小浪底水库拦沙运用期大洪水对温孟滩移民安置区河段影响的试验研究.docx

小浪底水库拦沙运用期大洪水对温孟滩移民安置区河段影响的试验研究

　　摘要　　小浪底水库移民安置区温孟滩河段河道整治模型试验研究结果表明，在水库拦沙运用期冲刷严重的初始河道地形条件下遭遇大洪水后，河势变化不大，河道整治工程对大洪水是基本适应的，但存在个别工程入流过死，局部冲深大和送溜不力等情况。由于前期河床已冲刷下切,河槽泄洪能力大大增加，洪峰期(Q=10000m3/s)基本未出现明显漫滩。本文对局部冲刷的基本规律也作了探讨。

关键词河势 局部冲刷 河道整治工程 小浪底水库移民安置区河段 黄河
3 模型设计　模型模拟河段为小浪底至孤柏嘴，该河段河床边界条件极为复杂，上段为砂卵石宽浅多汊型河段，下段为沙质游荡型河段。模型设计充分参考了黄河水利科学研究院关于黄河动床模型的有关研究成果[２，３]，尤其是近年来提出的河工模型相似律[４]，并通过认真分析原型河道的水力条件、边界条件和进行的预备试验结果，提出了“分段设计、过渡处理”[５]的设计方法，对该河段河工动床模型进行了设计。特别是在模型沙的处理上，根据起动相似条件，上段采用天然沙作为模型床沙，下段采用郑州热电厂粉煤灰作为模型床沙，并通过验证试验进行过渡处理，从而完成了从卵石河床到沙质河床到沙质河床的过渡转变。试验结果表明，本设计可满足水流阻力、河床演变、泥沙起动及输移等方面的相似要求。设计的主要比尺见表1。图1 小浪底站“”放大型概化水沙过程Generalized water and sediment process of "" magnifying type at Xiaolangdi station表1 不同河型主要比尺设计表Designed scale of different river patterns比尺平面垂直流量砂卵石河床多汊型河段沙质河床游荡型河段密度λLλhλQ床沙粒径起动流速糙率床沙粒径含沙量河床变形时间起动流速悬沙粒径糙率λDλVCλnλDλSλt2λVCλdλn数值60060279000～～～～
　　黄河游荡型河道的整治流量一般是采用中水河槽的平滩流量，按控导作用可将工程的平面构成形式分为迎溜段、导溜段和送溜段(见图3)。按设计要求，迎溜入弯段多为小水靠溜段，以弯导溜段多为中水靠溜段，送溜出弯段多为洪水漫滩后靠溜段。一般来讲，出于工程安全角度和导流效果考虑，总是希望入流角(主流线与连坝切线的夹角，见图3)不宜太大，以小于40°为好，同时，力求整个导溜和送溜段均靠大溜，主溜出流角(见图3)不宜太大，以防止挑流过陡，造成下游工程入溜上提。就是说，若在不同流量下，能够基本达到入溜平顺，出溜集中，送溜到位，则表明工程的适应性比较好。据此,分别统计了模型试验代表水沙条件的Q4000m3/s清水冲刷系列， 河底高程的调整　经分析计算，由1961～1964年水沙系列和“”放大型洪水先后作用下，河床平均高程较2000年下降3～4m，其中冲刷最严重的河段发生在马峪沟以上，最大平滩水深达10m左右，这与三门峡水库拦沙运用期的实测情况比较接近。图4为试验洪峰期水面线和洪水前后河底平均高程沿程变化,可以看出，洪水前、后河底平均高程没有发生大的调整，河床冲淤相对较弱。花园镇工程以上有少量冲刷，花园镇～伊洛河以上微淤，其下又略有冲刷，这主要是前期河床已充分粗化而造成。根据观测，在流量达到10000m3/s时，基本没有发生漫滩现象。这说明河槽经过1961～1964年水沙过程及“”放大型洪水冲刷调整后，其过流能力是相当大的。22#—29#靠主溜，27#、28#坝处冲深达最大。靠溜位置始终在22#坝以下，27#~29#坝冲坑最深。中下部着主溜，因迎流角小，冲坑不明显。上延3#—10#坝迎主溜，6#坝处冲坑最大。主流始终顶冲在上延3#—上延1#坝之间，上延1#—上延9#坝靠大溜。19#坝以下靠主溜，21#坝处冲刷最深。18#—33#坝靠主溜，21#—27#坝冲深最大。4#—13#迎主溜，8#坝附近冲深最大。3#—14#坝迎主溜，8#坝附近冲刷最严重。10#坝以下全部靠溜，12#—15#坝前有一冲坑。涨水及洪峰期，15#—25#迎主溜，26#—41#坝靠大边溜；落水期河势上提至10#坝，10#—15#冲坑最深。14
　　局部冲刷　　温孟滩移民安置区河段河道整治工程长度占该河段长度的90%以上。随着工程的进一步完善、配套，有效地控制了河势，其游荡性得到明显改善。但由于一些老的工程，特别是南岸的赵沟、裴峪等工程因地形等边界条件的制约，其布局、迎流角度均不甚合理，因而在这些工程前往往形成严重的局部冲坑。表3涨水初期和落水后期所测得的局部冲坑位置和深度。可以看出，洪水前后冲坑位置变化不大。从冲坑深度看，除裴峪工程外，其它工程的局部冲深均有所增加。赵沟工程的冲深最大，其位置在工程上延坝段，冲深由18m增至19m。从南北岸工程冲深看，南岸普遍深于北岸，象赵沟工程、裴峪工程的局部冲深远比北岸的开仪、化工、大玉兰等工程的大。根据试验分析，造成这种现象的原因主要在于工程入流角度的不同。入流角度愈大，形成的局部次生环流强度愈强，局部冲深就会愈深。图5、图6分别为小浪底水库拦沙运用末期遭遇“”放大型洪水试验及本次试验测得的局部冲深随流速变化的过程，可以看出两者反映的变化规律是基本一致的，冲深都是随着流速增大而增加，最大冲深基本与最大流速相对应。但由于南岸的赵沟工程、裴峪工程的入流角度(多在50°～60°以上)大于北岸的开仪工程、化工工程入流角度(40°～45°），所以南岸工程前局部冲深都大于北岸的冲深。如图5，北岸开仪工程前的最大流速接近4m/s，对应最大冲深为13m；赵沟工程前的最大流速为/s，但最大冲深达。由统计结果知，开仪工程入流角度基本保持在40°左右，而赵沟工程入流角度达60°以上，较大入流角的水流会产生强烈的横向环流，对河床质有很强的淘刷作用，即使流速不大，也会造成较大冲刷。因此，在设计中，应当力求避免入流角过大的工程平面布置。若受自然边界条件所限，应考虑填弯工程等改善措施。图5 局部冲深与流速关系图6 本次试验条件下的局部冲深与流速关系Relationships between local scouring depth and velocityRelationships between local scouring depth and velocity in this test5 结语　　通过试验分析，得出如下几点初步认识　　1.因前期河槽下切，水流相对集中，河势较为稳定，除逯村工程下首主流摆幅600m外，其余均未发生大的变化；　　2.由于前期的清水冲刷，床沙已严重粗化，因而本次洪水过程中河床冲淤调整不大；　　3.洪峰流量达到10000m3/s时，未出现漫滩现象，说明河道行洪能力大大增加；　　4.洪水过后，局部冲深均有所增加，但南北工程局部冲刷特点不同，在相同流速下，因南岸工程的入流角大于北岸工程入流角，所以南岸的局部冲深大于北岸工程局部冲深；　　5.由于个别工程的平面布设及曲率半径不甚合理，工程的下延长度嫌短，因此不能完全适应河势的变化，如出现入流过死，出流散乱外摆等不利河势。为此，提出的工程调整建议为：逯村工程增加2道潜坝；赵沟工程上延可减少5道坝；化工工程在增大送溜段曲率半径的前提下再下延2～3道坝；裴峪工程修建上延护弯工程，另外，需要对逯村～开仪、化工～大玉兰之间的防护围堤上段堤根进行防护处理。　　总之，试验表明，多数工程对河势的控导作用是较理想的，没有出现大的畸形河湾，水流相对归顺，河床冲淤调整不明显。但是，对于诸如赵沟工程、裴峪工程的局部冲深较大问题应给予足够重视。　　由于黄河的复杂性及模型的局限性，上述认识只是在特定的地形、水沙条件下得出的，因此，尚待根据更多试验组次研究才能得出进一步的认识。参 考 文 献[1] 韩巧兰。小浪底水库拦沙运用期温孟滩河段冲淤计算及成果分析。黄河水利科学研究院，黄科技第BZ-9806-044，1998. 李保如，屈孟浩。黄河河道演变的物理模型试验。见：黄河水利委员会水利科学研究所科学研究论文集。郑州：河南科学技术出版社，1989. 屈孟浩。黄河动床模型试验相似原理及设计方法。见：黄河水利委员会水利科学研究所科学研究论文集。郑州：河南科学技术出版社，1989. 张红武，江恩惠等。黄河高含沙洪水模型的相似律。郑州：河南科学技术出版社，1994. 姚文艺，刘海凌，王卫红等。河型变化段河工动床模型设计方法研究。泥沙研究，1998，(4). 尹学良等。 河型成因研究及其应用。泥沙研究，1999，(2). 河南黄河河务局规划设计研究院。温孟滩移民安置区河道工程初步设计(要点). 河南黄河河务局， 侯素珍。黄河小浪底水利枢纽温孟滩移民安置区河段清水期演变河床趋势分析。黄河水利科学研究院，黄科技第97044号， 1997. 王卫红等。小浪底水库拦沙运用末期大水少沙条件下温孟滩河段河道整治工程适应性试验研究。黄科技第97067号，1997.