水利工程論文-黃河口攔門沙疏浚對(duì)尾閭河道泄洪排沙影響的研究.doc

水利工程論文-黃河口攔門沙疏浚對(duì)尾閭河道泄洪排沙影響的研究摘要：本文研究和探討了黃河口攔門沙疏浚后，尾閭河道水位、流速和水面比降的變化以及疏浚部位的回淤過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，河口攔門沙疏浚后，在一定時(shí)期和一定范圍內(nèi)，可以使尾閭河道發(fā)生溯源沖刷。在施放不同典型年的水沙條件下，尾閭河道可在疏浚點(diǎn)以上2135km范圍內(nèi)發(fā)生溯源沖刷，同流量水位最大下降0.240.47m。同時(shí)，疏浚河槽始終處于回淤狀態(tài)，經(jīng)過一個(gè)汛期回淤量可達(dá)到70%80%。關(guān)鍵詞：黃河口攔門沙疏浚泄洪排沙黃河口地區(qū)河床主要處于一個(gè)堆積的環(huán)境，當(dāng)河流來沙不能全部輸送至深海，則在河口地區(qū)發(fā)生沉積。從縱剖面上看，一般都存在著突出于上下游河段河底連線之上的成型堆積體，其中淤積部位處于河口段與口外濱海段的交接地區(qū)，亦即口門附近，稱之為攔門沙。攔門沙形成之后，侵蝕基面抬高，對(duì)河口泄水排沙不利，導(dǎo)致水位壅高，泥沙沉積，產(chǎn)生溯源淤積，對(duì)尾閭河道具有負(fù)面的反饋影響。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，黃河兩岸工農(nóng)業(yè)用水量的持續(xù)增長(zhǎng)，進(jìn)入河口的水沙條件發(fā)生變異，尾閭河道主槽萎縮嚴(yán)重，防洪壓力增大。因此，為減輕黃河下游河道及河口地區(qū)的淤積，一些專家提出采取疏浚、拖淤等措施治理河口攔門沙，盡可能保持口門暢通，以利泄洪排沙入海。然而，河口攔門沙演變劇烈，影響因素極為復(fù)雜，疏浚效果難于預(yù)測(cè)。目前黃河口尚未建立實(shí)體模型，同時(shí)在黃河口攔門沙地區(qū)還缺乏挖沙疏浚的實(shí)踐，尚有很多關(guān)鍵技術(shù)問題和理論問題亟待解決。為此，本文采用概化物理模型1對(duì)河口攔門沙疏浚效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，為黃河口綜合治理提供參考。1試驗(yàn)的基本情況1.1模型比尺模型設(shè)計(jì)為水平比尺L=1000，垂直比尺H=50，模型下邊界設(shè)在海底高程達(dá)-14m的海域，上邊界設(shè)在西河口以上1.5km處，模擬尾閭河道及河口長(zhǎng)66km(如圖1所示)，采用電木粉作為模型沙。由于模型的變率較大，必然造成一定的相似性損失，為盡可能保證模型與天然相似，模型試驗(yàn)按照模型相似率理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過水位及沖淤量等模型率定試驗(yàn)對(duì)有關(guān)比尺進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保主要物理量相似，使試驗(yàn)結(jié)果滿足研究?jī)?nèi)容的要求。圖1模型平面布置天然河道的水流一般處于紊流狀態(tài)，保證水流相似的條件為重力相似和阻力相似，則流速比尺V=1/2H=7.07，糙率n=1/6H(H/L)1/2=0.43。在天然情況下，原型試驗(yàn)段的糙率系數(shù)一般在0.0090.014之間，則要求模型糙率一般在0.02090.0325之間。對(duì)于動(dòng)床模型，電木粉的糙率系數(shù)在0.02左右，小于設(shè)計(jì)要求的糙率。但由于概化模型的變率較大，河道的形態(tài)阻力和邊壁阻力較大，模型的綜合糙率基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求，這一點(diǎn)在驗(yàn)證試驗(yàn)中得到了印證。懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)相似的條件為懸移、起動(dòng)和沖淤相似。起動(dòng)相似條件要求起動(dòng)流速比尺與流速比尺相等，即Vc=V。沉降相似比尺=V(H/L)0.75=0.75，粒徑比尺d=(V/s-)1/2=0.45。為保證模型中河床沖淤與原型相似，含沙量比尺經(jīng)過多次驗(yàn)證試驗(yàn)調(diào)整后，模型試驗(yàn)最終采用s=0.9，即s=s*=0.9。沖淤時(shí)間比尺：t2=L/VS=341。1.2驗(yàn)證試驗(yàn)自1996年黃河口汊河流路行河以來，進(jìn)入黃河口的水沙連年偏枯，只有1996年發(fā)生了較為典型的洪水，同時(shí)又恰逢汊河流路改道行水當(dāng)年，尾閭河道發(fā)生了較大的沖淤變化。因此，選擇1996年汛前實(shí)測(cè)河道和河口地形作為驗(yàn)證試驗(yàn)的初始地形，1996年610月實(shí)測(cè)水沙資料作為驗(yàn)證試驗(yàn)的水沙條件。表1給出了各級(jí)典型流量模型試驗(yàn)水位與天然實(shí)測(cè)水位，可以看出，誤差在0.12m以內(nèi)，表明模型基本達(dá)到了阻力相似；表2給出了分段沖淤量的驗(yàn)證結(jié)果，基本上能夠滿足河床沖淤相似性的要求。1.3方案試驗(yàn)條件1.3.1地形條件方案試驗(yàn)的初始地形，河道部分根據(jù)1996年汛后河道大斷面測(cè)量資料及2000年實(shí)測(cè)的11萬的河道地形圖確定。河口及海域部分根據(jù)1996年實(shí)測(cè)的12.5萬河口及海域地形確定。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)清水溝流路頂點(diǎn)高程最大的攔門沙實(shí)測(cè)地形資料，塑造了攔門沙I+1(見圖2)。攔門沙I+1頂點(diǎn)約在S7處，頂坡段長(zhǎng)約2km，頂點(diǎn)高程0m，自頂坡起始點(diǎn)向上游為一倒坡，坡度約為-1/2200，倒坡段長(zhǎng)約4km，最低高程為-1.8m，坡頂與坡腳高差為1.8m。1.3.2水沙條件根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容，河道上游來水來沙條件采用恒定水沙過程和非恒定水沙過程。恒定流量分為大、中、小三級(jí)，根據(jù)該河段的水沙特點(diǎn)確定為1000m3/s、2000m3/s和3000m3/s，相應(yīng)的含沙量分別為15kg/m3、30kg/m3和40kg/m3，來流持續(xù)時(shí)間分別為26d、13d和8d，下邊界采用固定潮位(分別為平均中潮位0.5m和平均高潮位1.0m)。非恒定水沙過程采用黃委會(huì)設(shè)計(jì)院提供的小浪底水庫(kù)正常運(yùn)用期豐、平、枯不同典型年(利津站)資料(見表3)，下邊界采用典型潮位過程。表1不同流量級(jí)水位驗(yàn)證(單位：m)流量/(m3/s)100020003000西河口原型6.757.508.18模型6.727.608.07誤差-0.030.10-0.11丁字路口原型3.384.244.62模型3.504.184.56誤差0.12-0.06-0.06表2沖淤量驗(yàn)證結(jié)果(單位：萬m3)河段CS7清3清3清7清7汊3CST汊3模型-975-665-361-2001原型-842-581-490-1913表3典型年水沙特征值典型年豐水豐沙(1988)中水平沙(1995)枯水枯沙(1991)徑流量/億m3295.4148.790.1輸沙量/億t9.764.531.241.3.3疏浚概況在攔門沙2.0km長(zhǎng)的頂坡段順?biāo)鞣较蜷_挖一寬500m、深約2.0m的河槽，同時(shí)在攔門沙4km長(zhǎng)的倒坡段做相應(yīng)疏通開挖，使得在攔門沙頂坡段和倒坡段形成一個(gè)順暢的河槽，開挖量相當(dāng)于原型約為380萬m3。圖2河口攔門沙I+1地形圖3疏浚前后的流速分布2試驗(yàn)成果分析2.1典型流量的疏浚試驗(yàn)成果分析2.1.1疏浚前后的流速變化在試驗(yàn)中觀測(cè)到，河口攔門沙疏浚前，進(jìn)入河口的徑流自尋低洼捷徑入海，在徑流和潮流的作用下形成口門眾多的支汊，每股水流雖有一定的河槽，但比較散亂，出汊擺動(dòng)比較頻繁。河口攔門沙疏浚后，在口門地區(qū)人為塑造了一個(gè)比較明顯的河槽，水流歸順。在試驗(yàn)中，量測(cè)了不同徑流和潮位的組合下，河口攔門沙疏浚前后的流速變化。由圖3可見，攔門沙疏浚后與疏浚前相比，由于水流集中入海，疏浚部位的流速都有所增大，疏浚后行水之初流速可以增加10%20%，但隨著疏浚部位的回淤，流速逐漸減小。2.1.2疏浚前后尾閭河道水位的變化疏浚河口攔門沙的主要目的是降低侵蝕基準(zhǔn)面，使尾閭河段主槽河床降低，增加主河槽的過水?dāng)嗝妫档退?，提高尾閭河道的泄洪排沙能力。因此，水位的分析包括以下兩方面的?nèi)容：一是疏浚前后同流量級(jí)下水位的升降，反映了同一斷面槽蓄能力的變化；二是疏浚前后水面比降的調(diào)整，反映了尾閭河段泄洪排沙能力的變化。圖4給出了疏浚前后沿程水位的變化情況。由于疏浚部位處于河海的交匯處，受河流動(dòng)力和海洋動(dòng)力的雙重作用。可以看出，河口攔門沙的疏浚，降低了侵蝕基準(zhǔn)面，在疏浚部位以上的尾閭河道產(chǎn)生了溯源沖刷；由于受平均潮位的控制，疏浚區(qū)同流量水位落差向海域方向快速減小至零，即達(dá)到平均潮位。因此，疏浚前后同流量的水位落差沿程分布呈V字形。由圖可見，攔門沙疏浚后，尾閭河道溯源沖刷的大小和范圍與黃河的水沙條件和潮位密切相關(guān)。在造床流量范圍內(nèi)，隨著流量的增大，溯源沖刷范圍增大；相同流量下，潮位增高，溯源沖刷的大小和范圍有所減小。2.1.3疏浚前后尾閭河道水面比降的變化疏浚河口攔門沙的目的是降低侵蝕基準(zhǔn)面，在尾閭河道的下端形成一定的水位落差，并由此產(chǎn)生自下而上的溯源沖刷，下面就這一物理圖景進(jìn)行分析。對(duì)于恒定均勻流，一維水流和泥沙方程可以表述如下。水流連續(xù)方程：Q=BhU(1)水流運(yùn)動(dòng)方程：(2)泥沙連續(xù)方程：(3)式中：z為河床高程；C為謝才系數(shù)；為干容重。輸沙率QS的計(jì)算公式較多，如采用QS與河床比降J的一次方成正比的公式24，代入式(3)，并聯(lián)解上述三式可得河床高程變化的偏微分方程(4)式中：K為綜合系數(shù)。河口攔門沙疏浚前后，在尾閭河道末端形成了水位落差，其邊界條件可以考慮為,0x，0tz(x,0)=0z(0,t)=h(t)(5)假設(shè)h(t)=-hH(t)，其中H(t)=0，t0；H(t)=1,t0也就是h(0)=-h和解得(6)因此，發(fā)生溯源沖刷后的水面線為一下凹型曲線。由圖5可見，河口攔門沙疏浚后，在上游的影響段內(nèi)，發(fā)生了溯源沖刷，并呈下凹曲線型式；在疏浚河段及以下，由于受平均潮位的控制，水面比較平緩。圖4疏浚前后沿程水位差值的變化由表4可以看出，河口攔門沙疏浚后，在上游溯源沖刷影響的河段內(nèi)，水面比降變陡。在平均潮位為0.5m的