主槽的强烈冲洗可塑造出适合高含沙洪水输送的窄深河槽。根据黄河下游的实测资料黄委会设计院得出高村以上河段的水力几何形态和来水来沙之间关系如下3摘要：式中含沙量为kg/m3，流量为m3/s，h为m，v为m/s。图7-2给出花园口站水面宽、水深和流速值和流量、含沙量间的关系。图中包括60年代三门峡下泄净水、70年代高含沙洪水期和90年代的资料，其中摘要：从图中的点群分布可知，不同年代的资料集中分布在均匀线的两侧。在流量相同时，高含沙洪水期间河宽明显变小，水深、流速增大。含沙量越低河宽越大，水深、流速越小。这些规律性的变化，反映了冲积河流的河槽水力几何形态，随着来水来沙组合不同会发生相

9、应的调整。从上式可以看出，河槽的水力几何形态，不仅和流量有关，还和含沙量有关。较全面地反映了游荡性河槽形态调整和来水来沙之间的密切关系。其河宽B和过水面积和含沙量成反比，和流量成正比，水深、流速和流量、含沙量成正比。在流量相同的条件下，含沙量越高，塑造形成水深、流速越大，输沙效率越高。由于河宽和含沙量成反比，水深和含沙量成正比，因此高含沙洪水在宽浅游荡河段输送时，必然会塑造出窄深河槽。4. 塑槽输沙流量的确定由图7-3给出的1970年以后进进下游含沙量大于200kg/m3的五场高含沙洪水均匀含沙量的变化过程可知，在高村以上河段含沙量迅速降低。而在高村以下河段，含沙量沿程变化很小，尤其是艾山到利

10、津近300km长的河道中，含沙量不仅不减，反而沿程增大。由此可见，高村以上宽浅河段是利用河道输送高含沙水流进海的主要障碍，但若能控制高村以上宽浅河段主槽不淤，通过滩淤槽冲则可塑造有利于输沙的新河槽。对高村以上宽浅河道，其输沙机理应和艾山以下窄深河道相同，但由于河槽形态不同，水深在断面上分布极不均匀，而造成输沙特性的不同。主流区水深、流速大，进进高流速区很轻易达到不淤的多来多排条件。而在边滩，水深、流速小，处于低流速区，阻力大，泥沙强烈淤积，来水的含沙量越大淤得越多，即“多来多淤”，因此形成高村以上宽浅河道的“多来多排”和“多来多淤”的双重输沙特性，主槽多输，滩地多淤，实测断面滩淤槽冲的变化也证

11、实了这一输沙特性。根据对高村以上河段历年含沙量较高的洪水期主槽的冲淤条件分析，发现主槽的冲淤主要和流量大小有关，和含沙量的关系不明显，高含沙洪水对河床冲洗更强烈，且河床冲洗主要发生在涨水期。如图7-4给出的花园口、高村、艾山三站的洪峰流量和洪 水 前 后3000m3/s水位差间关系表明，当洪峰时段流量为40005000m3/s时，宽浅河段的主槽基本上都发生冲洗，利用这级流量排沙可以基本控制主槽不淤。根据水深流速间的关系，控制床面为高输沙平整床面，所需的主槽均匀单宽流量要大于5m3/s，流速2.0m/s。因边滩的水深流速小，洪水漫滩必然造成严重淤积，但这种淤积有利于河道的稳定和输沙。从1973年

12、8月和1992年8月持续时间较长的高含沙洪水在宽浅河段输移情况可知，河段的输沙特性均经历了由淤变冲的过程。如1973年8月的高含沙洪水，在初期含沙量沿程降低，夹河滩以上河段的排沙比只有66%，而在洪水后期，含沙量沿程增大，河段的排沙比达124%。经过210km长的宽浅河段，到夹河滩站的实测含沙量仍能达444 kg/m3，如图7-5所示。由此可知，利用历时较长的高含沙洪水输沙可以进步河道的输沙能力，减少宽河段的淤积。从图7-6给出的花园口站的断面形态变化可知，其输沙能力变化的主要原因，是高含沙洪水在输送过程中塑造了窄深河槽，使输沙能力迅速进步。为此水库应具有较大的调沙库容，对自然来水来沙进行多年

13、调节。平枯水年蓄水拦沙运用，下泄净水发电；调沙库容淤满后，利用丰水年水量有余，而小浪底水库又无法调节利用时，利用洪水期泄空水库进行溯源冲洗，排沙流量应大于3000m3/s。5. 比降变化对泥沙输移的影响比降是河流洪水输移演进的动力。比降在冲积河流调整过程中，不象河槽横断面形态变化那样剧烈，经过一场洪水塑造即可使断面形态发生巨大的变化，从而对输沙产生明显的影响，其变化一般是缓慢的。冲积河流的比降一般是沿程变缓的，呈下凹形，但河流的调整，往往使得流速沿程变化不明显，没有因比降的变缓而使水流的流速降低，而是始终保持某一固定的数值，甚至沿程增大，和河道比降的变化相反。其调整的机制主要是通过河宽的变化，

14、来调整水深值，从而保持流速始终处于较高的数值。往往是比降变缓，河宽减小，水深增加，从而使流速不变。表7-1给出黄河下游主槽1973、1977年汛期实测流量3000m3/s水深、流速的沿程变化表明，比降由小浪底站的8 ，到艾山以下河段减小到1 ，均匀流速并没有减小，而是由2.0m/s增加到2.5m/s，因此使得平滩流量的水流挟沙能力沿程不会降低。渭河下游河道的比降变化也较大1，图7-7给出耿镇渭淤13#，比降由4.5 过渡到2.1 ，渭淤13#断面到渭拦2#断面，比降由1.72 变缓到0.57 ，由图中给出的各断面的形态可知，水面宽是沿程减小，由上段的700800m，到华阴以下河段减至250m，

15、使得流速沿程不降低。图7-8给出北洛河下游河道河槽形态沿程变化也表明同样的情况2。因此，使河流沿程输沙特性不因河流比降的变缓而受到影响。从表6-5给出渭河高含沙洪水沿程主槽的冲洗情况说明，随着比降的变缓，主槽在洪水期冲洗深度，并没有减弱，而是略有加强。根据渭河下游、北洛河下游、三门峡库区151场洪水，流量变化范围505150m3/s，含沙量变化范围10786kg/m3，比降0.274.50 ，得出的输沙公式摘要： ,比降的方次仅为0.006，接近于零，对输沙的影响很微弱。造成上述输沙特性当然还和含沙量增加、流体粘性增大、沉速大幅度降低、输送更轻易有关。从表4-1给出的不同河流的比降的变化范围可

16、知，几乎在同一比降条件下，不同河流所以均能达到输沙平衡，是由于洪水塑造了不同的河宽。如北洛河主槽宽仅100m，流量200300m3/s的高含沙洪水均可输送，渭河下游华阴以下，比降不足1 ，河宽仅250m，1000m3/s洪水均可输送。因此形成大水塑造大的河宽，小水塑造小的河宽，且均可输送流域的来沙。综上所述，在冲积河流实测比降的变化范围，看不出对洪水输沙的明显影响。6. 调水调沙和河道整治相结合是改造宽浅游荡河段的有效途径早在30年代，德国著名治河专家恩格斯教授，就指出在游荡性河道形成中水河槽的重要性。并得到众人的认同。沈怡在评述各家治河主张时，对治理中水河槽给予高度的评价。他指出摘要：“由于种种病象均由河无定槽而起，所以假如要治河，必须首先使河槽定”，“无论何人来治河，都必须这样做”。可见具有河槽的重要。但如何形成中水河槽一直是人们关心的新题目。也是游荡性河道治理的关键。通过对游荡河道河槽形态调整变化规律探究，我们熟悉到单纯用河道整治工程治理游荡性河道是有困难的。新中国成立以后，黄河下游整治实践说明高村以下河段通过护湾导流，河道稳定，整治获得成功，然而对高村以上的宽浅河段，固然也采用同样的整治办法，目前的摆动范围固然有所减小，但在洪水期仍经常发生河势的忽然变化，造成平工脱险，给防洪造成被动。其主要原因是前者具有窄深河槽，河道轻易控制。而后者河槽极为宽浅散乱，整治工