新形勢(shì)下黃河下游游蕩性河道整治工程設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題探討

1、新形勢(shì)下黃河下游游蕩性河道整治工程設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題探討             摘要隨著黃河清水來(lái)源區(qū)基流的減少、中下游地區(qū)耗水量的增加，使近十幾年黃河下游中小洪水、高含沙洪水出現(xiàn)機(jī)率增加，從而導(dǎo)致一些迎送溜關(guān)系較好的控導(dǎo)工程對(duì)河勢(shì)的控導(dǎo)作用明顯削弱。小浪底水庫(kù)建成后，將改變進(jìn)入下游的水沙及洪水過(guò)程，中小洪水持續(xù)時(shí)間將更長(zhǎng)，今后游蕩性河道如何整治是一個(gè)非常重要的課題。本文通過(guò)模型和原型資料的對(duì)比，對(duì)已建整治工程布局中存在的問(wèn)題及工程對(duì)中小水的適應(yīng)性等進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)新形勢(shì)下游蕩

2、性河段河道整治設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)河寬及新型河道整治工程狀況下排洪河寬的計(jì)算等問(wèn)題進(jìn)行了分析和初步評(píng)議。 關(guān)鍵詞河道整治 工程設(shè)計(jì) 整治流量 整治河寬 排洪寬度 1 概述黃河下游河道整治工程已有300多年歷史。1974年開(kāi)始有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行游蕩性河道整治以來(lái)，修建了大量的控導(dǎo)工程，在確保下游防洪安全中起到了重要作用?！鞍宋濉逼陂g，“黃河下游游蕩性河道整治”專題1對(duì)游蕩性河道整治進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和研究。目前黃河下游河道整治所采用的“排洪寬度、整治流量、整治河寬”等都是根據(jù)1985年以前的水沙資料統(tǒng)計(jì)分析得出來(lái)的。1985年以后隨著黃河上游清水來(lái)源區(qū)水資源的日益開(kāi)發(fā)，進(jìn)入下游的基流大幅度減小，水少沙多

3、的矛盾更加突出，黃河下游河道狀況進(jìn)一步惡化。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，今后黃河兩岸引水量將有增無(wú)減，沿程基流會(huì)更加減小。近幾年，中小流量的持續(xù)作用，不少工程出現(xiàn)多次靠河現(xiàn)象，使本來(lái)迎送溜關(guān)系較好的控導(dǎo)工程對(duì)河勢(shì)的控導(dǎo)作用大大削弱。黃科院的模型試驗(yàn)結(jié)果，也使我們不得不對(duì)游蕩性河道整治有關(guān)問(wèn)題重新認(rèn)識(shí)。小浪底水庫(kù)建成后，將改變進(jìn)入下游的水沙及洪水過(guò)程，中小洪水和高含沙洪水出現(xiàn)機(jī)率將大大提高。本文作者曾經(jīng)對(duì)天然實(shí)測(cè)資料進(jìn)行回歸分析，得出過(guò)水?dāng)嗝婷娣e關(guān)系式由上式看出，在來(lái)流流量一定的前提下，含沙量較小時(shí)，過(guò)洪斷面面積因河槽沖刷、過(guò)洪寬度大幅度減小而為一較小值；一般挾沙水流時(shí)，過(guò)洪斷面面積則隨含沙量增加而增加

4、(主要是河槽寬度增加很大所致);但含沙量大于200kg/m3后，洪水逐漸呈高含沙水流特性，河槽因大量泥沙淤積而使過(guò)洪面積大大減少。同時(shí)，由上式也可看出，如果來(lái)水偏枯，造床流量減少，河槽過(guò)洪斷面將大大減小，這也正是近些年黃河下游河床萎縮的原因所在。目前的河道整治工程能否適應(yīng)今后的水沙過(guò)程，已經(jīng)成為黃河下游急待解決的一個(gè)重大問(wèn)題。我們延長(zhǎng)了最近十年的實(shí)測(cè)水沙系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)黃河下游游蕩性河段的河道整治問(wèn)題取得了一些粗淺認(rèn)識(shí)，提出來(lái)，意欲起到拋磚引玉的作用，希望對(duì)這一問(wèn)題能夠引起重視并進(jìn)一步深入探討。2 新形勢(shì)下黃河下游游蕩性河段河道整治設(shè)計(jì)流量淺析黃河下游河道以中水整治為原則，其工程設(shè)計(jì)流量的

5、選擇取決于造床流量。本文根據(jù)19731996年24年水沙系列，采用多種方法綜合分析了游蕩性河段的造床流量，并對(duì)小浪底水庫(kù)修建后河道整治設(shè)計(jì)流量問(wèn)題進(jìn)行了分析和預(yù)估。2.1 平灘流量法目前黃河下游常采用水位與河漫灘相齊平的流量作為造床流量。表1是花園口至夾河灘斷面1987年以后平灘流量分析結(jié)果，由表看出，花園口、夾河灘兩站平灘流量明顯減小。2.2 輸沙能力法我們?cè)鴮?duì)黃河下游造床流量計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，并提出了輸沙能力計(jì)算方法3,4。引入水流挾沙力S*，視QS*Pm最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量為造床流量。P為汛期各級(jí)流量出現(xiàn)的頻率，其中水流挾沙力S*采用文獻(xiàn)提出的通用公式計(jì)算。該方法引入S*后，使造床流量

6、的計(jì)算，不僅考慮了流量過(guò)程，而且反映了含沙量大小、水流強(qiáng)度及泥沙粗度對(duì)造床作用的影響，顯然從概念上更完善一些。取m=0.6,根據(jù)1973年1996年黃河下游花園口、夾河灘水文站實(shí)測(cè)資料，分別計(jì)算各流量級(jí)相應(yīng)的QS*P0.6，點(diǎn)繪于圖1。可以看出，花園口、夾河灘站的造床流量分別為4000m3/s和3000m3/s，該流量出現(xiàn)的頻率約3%(汛期出現(xiàn)的頻率約10.2%)。用此方法計(jì)算1992年、1996年花園口和夾河灘的造床流量分別為3500m3/s及2500m3/s，比一般水沙條件下求得的造床流量小了很多。圖2為1973年至1996年之間平灘流量與輸沙能力計(jì)算的造床流量，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，輸沙能力法計(jì)算

7、的造床流量基本反映當(dāng)年平灘流量的變化。2.3 新形勢(shì)下游蕩性河道整治設(shè)計(jì)流量的選取河道整治工程一旦興建就無(wú)法改動(dòng)，它要求一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)流量。設(shè)計(jì)流量的選擇，必須考慮將來(lái)的水沙變化，使整治工程在相當(dāng)時(shí)期內(nèi)最大限度的適應(yīng)不同水沙條件。因此，正確預(yù)估小浪底水庫(kù)修建后，下游水沙條件及平灘流量的變化，顯得非常重要。小浪底水庫(kù)修建后，將控制黃河花園口以上流域面積內(nèi)95%的來(lái)水，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的小浪底水庫(kù)運(yùn)用方案，水庫(kù)下泄水流主要以中小水為主。黃科院開(kāi)展的“小浪底樞紐攔沙期游蕩性河段河道整治模型試驗(yàn)研究”及“花園口至東壩頭河段小浪底樞紐正常運(yùn)用期河道演變模型試驗(yàn)研究”結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)小浪底水庫(kù)下泄清水期對(duì)

8、河道的沖刷之后，主河槽過(guò)洪能力將有所增大，目前1300m3/s流量水位可過(guò)流3000m3/s5000m3/s洪水；25年正常運(yùn)用期運(yùn)用之后，平灘流量一般為40005000m3/s。因此，根據(jù)以上分析目前以至今后黃河下游游蕩性河段河道整治工程的設(shè)計(jì)流量，考慮與以前河道整治設(shè)計(jì)流量相銜接，選取4000m3/s較合適。         3 河道整治設(shè)計(jì)河寬的確定胡一三等在“黃河下游游蕩性河段河道整治”中明確提出了今后游蕩性河道的整治原則為：防洪為主、統(tǒng)籌兼顧；中水整治、洪枯兼顧1。確定中水流路治導(dǎo)線是游蕩性河道整治的核心

9、，那么中水流路的整治設(shè)計(jì)河寬是確定河道整治治導(dǎo)線必不可少的要素之一。小浪底水庫(kù)的修建將改變黃河下游的來(lái)水來(lái)沙條件。吳賓格在“河道整治小彎方案探討”一文中，為確定流量減小后的治導(dǎo)線寬度，利用黃河花園口、夾河灘、高村三站資料，點(diǎn)繪出B/Q與Sv關(guān)系，認(rèn)為，在造床流量減小后，河道整治寬度應(yīng)減小，小彎方案可用于新形勢(shì)下的游蕩性河道整治之中。目前黃河下游東壩頭以上河道整治設(shè)計(jì)河寬一般采用1200m,東壩頭至高村河段采用1000m?，F(xiàn)行河道整治設(shè)計(jì)河寬是否能夠適應(yīng)新時(shí)期本河段河床演變狀況，已成為黃河下游面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。3.1 穩(wěn)定河槽寬度    穩(wěn)定河槽寬度即河道處于動(dòng)力平衡條件下的河

10、寬。從長(zhǎng)時(shí)期來(lái)看，河流總是不斷地向形成穩(wěn)定河槽寬度的方向調(diào)正。張海燕提出了在以流量Q和輸沙率QS為自變量的沖積河道趨向于調(diào)整和建立其寬度、水深和比降以滿足rQJ最小。按照這一思路，本文采用張紅武輸沙能力公式、曼寧阻力公式等約束條件，計(jì)算了黃河下游游蕩性河段在輸沙平衡條件下，含沙量在30120kg/m3、比降在0.190.20的范圍內(nèi)，不同流量相應(yīng)的穩(wěn)定河寬，計(jì)算結(jié)果如圖3?？梢钥闯觯竞佣蜗鄳?yīng)于4000m3/s流量的穩(wěn)定河寬為600m左右。3.2 整治設(shè)計(jì)河寬根據(jù)黃河下游實(shí)際情況，胡一三等1選擇花園口、夾河灘兩水文站，點(diǎn)繪了水面寬(B)與流量(Q)的關(guān)系圖，由此求出4000m3/s流量相應(yīng)的水

11、面寬，花園口站為700m1500m，均值為1050m，夾河灘站為650m1270m，均值為900m。我們?cè)谠搱D補(bǔ)充最近幾年的點(diǎn)子，其值均在平均線以下。胡一三1等人采用統(tǒng)計(jì)法確定設(shè)計(jì)河寬，統(tǒng)計(jì)了三門峽水庫(kù)建成后前天然情況下黃河游蕩性河段大洪水時(shí)的平均主槽寬度，變化于1000m600m之間。我們統(tǒng)計(jì)了1983年至1997年黃河下游游蕩性河段下古街至楊小寨大斷面的主槽寬度，而且統(tǒng)計(jì)了1992、1994年進(jìn)行的“92.8”、“82.8”型及“58”型大洪水物理模型試驗(yàn)測(cè)得的主槽寬度。主槽平均寬度變化于639m914m之間。設(shè)計(jì)河寬與設(shè)計(jì)流量是密切相關(guān)的，二者的關(guān)系可通過(guò)曼寧流速公式與水流連續(xù)方程聯(lián)合求

12、解。設(shè)計(jì)流量采用4000m3/s；主槽糙率取0.01；分別計(jì)算花園口、夾河灘、高村斷面的設(shè)計(jì)河寬為：976m、945m、775m。朱太順采用花園口、夾河灘及高村斷面實(shí)測(cè)資料，點(diǎn)繪了（BD50）0.5/H與S/S*之間的關(guān)系圖，表明(BD50)0.5/H隨S/S*的增大而增大，由此給出了如下量綱和諧的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式10上式與曼寧流速公式和水流連續(xù)方程聯(lián)解，選取花園口至夾河灘河段的設(shè)計(jì)流量Q設(shè)=4000m3/s、比降J=0.00025、糙率n=0.009、床沙中徑D50=0.1mm，求得S/S*=0.21.4條件下的設(shè)計(jì)河寬B=645m1316m。取其平均值，B=980.5m，與上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果也比較接近

13、。根據(jù)以上分析，考慮到小浪底水庫(kù)修建后，下游河道將沖刷下切，花園口至高村河段設(shè)計(jì)河寬可適當(dāng)降低，為了與現(xiàn)行河道整治設(shè)計(jì)河寬1200m相銜接，東壩頭以上可選取1000m，東壩頭至高村可適當(dāng)降低為800m。         4 關(guān)于黃河下游河道排洪河寬問(wèn)題41 小浪底水庫(kù)修建后黃河下游排洪河寬的確定胡一三在“河道整治中的排洪河槽寬度”一文中11就黃河下游河道排洪河寬的定義及確定方法進(jìn)行了詳盡的介紹，認(rèn)為：“按照規(guī)劃進(jìn)行河道整治后，一處河道整治工程的末端，至上彎整治工程末端與下彎整治工程首端連線的距離，稱為該處河道整治工

14、程的排洪河寬Bf，如圖4所示。在排洪河寬范圍內(nèi)除在大洪水時(shí)有足夠的宣泄洪水能力外，中小洪水及一般流量時(shí)還應(yīng)有一定的滯沙寬度，以免增加下游窄河段的淤積負(fù)擔(dān)，同時(shí)要防止大洪水時(shí)因Bf過(guò)小，彎道段出現(xiàn)水流反彎現(xiàn)象(指凸凹岸左右易位)，以免打亂以下河段的流路?；诖?，我們統(tǒng)計(jì)了1957年以來(lái)所有大洪水黃河花園口、夾河灘、高村三站水力因子變化，從中可以發(fā)現(xiàn)，主槽平均過(guò)流量分別達(dá)到89.54%、97.96%、82.9%，平均河槽寬度只有971m、1177m、808m，主槽平均單寬過(guò)流量為9.89m2/s、8.94m2/s、10.3m2/s。據(jù)此推算小浪底水庫(kù)運(yùn)用后，黃河下游百年一遇洪水時(shí)花園口流量1500

15、0m3/s、夾河灘流量14500m3/s、高村流量12300m3/s，相應(yīng)的排洪河寬分別為1500m、1300m、1200m。   為進(jìn)一步說(shuō)明主槽過(guò)洪的主要特征，點(diǎn)繪主槽過(guò)流量與主槽流速關(guān)系(圖5)12，可看出主槽流速隨 其過(guò)流量增加而增大，說(shuō)明黃河下游河道主槽過(guò)流能力尚有潛力。4.2 采用潛壩工程結(jié)構(gòu)后河道排洪寬度可減少經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與探索，潛壩在黃河下游河道整治工程中已引起重視，比較適合黃河的水沙變化與河床演變特點(diǎn)。黃科院幾年來(lái)對(duì)黃河下游新型工程結(jié)構(gòu)潛壩的多種裹護(hù)方式進(jìn)行的防護(hù)效果試驗(yàn)表明：壩體漫水后沖刷坑大幅度后移，而且漫壩水越過(guò)壩頂以后，快速分散，壩后水流流速急劇

16、減小，極大地限制了壩后沖刷坑的繼續(xù)刷深和擴(kuò)大，防護(hù)效果非常明顯。同時(shí)潛壩對(duì)主河槽中的水流仍然具有較大的約束和送溜能力，仍然可以起到控導(dǎo)工程送流段送溜的效果。潛壩過(guò)水后，壩上水深可達(dá)2m以上，和河道主槽一樣過(guò)流，因此，計(jì)算排洪河寬時(shí)，應(yīng)該計(jì)入或部分計(jì)入潛壩本身所占去的河道寬度，不可以壩體末端作為計(jì)算排洪寬度的依據(jù)(如圖4中B1f)。5 現(xiàn)有工程對(duì)中小洪水的適應(yīng)性根據(jù)河務(wù)部門每年汛后河勢(shì)查勘報(bào)告，有相當(dāng)一部分工程對(duì)近些年的中小洪水不太適應(yīng)，或常年不靠河、失去對(duì)水流的控導(dǎo)作用，或一處工程出現(xiàn)二段、多段靠河現(xiàn)象，對(duì)水流的控導(dǎo)效果減弱。96.8洪水綜合分析項(xiàng)目組對(duì)“96.8”洪水進(jìn)行了綜合分析，指出了洪

17、水期間所暴露出來(lái)的問(wèn)題。其一，過(guò)渡性河段部分河灣在向不利方向發(fā)展。經(jīng)過(guò)整治，過(guò)渡性河段主溜已基本得到控制，但在長(zhǎng)期小水作用下，不少河段正以漸變形式向不利方向發(fā)展。在統(tǒng)計(jì)的28處工程中，嚴(yán)重上提的有8處，不利下挫的有3處，不利脫河或基本脫河的有4處，亦即50%以上的工程河勢(shì)向不利方向發(fā)展。其二，畸型河灣增加。游蕩型河段，在小水的長(zhǎng)期作用下形成了許多畸型河灣。如1987年?yáng)|壩頭河灣、1993年汛末黑崗口、柳園口、古城、王夾堤等；1994年汛末又增加馬莊、大宮畸型河灣；特別是古城斷面，形成了極為罕見(jiàn)的“S”型河灣，受其影響，其下游府君寺、曹崗、貫臺(tái)基本上都不靠河。楊集工程上首形成“V”型河灣，使其下

18、河勢(shì)上提，并造成韓胡同工程上首四道壩跑壩的嚴(yán)重險(xiǎn)情。其三，工程靠溜部位上提現(xiàn)象增多，工程上首塌灘嚴(yán)重。1986年以來(lái)，下游許多河道整治工程靠溜部位不斷上提，有些已達(dá)工程上界靠溜的極限，有些已對(duì)工程構(gòu)成抄后路威脅。如雙井、大宮、南上延、李橋、楊集、偉莊、韓胡同等工程靠溜部位均不斷上提，許多工程還被迫修建了上延工程。其四，小水險(xiǎn)情嚴(yán)重。在小水流量下，受橫河，斜河頂沖，河道整治工程也容易出現(xiàn)較大險(xiǎn)情，并威脅到堤防安全。1993年下游共有314道壩出險(xiǎn)957壩次，1994年共有461道壩出險(xiǎn)990壩次，給防洪帶來(lái)很大被動(dòng)。6 黃科院模型試驗(yàn)結(jié)果趙業(yè)安、姚文藝、劉海凌等對(duì)溫孟灘河段河床演變規(guī)律及河道整治

19、工程在小浪底水利樞紐下泄清水期和正常運(yùn)用期變化了的水沙條件下的適應(yīng)性問(wèn)題進(jìn)行了研究13，結(jié)果表明：有些工程上延下續(xù)長(zhǎng)度不夠或曲率半徑不甚合理，個(gè)別河段河勢(shì)隨著水沙條件、初始河床邊界條件等的變化，主流上提下挫頻繁，尚有較大變化，對(duì)河道整治工程的有關(guān)參數(shù)仍需進(jìn)一步調(diào)整和改善。張紅武，江恩惠等在進(jìn)行黃河下游花園口至東壩頭河段河道整治模型試驗(yàn)過(guò)程中，也多次建議，游蕩性河段河道整治工程的方位非常重要（包括整治河寬、排洪寬度等），其中，武莊工程的平面布置經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終采用南移下挫方案14，與原規(guī)劃位置相比向河中推進(jìn)近1km，該方案已被河南局采用，從近幾年該工程靠河情況看，效果良好；順河街工程的平面布局

20、問(wèn)題，經(jīng)九次反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)研究，提出采用小彎方案15今年已付諸實(shí)施。另外，我們根據(jù)歷年模型試驗(yàn)資料結(jié)合黃河原型資料分析16，認(rèn)為：黃河下游游蕩性河段河道整治工程中，各河段控制性工程所起的作用重大?；▓@口至馬渡河段，已成為黃河下游游蕩性河段河道整治的模范河段。但是最近幾年由于黃河下游來(lái)水量的大幅度減小，使該河段流路也時(shí)常出現(xiàn)明顯的上提或下挫，而且花園口至來(lái)童寨工程靠河的好壞與馬莊工程的靠河情況有直接關(guān)系，馬莊工程可以認(rèn)為就是該河段的控制性工程。馬莊工程4壩以上著大溜，馬莊來(lái)童寨河段流路穩(wěn)定；馬莊工程靠溜在5壩以下，馬莊來(lái)童寨河段河勢(shì)散亂。因此控制好馬莊工程的入流條件、著溜范圍，就成為“馬莊花園口雙

21、井來(lái)童寨”“模范”河段及其以下流路穩(wěn)定的關(guān)鍵。最近，黃委治黃專家徐福齡提出：黃河下游河道整治要分河段布設(shè)節(jié)點(diǎn)工程，是非常有道理的。7 小結(jié)根據(jù)以上大量原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)資料的分析及計(jì)算，就目前黃河下游游蕩性河段河道整治而言，我們認(rèn)為1.河道整治工程布局仍要以微彎型整治方案為依據(jù)，工程設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)適當(dāng)減小。其中，河道整治河寬可以減小為1000m；2.如果工程采用潛壩工程結(jié)構(gòu)形式，排洪河寬可以減小至2000m以下；3.本河段河道整治設(shè)計(jì)流量就目前和將來(lái)可能發(fā)生的水沙條件，選取4000m3/s更合適；4.在新材料日益得到應(yīng)用的今天，黃河下游河道整治工程新結(jié)構(gòu)將不斷出現(xiàn)，應(yīng)加強(qiáng)黃河下游游蕩性河段河床演變、河道整治問(wèn)題的科學(xué)研究，加強(qiáng)黃河下游河道整治工程布局方案的試驗(yàn)研究，以便為正確擺放工程位置提供科學(xué)的參考依據(jù)。1 胡一三，王愷忱，張紅武等。黃河下游游蕩性河段河道整治。“八五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目, 專題編號(hào)：85-926-01-03.江恩惠，張紅武，趙連軍，