黃河小浪底水利樞紐溫孟灘移民安置區(qū)河段位于小浪底工程下游約30km處，該河段西起孟縣境內(nèi)207國(guó)道的洛陽(yáng)黃河公路橋，東至洛河口對(duì)岸的溫縣大玉蘭控導(dǎo)工程以下2.5km，東西長(zhǎng)40km，右岸為邙山山麓，左岸為溫孟大灘。根據(jù)小浪底庫(kù)區(qū)移民規(guī)劃，需在溫孟灘區(qū)安置移民4.7萬(wàn)人。
溫孟灘移民安置區(qū)絕大部分為70年代以來(lái)形成的低灘地，受河勢(shì)影響大，為保證移民安置區(qū)的安全，需對(duì)該河段采取必要的河道整治工程措施。為此，有關(guān)部門提出了河道整治方案，主要是對(duì)現(xiàn)有工程進(jìn)行上續(xù)、下延，并通過(guò)修筑防護(hù)圍堤，將左岸控導(dǎo)工程首尾相連，保護(hù)移民灘區(qū)在大洪水時(shí)不漫灘。由于該河段河道演變復(fù)雜及整治工程的重要性，應(yīng)對(duì)其整治方案的合理性及對(duì)不同水沙條件的適應(yīng)性進(jìn)行多方面研究，因而，開(kāi)展了溫孟灘移民安置區(qū)河段河道整治河工動(dòng)床模型試驗(yàn)。
1 試驗(yàn)邊界條件
根據(jù)三門峽水庫(kù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，在水庫(kù)攔沙運(yùn)用初期往往是下游河道沖淤變化最大、河勢(shì)調(diào)整最劇烈、對(duì)河道整治工程影響最明顯的時(shí)期。因此，為考慮對(duì)下游河道整治工程影響最不利的水庫(kù)運(yùn)用時(shí)段與水沙條件的組合情況，專門開(kāi)展了小浪底水庫(kù)攔沙運(yùn)用期遭遇大水少沙型洪水的試驗(yàn)研究。 試驗(yàn)組次的設(shè)計(jì)條件是：假設(shè)小浪底水庫(kù)首先下泄1961～1964年水沙過(guò)程后，又泄放洪峰流量達(dá)到10000m3/s的“82.8”放大型洪水過(guò)程，因此，試驗(yàn)的初始地形是在2000年地形[１]基礎(chǔ)上通過(guò)施放1961～1964年三門峽水庫(kù)下泄清水過(guò)程塑造而成。在三門峽水庫(kù)攔沙下泄清水運(yùn)用期，黃河下游河道累積沖刷量達(dá)23億t，其中溫孟灘河段沖刷量占全下游的約20%。且在沖刷過(guò)程中，河勢(shì)由寬淺散亂趨于窄深歸一，某些斷面下切相當(dāng)嚴(yán)重。尤其在1964年大水期(三門峽水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量為12400m3/s，出庫(kù)為4900m3/s)，大部分?jǐn)嗝嫔钽c(diǎn)下降幅度達(dá)4～6m，最大達(dá)10m。因而可預(yù)估，在小浪底水庫(kù)于2001年建成投入運(yùn)用后的攔沙運(yùn)用期下泄清水階段，下游河床沖淤演變也會(huì)受到很大影響。若在對(duì)工程安全不利的此類地形前提下，河道又遭遇大水少沙型的洪水，河床將作何調(diào)整，規(guī)劃的河道整治工程能否適應(yīng)此類大洪水的河勢(shì)變化，工程局部沖刷是否會(huì)進(jìn)一步加劇，等等，是值得研究的問(wèn)題。
2 試驗(yàn)水沙條件
根據(jù)上述試驗(yàn)?zāi)康�，選擇了1982年汛期(7月29日～8月9日)的洪峰過(guò)程(簡(jiǎn)稱“82.8”洪水)。該水沙過(guò)程的特點(diǎn)是洪峰流量大，含沙量低，屬于大水少沙型洪水，且沙峰稍滯后于洪峰。進(jìn)一步考慮到溫孟灘移民安置區(qū)防護(hù)圍堤的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為10000m3/s，故以此洪水過(guò)程為基礎(chǔ)，采用同倍比法將小浪底洪峰流量放大至10000m3/s，沙量按輸沙率相應(yīng)放大，以此作為小浪底攔沙運(yùn)用期河床沖刷下切后遭遇的大洪水類型，其概化水沙過(guò)程見(jiàn)圖1。
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3 模型設(shè)計(jì) 模型模擬河段為小浪底至孤柏嘴，該河段河床邊界條件極為復(fù)雜，上段為砂卵石寬淺多汊型河段，下段為沙質(zhì)游蕩型河段。模型設(shè)計(jì)充分參考了黃河水利科學(xué)研究院關(guān)于黃河動(dòng)床模型的有關(guān)研究成果[２，３]，尤其是近年來(lái)提出的河工模型相似律[４]，并通過(guò)認(rèn)真分析原型河道的水力條件、邊界條件和進(jìn)行的預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果，提出了“分段設(shè)計(jì)、過(guò)渡處理”[５]的設(shè)計(jì)方法，對(duì)該河段河工動(dòng)床模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)。特別是在模型沙的處理上，根據(jù)起動(dòng)相似條件，上段采用天然沙作為模型床沙，下段采用鄭州熱電廠粉煤灰作為模型床沙，并通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)渡處理，從而完成了從卵石河床到沙質(zhì)河床到沙質(zhì)河床的過(guò)渡轉(zhuǎn)變。試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可滿足水流阻力、河床演變、泥沙起動(dòng)及輸移等方面的相似要求。設(shè)計(jì)的主要比尺見(jiàn)表1。 |
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Designed scale of different river patterns
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比尺 |
平面 |
垂直 |
流量 |
砂卵石河床多汊型河段 |
沙質(zhì)河床游蕩型河段密度 |
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λL |
λh |
λQ |
床沙粒徑 |
起動(dòng)流速 |
糙率 |
床沙粒徑 |
含沙量 |
河床變形時(shí)間 |
起動(dòng)流速 |
懸沙粒徑 |
糙率 |
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λD |
λVC |
λn |
λD |
λS |
λt2 |
λVC |
λd |
λn |
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數(shù)值 |
600 |
60 |
279000 |
7.56 |
7.24～ |
0.72 |
3.6 |
1.72～ |
66.4～ |
7.63～ |
1.38 |
1.55 |
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7.95 |
2.55 |
86.87 |
8.44 |
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4 試驗(yàn)結(jié)果分析
4.1
總的來(lái)說(shuō)，由于前期清水沖刷，主河槽變得較為窄深，過(guò)流能力大大增加，故在“82.8”放大型洪水過(guò)程中，河勢(shì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較歸順，主流線擺動(dòng)均在工程控制范圍以內(nèi)，基本未出現(xiàn)橫河、斜河等畸形河勢(shì)，洪峰期未出現(xiàn)明顯漫灘現(xiàn)象(圖2)。
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圖2 漲水初期(Q=2024m3/s)、落水期(Q=1990m3/s)河勢(shì)圖 |
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River configuration in initial period of raising (Q=2040m3/s) and falling water(Q=1990m3/s) periods |
就工程的適應(yīng)性而言，還存在二個(gè)突出問(wèn)題：一是由于本試驗(yàn)水沙條件為大水少沙型,且河槽在前期已遭強(qiáng)烈的沖刷,加之部分河段整治工程平面布置的曲率半徑不甚合理及工程送溜段嫌短,使得個(gè)別工程前形成入流死、迎溜段水流過(guò)于集中，而出溜較為分散的不利河勢(shì)。如逯村工程入溜段河寬僅為400m，而出溜段河寬達(dá)1600m；趙溝工程出溜段河面突然展寬也達(dá)1km之多，且水流散亂；裴峪工程出溜1500m后水流擴(kuò)散、河面展寬，至大玉蘭工程迎溜段河寬約1.7km，為整個(gè)河段的最寬處。當(dāng)然,形成此類河勢(shì)的原因除工程平面布設(shè)的因素外,來(lái)水來(lái)沙的組合也有一定的影響。如根據(jù)文獻(xiàn)[6]對(duì)河型與來(lái)水來(lái)沙搭配關(guān)系Qs=Kqm的研究表明，在大水而來(lái)沙偏小或小水來(lái)沙偏大時(shí)，式中的m較小,一定流量下的水流輸沙率也就較低,易形成刷灘淤槽、水流寬淺游蕩的河勢(shì)。 二是由于諸如化工工程的下延長(zhǎng)度較短且曲率半徑偏小，出流產(chǎn)生明顯的回流淘刷現(xiàn)象，最大淘刷范圍可至圍堤根，嚴(yán)重威脅了圍堤安全。另外一個(gè)問(wèn)題亦應(yīng)注意，即前期清水沖刷過(guò)程中，由上段砂卵石推移質(zhì)被運(yùn)移至逯村工程下首堆積形成的砂卵石心灘，在該次大洪水期間，并未很快消失，南北兩汊反而進(jìn)一步塌灘外移，落水后期北灘沿距圍堤僅剩100m左右，這對(duì)防護(hù)圍堤安全構(gòu)成極大威脅，因此，對(duì)逯村工程～開(kāi)儀工程、化工工程～大玉蘭工程圍堤上段均應(yīng)考慮設(shè)置相應(yīng)的護(hù)根措施。
4.2 工程適應(yīng)性分析
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黃河游蕩型河道的整治流量一般是采用中水河槽的平灘流量，按控導(dǎo)作用可將工程的平面構(gòu)成形式分為迎溜段、導(dǎo)溜段和送溜段(見(jiàn)圖3)。按設(shè)計(jì)要求，迎溜入彎段多為小水靠溜段，以彎導(dǎo)溜段多為中水靠溜段，送溜出彎段多為洪水漫灘后靠溜段。一般來(lái)講，出于工程安全角度和導(dǎo)流效果考慮，總是希望入流角(主流線與連壩切線的夾角，見(jiàn)圖3)不宜太大，以小于40°為好，同時(shí)，力求整個(gè)導(dǎo)溜和送溜段均靠大溜，主溜出流角(見(jiàn)圖3)不宜太大，以防止挑流過(guò)陡，造成下游工程入溜上提。就是說(shuō)，若在不同流量下，能夠基本達(dá)到入溜平順，出溜集中，送溜到位，則表明工程的適應(yīng)性比較好。據(jù)此,分別統(tǒng)計(jì)了模型試驗(yàn)代表水沙條件的Q<4000m3/s清水沖刷系列， |
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Q=4000m3/s
Adaptability analysis on the works
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工程名稱 |
河勢(shì)參數(shù) |
水 沙 條 件 |
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Q=1000～4000m3/s |
Q=4000m3/s |
Qmax=10000m3/s |
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清水沖刷系列 |
S=200kg/m3 |
Smax=90kg/m3 |
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中水大沙 |
大水少沙系列 |
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著溜位置 |
嚴(yán)重上提 |
正常 |
正常 |
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入流角 |
偏大 |
偏大 |
適中 |
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送溜長(zhǎng)度 |
偏短 |
基本到位 |
正常 |
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著溜位置 |
基本正常 |
正常 |
偏上開(kāi)儀 |
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開(kāi)儀 |
入流角 |
偏大 |
偏大 |
正常 |
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送溜長(zhǎng)度 |
基本正常 |
基本正常 |
偏短 |
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著溜位置 |
基本到位 |
正常 |
偏上 |
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趙溝 |
入流角 |
偏大 |
偏大 |
正常 |
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送溜長(zhǎng)度 |
基本正常 |
基本正常 |
偏短 |
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著溜位置 |
稍偏上 |
正常 |
基本正常 |
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化工 |
入流角 |
偏大 |
偏大 |
適中 |
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送溜長(zhǎng)度 |
偏短 |
基本到位 |
偏短 |
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著溜位置 |
偏上 |
嚴(yán)重上堤 |
正常 |
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翡峪 |
入流角 |
偏大 |
偏大 |
稍偏大 |
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送溜長(zhǎng)度 |
偏短 |
基本正常 |
偏短 |
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著溜位置 |
嚴(yán)重下挫 |
正常 |
中偏上 |
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大玉蘭 |
入流角 |
過(guò)大 |
稍偏大 |
基本適中 |
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送溜長(zhǎng)度 |
正常 |
正常 |
正常 |
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4.3 河底高程的調(diào)整 經(jīng)分析計(jì)算，由1961～1964年水沙系列和“82.8”放大型洪水先后作用下，河床平均高程較2000年下降3～4m，其中沖刷最嚴(yán)重的河段發(fā)生在馬峪溝以上，最大平灘水深達(dá)10m左右，這與三門峽水庫(kù)攔沙運(yùn)用期的實(shí)測(cè)情況比較接近[8]。圖4為試驗(yàn)洪峰期水面線和洪水前后河底平均高程沿程變化,可以看出，洪水前、后河底平均高程沒(méi)有發(fā)生大的調(diào)整，河床沖淤相對(duì)較弱。花園鎮(zhèn)工程以上有少量沖刷，花園鎮(zhèn)～伊洛河以上微淤，其下又略有沖刷，這主要是前期河床已充分粗化而造成。根據(jù)觀測(cè)，在流量達(dá)到10000m3/s時(shí)，基本沒(méi)有發(fā)生漫灘現(xiàn)象。這說(shuō)明河槽經(jīng)過(guò)1961～1964年水沙過(guò)程及“82.8”放大型洪水沖刷調(diào)整后，其過(guò)流能力是相當(dāng)大的。 |
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Statistics (below highest level) of work-contacting point and its maximum scouring depth
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工程 |
漲水初期 |
落水后期 |
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名稱 |
靠溜情況 |
最大沖刷深度(m) |
靠溜情況 |
最大沖刷深度(m) |
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逯村 |
上延5#—上延2#壩受頂沖 |
7.5 |
漲水期上延5#—上延2#壩受頂沖其下靠主溜，落水時(shí)頂沖位置上提至上延7#壩，且造成二次靠河，最終形成上、下2處沖刷坑。 |
9m(上延5#壩)8m(27#壩) |
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花園鎮(zhèn) |
22#—29#靠主溜，27#、28#壩處沖深達(dá)最大。 |
15 |
靠溜位置始終在22#壩以下，27#~29#壩沖坑最深。 |
16 |
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開(kāi)儀 |
中下部著主溜，因迎流角小，沖坑不明顯。 |
8 |
靠溜位置一直靠著10#壩以下，7#—29#壩處受頂沖。 |
10 |
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趙溝 |
上延3#—10#壩迎主溜，6#壩處沖坑最大。 |
18 |
主流始終頂沖在上延3#—上延1#壩之間，上延1#—上延9#壩靠大溜。 |
19 |
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化工 |
19#壩以下靠主溜，21#壩處沖刷最深。 |
12 |
18#—33#壩靠主溜，21#—27#壩沖深最大。 |
14 |
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裴峪 |
4#—13#迎主溜，8#壩附近沖深最大。 |
18 |
3#—14#壩迎主溜，8#壩附近沖刷最嚴(yán)重。 |
17 |
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大玉蘭 |
10#壩以下全部靠溜，12#—15#壩前有一沖坑。 |
10 |
漲水及洪峰期，15#—25#迎主溜，26#—41#壩靠大邊溜；落水期河勢(shì)上提至10#壩，10#—15#沖坑最深。 |
14 |
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4.4
溫孟灘移民安置區(qū)河段河道整治工程長(zhǎng)度占該河段長(zhǎng)度的90%以上。隨著工程的進(jìn)一步完善、配套，有效地控制了河勢(shì)，其游蕩性得到明顯改善。但由于一些老的工程，特別是南岸的趙溝、裴峪等工程因地形等邊界條件的制約，其布局、迎流角度均不甚合理，因而在這些工程前往往形成嚴(yán)重的局部沖坑。表3漲水初期和落水后期所測(cè)得的局部沖坑位置和深度�？梢钥闯�，洪水前后沖坑位置變化不大。從沖坑深度看，除裴峪工程外，其它工程的局部沖深均有所增加。趙溝工程的沖深最大，其位置在工程上延壩段，沖深由18m增至19m。從南北岸工程沖深看，南岸普遍深于北岸，象趙溝工程、裴峪工程的局部沖深遠(yuǎn)比北岸的開(kāi)儀、化工、大玉蘭等工程的大。根據(jù)試驗(yàn)分析，造成這種現(xiàn)象的原因主要在于工程入流角度的不同。入流角度愈大，形成的局部次生環(huán)流強(qiáng)度愈強(qiáng)，局部沖深就會(huì)愈深。圖5、圖6分別為小浪底水庫(kù)攔沙運(yùn)用末期遭遇“82.8”放大型洪水試驗(yàn)[9]及本次試驗(yàn)測(cè)得的局部沖深隨流速變化的過(guò)程，可以看出兩者反映的變化規(guī)律是基本一致的，沖深都是隨著流速增大而增加，最大沖深基本與最大流速相對(duì)應(yīng)。但由于南岸的趙溝工程、裴峪工程的入流角度(多在50°～60°以上)大于北岸的開(kāi)儀工程、化工工程入流角度(40°～45°），所以南岸工程前局部沖深都大于北岸的沖深。如圖5，北岸開(kāi)儀工程前的最大流速接近4m/s，對(duì)應(yīng)最大沖深為13m；趙溝工程前的最大流速為2.7m/s，但最大沖深達(dá)14.5m。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果知，開(kāi)儀工程入流角度基本保持在40°左右，而趙溝工程入流角度達(dá)60°以上，較大入流角的水流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向環(huán)流，對(duì)河床質(zhì)有很強(qiáng)的淘刷作用，即使流速不大，也會(huì)造成較大沖刷。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)力求避免入流角過(guò)大的工程平面布置。若受自然邊界條件所限，應(yīng)考慮填彎工程等改善措施。
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圖5 局部沖深與流速關(guān)系 |
圖6 本次試驗(yàn)條件下的局部沖深與流速關(guān)系 |
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Relationships between local scouring depth and velocity |
Relationships between local scouring depth and velocity in this test |
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)試驗(yàn)分析，得出如下幾點(diǎn)初步認(rèn)識(shí)：
1.因前期河槽下切，水流相對(duì)集中，河勢(shì)較為穩(wěn)定，除逯村工程下首主流擺幅600m外，其余均未發(fā)生大的變化；
2.由于前期的清水沖刷，床沙已嚴(yán)重粗化，因而本次洪水過(guò)程中河床沖淤調(diào)整不大；
3.洪峰流量達(dá)到10000m3/s時(shí)，未出現(xiàn)漫灘現(xiàn)象，說(shuō)明河道行洪能力大大增加；
4.洪水過(guò)后，局部沖深均有所增加，但南北工程局部沖刷特點(diǎn)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，所以南岸的局部沖深大于北岸工程局部沖深；
5.由于個(gè)別工程的平面布設(shè)及曲率半徑不甚合理，工程的下延長(zhǎng)度嫌短，因此不能完全適應(yīng)河勢(shì)的變化，如出現(xiàn)入流過(guò)死，出流散亂外擺等不利河勢(shì)。為此，提出的工程調(diào)整建議為：逯村工程增加2道潛壩；趙溝工程上延可減少5道壩；化工工程在增大送溜段曲率半徑的前提下再下延2～3道壩；裴峪工程修建上延護(hù)彎工程，另外，需要對(duì)逯村～開(kāi)儀、化工～大玉蘭之間的防護(hù)圍堤上段堤根進(jìn)行防護(hù)處理。
總之，試驗(yàn)表明，多數(shù)工程對(duì)河勢(shì)的控導(dǎo)作用是較理想的，沒(méi)有出現(xiàn)大的畸形河灣，水流相對(duì)歸順，河床沖淤調(diào)整不明顯。但是，對(duì)于諸如趙溝工程、裴峪工程的局部沖深較大問(wèn)題應(yīng)給予足夠重視。
由于黃河的復(fù)雜性及模型的局限性，上述認(rèn)識(shí)只是在特定的地形、水沙條件下得出的，因此，尚待根據(jù)更多試驗(yàn)組次研究才能得出進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
