水利工程論文-城市河道渠化方案探討-以蘭州市黃河段為例.doc

水利工程論文-城市河道渠化方案探討-以蘭州市黃河段為例摘要：以蘭州市為例研究黃河蘭州段河道渠化整治方案與泄洪等的關(guān)系。在對河道地形、河相關(guān)系、造床流量及河床演變規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，提出了切實可行的整治寬度240m、泄洪寬度300m及相關(guān)建議，并進(jìn)行了物理模型試驗和數(shù)值計算，實驗與計算基本吻合。該方案的實施不但可滿足泄洪的要求而且并未引起水位、流速及河床斷面地形較大幅度的變化。關(guān)鍵詞：河道整治整治寬度泄洪寬度物理試驗1河道概況黃河蘭州段位于蘭州帶狀盆地，呈東西走向，西起西柳溝，東至桑園峽，全長44.84km。全河段河槽寬窄相間，河寬變化較大，窄處僅120m，寬處可達(dá)600700m（含江心洲）。河床基本上由砂卵石組成，且多卵石邊灘及江心洲。主泓在一定范圍內(nèi)擺動，河段洪枯水位變幅不大。洪水期河岸時有沖刷，水面比降0.91.3。河段枯水流量540m3/s,造床流量3000m3/s,百年一遇流量6500m3/s，1981年實測的最大流量5600m3/s。河床糙率為0.032，河岸糙率為0.0300.35，灘地糙率為0.045，中水情況下綜合糙率為0.035。黃河鐵橋下游210m處為蘭州水文站，自1935年建站以來積累了較長的實測資料。1981年黃河蘭州段出現(xiàn)了5600m3/s的洪水，當(dāng)年沿蘭州市44.84km的黃河段布設(shè)了27個水文大斷面，測量了水位，并推算了若干流量級水面線。本河段歷年演變特征是：年內(nèi)具有漲水期淤積，退汛期沖刷的特征。隨著年際和年內(nèi)流量分配的不同，淺灘河段河床有著相應(yīng)的變化。年際間具有枯水年淤積，豐水年沖刷的特征。由此可見本河段水流輸沙能力強(qiáng)，其河床形態(tài)、輸沙條件具有山區(qū)河流的屬性。根據(jù)河床中邊灘及沙洲取樣分析，河床以卵石為主(河床泥沙級配見表1)，可見上游來沙仍以懸移質(zhì)形式被帶往下游。表1河床泥沙級配資料Gradedmaterialofbedsedimentcomposition項目d95(mm)d75(mm)d50(mm)d25(mm)dcp(mm)KfS(t/m3)粒徑1706526.55.446.33.472.742整治線及整治方案2.1整治線確定的一般原則進(jìn)行河道整治需解決的關(guān)鍵問題是河道整治寬度及整治堤線的合理布置。相應(yīng)于設(shè)計的洪、中、枯水流量，就有三種整治線，而中、枯水整治線較重要，尤以中水整治線最為重要。中水整治線的位置，應(yīng)根據(jù)整治的目的和要求，按照因勢利導(dǎo)的原則，從河道演變分析中得出的結(jié)論來確定。由于洪水漫灘時灘地水淺流緩，河道的輪廓對河道演變和水流形態(tài)影響不大，僅在設(shè)計堤防時，根據(jù)具體河段及水工建筑物的要求，對堤線與中水河槽岸邊的相關(guān)位置作一些考慮即可。2.2用河相關(guān)系法確定整治線寬度對本河段的自然演變規(guī)律分析得知河段沖淤基本平衡。為此采用阿爾圖寧計算穩(wěn)定河寬的公式計算。根據(jù)相對穩(wěn)定的彎曲型河段統(tǒng)計所得河寬系數(shù)的平均值為1.21,求得造床流量下河寬為248260m,；取為1.01.12，求得河寬為218240m。故河寬240m可作為中水整治方案。2.3優(yōu)良河段類比法在市區(qū)河段上選取了幾個控制斷面進(jìn)行論證。黃河鐵橋建于1909年，橋址斷面河寬230m，七里河橋建于1958年，橋址斷面河寬270m，其下游1.2km(k23+600)處河寬僅200m，此幾處河段均經(jīng)受了1964年5660m3/s及1981年5600m3/s洪水的考驗。鹽城黃河大橋建于1979年，橋址處河寬305m，1981年的洪水順利宣泄。由此認(rèn)為，河寬300m可作為設(shè)計洪水最小堤間距的參考值。3物理模型3.1動床試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計根據(jù)黃河蘭州段沖積河流屬性，河床質(zhì)以卵石成分為主，河床變形主要是卵石推移質(zhì)所引起的。故根據(jù)水流重力相似、水流阻力相似、水流挾沙相似、河床沖淤變形相似、泥沙起動和揚(yáng)動相似及河型相似等條件，并利用黃河動床河工模型設(shè)計的研究成果進(jìn)行推移質(zhì)動床模型設(shè)計3,4。其基本模型比尺如下水流重力相似條件V=1/2H(1)水流阻力相似條件n=1/V2/3R(H/L)1/2(2)泥沙起動和揚(yáng)動相似V=Vc=Vf(3)泥沙粒徑比尺d=H/5/3s-(4)水流輸沙率相似比尺Gs=*Gs(5)河床沖淤變形相似條件t2=oH2L/Gs(6)河型相似條件(s/-1)D50H1/3/iB2/3)模型=(s-/)D50H1/3/iB2/3)原形(7)式中L、H為水平及垂直比尺，R為水力半徑比尺，n為糙率比尺，Gs、*Gs分別為水流輸沙及輸沙能力比尺，V、Vc、Vf分別為流速、起動流速及揚(yáng)動流速比尺，t2為河床沖淤變形時間比尺,o為淤積物干容重比尺，d為泥沙粒徑比尺，s-為泥沙水下容重比尺，B、V分別為造床流量下的河寬及水深，i為河床比降。本次試驗主要研究渠化及防洪寬度，故在44.84km的范圍內(nèi)全部作成動床。平面比尺選用L=250,垂直比尺H=100。選用寧夏大武口精煤屑作為模型沙，其容重s=1.40t/m3,干容重o=0.8t/m3。按照粒徑比尺d選配模型沙。模型試驗的含沙量和時間比尺在理論分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)模型水沙系列預(yù)備試驗加以確定，使泥沙淤積、分布在橫向、縱向及時間上與原型基本一致。3.2試驗方案及結(jié)果分析3.2.1天然狀態(tài)從河道橫斷面形態(tài)可知，當(dāng)河寬B240時，河道斷面單一，斷面呈“U”型或不對稱的“U”型。當(dāng)河寬B240m時，河槽形態(tài)已開始從單式向復(fù)式斷面過渡。河寬超過300m的河段，隨著河寬的增加，出現(xiàn)了邊灘，或在河道中形成沙脊，斷面形態(tài)呈“W”型，河道中出現(xiàn)河心灘。這說明河寬為300m時處于河中成灘的臨界狀態(tài)。造床流量下垂線最大平均流速Vm、垂線最大水深hm與河寬的關(guān)系不明顯(見圖1)，從所考查的斷面來看，河寬大于240m時均會出現(xiàn)數(shù)值相近的值Vm=3.03.7m/s，hm=7.08.5m。但其斷面平均流速隨河寬的加大而減小，斷面平均水深隨河寬的增大略有減小的趨勢，但變化不明顯。圖1天然狀態(tài)與300m整治方案水流要素比較(Q=3000m3/s)Comparisonofcharacteristicsofflowbetweennaturalriverandthe300mwidthscheme（Q=3000m3/s）在蘭州防洪標(biāo)準(zhǔn)百年一遇流量6500m3/s時，河寬在220m至600m范圍內(nèi)，Vm一般在3.84.5m/s內(nèi)波動。流速V隨河寬B的增大呈遞減的變化趨勢。垂線最大水深hm、斷面平均水深h與河寬B的變化關(guān)系比較紊亂。可見河寬240m可作為中水整治方案的依據(jù)，河寬300m可作為設(shè)計洪水最小堤間距的參考值。在此基礎(chǔ)上，對300m及350m整治線方案進(jìn)行了研究。3.2.2整治方案及結(jié)果分析350m整治方案：將天然河道寬度控制在350m，切除斷面一側(cè)邊灘或滯流區(qū)，分汊河段則堵塞支汊，小于350m的河段仍保持原狀進(jìn)行試驗。300m整治方案：切除河道中邊灘或滯流區(qū)，對河道做一定壓縮，使其河寬為300m，彎道附近減小至280m300m，小于300m的河段仍保持原狀。從天然狀態(tài)與整治方案水位變化看：適當(dāng)壓縮河道中的邊灘或滯流區(qū)，并未引起水位較大幅度的增高。對于300m整治方案，流量為3000m3/s時，水位變幅為-0.13m0.38m；流量為6500m3/s時，變幅為-0.13m0.58m。對于350m整治方案，流量為3000m3/s時，水位變幅為-0.21m0.28m；流量為6500m3/s時，變幅為-0.27m0.48m。整治方案與天然狀態(tài)相比水位變幅不大。試驗表明（表2）300m及350m整治方案，并未引起水位較大幅度的增加，相反由于河流的自我調(diào)節(jié)作用使得斷面地形趨于平坦，流速分布趨于均勻。水流要素看（見圖1）：整治方案較天然狀態(tài)水深、流速最大變幅在12%以內(nèi)，這樣的變幅在該河段不會引起較大的河床變化，且因整治線較平順，流速分布趨于均勻。從河床地形看：整治后斷面變窄，但斷面地形起伏變化減小且趨于平坦，河槽趨向單一斷面，河床縱向的沖淤變化也不大。表26500m3/s各方案斷面水位實測資料對比Comparisonofwaterlevelfordifferentimprovementchannelwidth(Q=6500m3/s)350m方案300m方案斷面里程天然狀態(tài)水位(m)水位變化(m)水位(m)水位變化(m)K4+4161540.211540.250.041540.230.02K7+7791537.081537.220.141537.380.30K11+2751533.321533.680.361533.740.42K17+1311528.401528.570.171528.730.33K22+4441522.351522.230.121522.530.30K24+9141520.321520.23-0.041520.590.22K29+6291516.061516.160.101516.100.04K32+3771513.781513.880.091513.75-0.03K35+2911512.551512.680.131513.020.52K39+9971511.961511.63-0.181511.03-0.184數(shù)學(xué)模型試驗的目的主要是研究整治前后水位及流速等的變化，故采用一維水流、泥沙運(yùn)動基本方程描述沿程變化，即水流連續(xù)方程(8)水流運(yùn)動方程(9)河床變形方程(10)式中v為斷面平均流速，H、z分別為水深與河床高程，A、B分別為斷面面積與河寬，R為水力半徑，qs為推移質(zhì)輸沙率，c為謝才系數(shù)，n為糙率系數(shù)。推移質(zhì)輸沙率采用梅葉彼得公式計算。式(8)(10)的定解條件是按恒定流計算出各水力要素的初始值、初始時刻床面高程沿程變化；上游邊界條件給定流量、輸沙率，下游邊界給出水位過程線；床面高程采用線性延伸法給出。5試驗及計算結(jié)果表35600m3/s斷面水位計算與實測資料Waterlevelcalculatedandmeasuredonphysicalmodelandprototypefor5600m3/s水文大斷面號原形值模型值計算值41540.181540.261540.2171536.841536.951542.02101529.541529.381529.52151521.031521.081520.97201515.361515.391515.28251509.711509.821509.93利用原形河段有關(guān)水位、流速分布、水沙過程及河床沖淤變形等實測資料對物理模型及數(shù)學(xué)泥沙模行了斷面水位流量關(guān)系、河道水面線、斷面流速分布及斷面沖淤驗證。結(jié)果表3表明，模型不僅滿足了水流相似條件，而且滿足了河型相似條件。模型很好地復(fù)演了原形水流運(yùn)動及河勢變化規(guī)律，計算值與模型值及原形值吻合良好。6結(jié)論及建議1.通過對黃河蘭州段河道地形、河相關(guān)系、造床流量、設(shè)防流量及河中成灘條件的分析，得出了中水整治河寬為240m，防洪整治河寬為300m。2.實施河寬300m方案,適當(dāng)壓縮河道中邊灘或滯留區(qū),并未引起水位及流速大幅度的增長。相反河流通過自動調(diào)節(jié)，斷面地形趨于平坦，且向單一斷面演變。改善了水流條件，流速分布趨于均