城市河道渠化方案探討-以蘭州市黃河段為例

1、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(duì)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(shí)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(yàn)和數(shù)值計(jì)算，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算基本吻合。該方案的實(shí)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(yàn)  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(zhǎng)44.84km。全河段河槽寬窄相間，河寬變化較大

2、，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(dòng)，河段洪枯水位變幅不大。洪水期河岸時(shí)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(shí)測(cè)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(lái)積累了較長(zhǎng)的實(shí)測(cè)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(gè)水文大斷

3、面，測(cè)量了水位，并推算了若干流量級(jí)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(jiàn)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(jí)配見(jiàn)表1)，可見(jiàn)上游來(lái)沙仍以懸移質(zhì)形式被帶往下游。表1 河床泥沙級(jí)配資料Graded material of bed sediment composition    項(xiàng)目d95(mm)d75(mm)d50(mm)d25(mm)dcp(

4、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(wèn)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(jì)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(shì)利導(dǎo)的原則，從河道演變分析中得出的結(jié)論來(lái)確定。由于洪水漫灘時(shí)灘地水淺流緩，河道的輪廓對(duì)河道演變和水流形態(tài)影響不大，僅在設(shè)計(jì)堤防時(shí)，根據(jù)具體河段及水工建筑物的要求，對(duì)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(duì)本河段的自然演變規(guī)律分析

5、得知河段沖淤基本平衡。為此采用阿爾圖寧計(jì)算穩(wěn)定河寬的公式計(jì)算。根據(jù)相對(duì)穩(wěn)定的彎曲型河段統(tǒng)計(jì)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240 m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(gè)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200 m，此幾處河段均經(jīng)受了1964年5660m3/s及1981年5600m3/s洪水的考驗(yàn)。鹽城黃河大橋建于1979年，橋址處河寬305m，1981年的洪水順

6、利宣泄。由此認(rèn)為，河寬300m可作為設(shè)計(jì)洪水最小堤間距的參考值。3 物理模型3.1 動(dòng)床試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)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(dòng)和揚(yáng)動(dòng)相似及河型相似等條件，并利用黃河動(dòng)床河工模型設(shè)計(jì)的研究成果進(jìn)行推移質(zhì)動(dòng)床模型設(shè)計(jì)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(dòng)和揚(yáng)動(dòng)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

7、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(dòng)流速及揚(yáng)動(dòng)流速比尺，t2為河床沖淤變形時(shí)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(yàn)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(dòng)床。平面比尺選用L=250, 垂直比尺H=100。選用寧夏大武口精

8、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(yàn)的含沙量和時(shí)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(yàn)加以確定，使泥沙淤積、分布在橫向、縱向及時(shí)間上與原型基本一致。3.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析從河道橫斷面形態(tài)可知，當(dāng)河寬B240時(shí)，河道斷面單一，斷面呈“U”型或不對(duì)稱的“U”型。當(dāng)河寬B>240m時(shí)，河槽形態(tài)已開(kāi)始從單式向復(fù)式斷面過(guò)渡。河寬超過(guò)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(shuō)明河寬為300m時(shí)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

9、線最大水深hm與河寬的關(guān)系不明顯(見(jiàn)圖1)，從所考查的斷面來(lái)看，河寬大于240m時(shí)均會(huì)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(shì)，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)Comparison of characteristics of flow between natural river and the 300m width scheme（Q=3000m3/s）在蘭州防洪標(biāo)準(zhǔn)百年一遇流量6500m3/s時(shí)，河寬

10、在220m至600m范圍內(nèi)，Vm一般在3.84.5m/s內(nèi)波動(dòng)。流速V隨河寬B的增大呈遞減的變化趨勢(shì)。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(jiàn)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(jì)洪水最小堤間距的參考值。在此基礎(chǔ)上，對(duì)300m及350m整治線方案進(jìn)行了研究。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(yàn)。300m整治方案：切除河道中邊灘或滯流區(qū)，對(duì)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

11、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(duì)于300m整治方案，流量為3000m3/s時(shí)，水位變幅為-0.13m0.38m；流量為6500m3/s時(shí)，變幅為-0.13m0.58m。對(duì)于350m整治方案，流量為3000m3/s時(shí)，水位變幅為-0.21m0.28m；流量為6500m3/s時(shí)，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(yàn)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(jiàn)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

12、在該河段不會(huì)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2 6500m3/s各方案斷面水位實(shí)測(cè)資料對(duì)比Comparison of water level for different improvement channel width(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.