水利工程論文-橡膠壩底座對河流彎道段水沙運動影響的分析摘要：本文以延河人工湖工程為研究對象，對人工渠化河流彎道段修建充水式橡膠壩工程后，橡膠壩底座引起河道水流流態及橫向流速分布、河床演變和河道洪水位等水沙運動規律的變化進行了試驗研究。試驗發現，在橡膠壩工程修建后，橡膠壩底座對壩址上下游一定范圍內的河道橫斷面橫向流速分布、河床沖淤變化及河道沿程洪水位均具有一定的影響，影響的程度及范圍隨著河道洪峰流量的增大而加大；在河道凹岸支流有洪峰入匯的情況下，由于支流的頂托作用，在一定程度上，減弱和消除了橡膠壩底座對水流、泥沙運動規律的影響。關鍵詞：模型試驗橡膠壩水流流態河床演變洪水位流速分布1延河及延河人工湖工程概況延河是黃河的一級支流，發源于白于山南坡的安塞縣鐮刀灣，延河人工湖工程位于延安市區延河干流的中游段。延河干流的中游段，上起安塞縣龍安村，下至延長縣卷煙廠，全長134km，流域面積5414km，河道平均比降2.35；在延安市上游，有支流西川河匯入，在延安市區延河大橋下游200m左右，南川河從延河右岸匯入。南川河河道全長24.2km，平均比降8.5，流域面積431km。在延河干流上，距人工湖工程(上游)5km的楊家灣村，從1958年設立楊家灣水文站，后來稱為延安水文站。延安水文站控制流域面積3208km，具有建站以來連續的實測洪水資料。實測資料統計表明：延河屬于降雨補給型河流，多年平均降雨量550mm；且降水量年內分配不均，在7、8兩月徑流量占全年徑流總量的40%以上；年際變化也較大，多年平均徑流量為1.412億m3，實測最大年徑流量為3.109億m3(1964年)；多年平均洪峰流量為820m3/s，實測最大洪峰流量為7200m3/s(1977.7.6)；延河又是一條多泥沙河流，流域內植被稀疏，且山高坡陡，洪水暴漲暴落，輸沙量年內分配極不均勻，69月輸沙量占全年輸沙總量80%左右，且這4個月內的輸沙量往往只是由幾次洪水來輸移的，個別場次洪水的輸沙量可占到全年總輸沙量的1/31/2；多年平均侵蝕模數1.4萬t/km2，多年最大侵蝕模數4.26萬t/km2(1977年)；多年平均含沙量314.2kg/m，最大含沙量1560kg/m；多年平均懸移質輸沙量4480萬t，推移質無實測資料。在西川河支流上，距人工湖工程(上游)14km的棗園，從1971年設立棗園水文站，棗園水文站控制流域面積719km。據棗園水文站1971年1989年19年的統計資料分析：棗園水文站多年平均徑流量2478萬m3，多年平均輸沙量407.13萬t；且水沙量年內分配不均勻，尤其是沙量年內分配極不均勻，7、8兩月水量、沙量分別占全年總量的45%和80%以上，69月沙量占全年總量的98%以上。南川河無水沙實測資料。在延安市區內，延河及南川河均是人工渠化的砌石護坡河段，邊坡比為10.210.5。市區內延河河寬一般為120150m，最窄處80m，河床床面與堤頂間的高差約79m，河道比降大，洪水期河槽平均流速在4m/s以上，水流沖刷力強，河床泥沙級配較粗。據延河大橋到壩址之間河床現場取樣分析結果可知，河床中值粒徑32mm，最大粒徑在300mm以上。延河人工湖橡膠壩壩址選在寶塔山腳下的延河大橋下游約320m處，處于延河彎道末端，上游100m左右為延河與南川河交匯區。據設計文獻介紹，延河人工湖橡膠壩的設計原則是：為盡可能不改變原河道過洪斷面，除沖沙閘閘墩和橡膠壩中墩、邊墩高出河床高程3.5m外，橡膠壩底座高程與原河床凹岸最低點同高，其高程為949.5m，壩底座沿水流方向的長度為20.8m，又考慮到左右岸長期淤積，故左右岸靠河堤各設15m漿砌石滾水壩，壩頂高程952.00m，右岸滾水壩的左端設一寬3.0m、高3.5m的沖沙閘，閘底板高程為949.00m；大壩主體為充水式橡膠壩，壩長118.7m，壩體分為兩段(見圖2)。在非汛期充水運用時，壩頂高程為952.1m，可形成回水長度1.3km，蓄水量約20萬m3。2模型設計與驗證模型設計為(幾何比尺為)160的正態動床模型，模擬范圍包括壩址上游2.7km及其下游0.7km的河段。由于原型沙較粗，模型沙可選用天然沙，這樣，模型沙與原型沙具有相似的阻力特性和運動特性，并能用同一公式所描述。因此，當模型幾何條件和水流條件與原型相似的情況下，模型沙與原型沙的起動、輸移等相似條件也隨之滿足。根據散粒體泥沙起動流速公式，可求得泥沙粒徑比尺為160；并依此粒徑比尺，按照原型沙級配曲線(d50=32mm)求得模型沙級配曲線(d50=0.53mm)。根據泥沙輸移相似條件及河床變形相似條件，可求得單寬輸沙率比尺及沖淤時間比尺。模型的驗證情況表明，在延河人工湖工程修建前后，模型與原型實測水位符合良好；河床沖淤變形雖沒有實測資料，但從河道主流流向、沖淤部位及其演變情況來看，模型與原型也較為相似。因此，可認為：模型設計是正確的，試驗結果是可信的。并且，試驗結果得到了有關方面的認可。在模型試驗中，分別模擬了工程修建前后，河道來流量為3800m3/s、4700m3/s和5400m3/s(即二十年、三十年和五十年一遇洪峰流量)以及延河來流量為4700m3/s時，南川河同時來流量為965m3/s(接近南川河二十年一遇的洪峰流量1100m3/s)等頻率洪峰流量的組合試驗。3試驗結果與分析討論3.1橡膠壩底座對壩上下游水流流態及橫向流速分布影響的分析從模型試驗情況來看，在工程修建前后，同樣頻率洪峰流量的水流流態變化不大，且具有一定的相似性。以三十年一遇洪峰流量試驗情況為例，工程修建前后的水流流態及流速分布情況見圖1、圖2。從圖1、2可知，在延河大橋(三孔拱橋)下游的順直河段，河道受橋孔作用和影響，在工程修建前后的河道中，均形成了清晰可見的三股水流；在凸岸邊灘灘嘴(S30)斷面的下游，各斷面橫向流速分布也具有很好的規律性，且工程修建前后的橫向流速分布具有一定的相似性，但工程修建前后的各斷面垂線平均流速值發生了變化。在S30斷面，工程修建前后的最大垂線平均流速均靠凸岸，從河道的凸岸到凹岸，河流垂線平均流速基本上是依次減小；在橡膠壩上下游附近，河流最大垂線平均流速居中，且工程修建后的斷面平均流速大于工程修建前的斷面平均流速；再向下游，工程修建前后的幾股水流均頂沖凹岸，并靠凹岸流動。3.2橡膠壩底座對壩上下游河床沖淤變化影響的分析3.2.1在南川河無洪峰入匯的情況下，從延河人工湖工程修建前后壩上下游的河床沖淤變化可以看出，在橡膠壩上游，工程修建前后各級頻率洪峰流量的河床沖淤變化均具有相似的特征：其一，在橡膠壩上游的S30斷面以上，工程修建前后的河床沖淤變化差異不大，且床面均還沒有形成凹岸沖刷凸岸淤積的形態；其二，在壩上游的S32斷面，床面均呈現出右岸沖刷左岸淤積的雛形，且工程修建前的右岸沖刷左岸淤積的強度均較工程修建后的強度略大；而且越接近壩軸線，工程修建前后的右沖左淤形態差別越大，在壩軸線斷面，差別達到最大；此外，這種差別隨著流量的增大而增大，見圖3。在河道來流量為3800m3/s時，工程修建后的河道右岸床面較工程修建前的原河床右岸床面高出部分的面積約100m2，而左岸河床床面較工程修建前降低部分的面積約40m；當河道來流量為4700m3/s或5400m3/s時，工程修建后的右岸床面較工程修建前的原河床右岸床面高出部分的面積為140m2200m2，而左岸河床床面較工程修建前降低部分的面積約100m。圖1工程修建前三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)壩上下游水流流態及流速分布圖Flowpatternandvelocitydistributionatarecurrenceof30yearswithaflooddischargeof4700m/sbeforethedambuilt圖2工程修建后三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)壩上下游水流流態及流速分布圖Flowpatternandvelocitydistributionatarecurrenceof30yearswithaflooddischargeof4700m/safterthedambiult在橡膠壩下游，工程修建前后各級頻率洪峰流量的河床沖淤變化也具有相似的特征：其一，在壩下游60m范圍內，受壩底座附近降水曲線影響，水流流速加大，因此，工程修建后的左右岸河床面均低于工程修建前的原河床面；其二，在S34斷面，工程修建前各級頻率洪峰流量的河床右沖左淤強度較大，形態較明顯；在S35斷面，則與之相反，工程修建后各級頻率洪峰流量的河床右沖左淤形態則較明顯；在S36斷面，工程修建前后的河床基本上不再存在右沖左淤形態，沖刷主槽偏離右岸而基本上居中；其三，在壩下游450m的嘉嶺橋附近，工程修建前后的河床沖淤形態基本一致，即橡膠壩底座對各級頻率洪峰流量的河床沖淤影響在此斷面已基本消失。圖3工程修建前后壩軸線斷面(床面)沖淤變化圖Changesofcrosssectionatdamsite根據河流動力學理論及上述河床演變情況分析，在橡膠壩上下游一定范圍內，工程修建前后河床沖淤情況發生變化的主要原因有兩個：其一，由于橡膠壩底座存在，改變了工程修建前后各級頻率洪峰流量水流流態及流速分布，使主流線頂沖凹岸的位置發生變化，從而使頂沖點上下游一定區域沖淤地形發生變化；其二，由于橡膠壩底座修建在彎道段，在工程修建前，原河流在凹岸沖刷形成一條沖刷槽，使一部分水流歸槽流動；而在工程修建后，壩底座切斷了原河床可動層的連續性及完整性，壩底座的一部分(較工程修建前凹岸河床面高的部分)實際上是一個具有固定高程的底檻，它不僅限制了橡膠壩上游凹岸床面可動層泥沙的起動，而且在一定程度上約束了彎道橫向環流作用，致使壩上游凹岸部分沖刷槽消失或減小，凸岸泥沙淤積強度減弱。前述的第一個原因是導致壩下游工程修建前后河床沖淤情況發生變化的主要原因，第二個原因是導致壩上游工程修建前后河床沖淤情況發生變化的主要原因。從上分析可知，從河道過流能力來講，橡膠壩底座有其不利之處，但若從河道穩定及凸岸引水等方面來考慮，橡膠壩底座也有其有利之處。這就是橡膠壩底座限制了河流對凹岸床面的下切，約束了水流的橫向環流作用，使凸岸過流能力加大，并使凸岸床面沖刷下降。工程修建后的這一河床演變特征，不僅有利于河流凹岸河堤堤腳的穩定，而且使河流過流量在橫向分布上較工程修建前更趨向均勻，由此為河流的彎道整治及凸岸引水工程等研究課題提供了一個新的研究方向。3.2.2在南川河有洪峰入匯的情況下，當延河來流量為4700m3/s，南川河來流量為965m3/s時，工程修建前后橡膠壩上下游河床沖淤變化情況與南川河無洪峰入匯的情況相類似，而且，在此情況下，橡膠壩底座對壩上下游河床沖淤變化的影響較南川河無洪峰入匯情況下的影響還小。3.3橡膠壩底座對河道各級頻率洪峰流量沿程洪水位影響的分析從模型測驗結果可知，各級頻率洪峰流量的試驗結果均有幾個共同特征：其一，在壩下游450m的嘉嶺橋斷面，工程修建前后的同級洪峰流量的洪水位基本一致；其二，在延河與南川河匯流區下游，延河河道為彎道段，因此其右岸水位均高于左岸水位；其三，在彎道凹岸，每股水流頂沖點附近的水位明顯高于其上下游水位；其四，S30斷面為一特殊斷面，其右岸水位基本上均高于其上游S28及S27斷面右岸水位；而其左岸處于凸岸彎道轉折點，因而其左岸水位基本上均低于其下游S31斷面左岸水位；其五，在橡膠壩下游的一定范圍內，工程修建后的各級頻率洪峰流量的洪水位一般均低于工程修建前的同流量洪水位；在橡膠壩上游一定范圍內，工程修建后的各級頻率洪峰流量的洪水位一般均較工程修建前的同級流量洪水位具有不同程度的抬高。3.3.1在南川河無洪峰入匯的情況下，橡膠壩底座致使各級頻率洪峰流量的水位抬高值在壩上游5080m達到最大，并由此向上游沿程遞減；且壩上游水位抬高值及回水影響范圍隨著流量的增大而增大。在二十年一遇洪峰流量(3800m3/s)時，壩上游洪水位最大抬高0.3m，回水影響范圍到壩上游300m左右；在三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)時，壩上游洪水位最大抬高0.30.5m，回水影響范圍到壩上游700m左右；在五十年一遇洪峰流量(5400m3/s)時，壩上游洪水位最大抬高0.61.0m，回水影響范圍到壩上游1500m左右。此外，由試驗結果可知：延河王家坪大橋(壩址上游1500m左右)上下游河段，即使在工程修建前，也不具備二十年一遇洪水的行洪能力，因此，該試驗結果為延安市城區河段堤防工程的規劃設計提供了較為可靠的依據。3.3.2在南川河有洪峰入匯的情況下，由于南川河洪峰對延河洪峰的頂托作用，不僅使工程修建前后的水流流態及洪水位趨于平穩(同一側點的水位波動值明顯小于南川河無洪峰入匯時的水位波動值)，而且使延河大橋下游河道中的三股水流明顯向左岸偏移，因此，在一定程度上消除和減小了橡膠壩底座對延河洪水位的抬高影響。從延河來流量4700m/s，南川河同時來流量965m3/s的實測資料來看，壩上游洪水位最大抬高0.2m，回