高含沙洪水输水输沙特性及对河道的破坏作用与机理研究(张林忠,江恩惠,赵连军,王…

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高含沙洪水输水输沙特性及对河道的破坏作用与机理研究

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张林忠江恩惠赵连军,王景玲水利论文3lN {$c ]+~"?Cl

(黄委会黄河水利科学研究院.豫北水利设计院)水利论文%p yE"XCC1h$nv

摘要:本文通过原型、模型实测资料分析,论述了黄河下游高含沙洪水河床演变规律及高

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含沙洪水在窄深河槽形成前后输水输沙特性的变化、现行河床条件下高含沙洪水造成洪水传播特性异常的原因和高含沙洪水对河道的破坏作用,意在指出小浪底水库正常运用期内要尽可能地避免出现高含沙洪水或少出现高含沙洪水。水利论文wHk X-lP0y"@

关键词:高含沙洪水; 造床规律; 窄深河槽; 输水输沙特性; 险情

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基金项目国家“九五”重点科技攻关计划资助项目(98-928-02-01-03)

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作者简介:张林忠(1972-),男,内蒙古土左旗人,黄河水利科学研究院工程师。

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1 前言水利论文RJ [}g;C,x

  近年来,尤其是90年代以来,黄河上、中游汛期、非汛期来水量均明显下降,但沙量减少甚微,据统计,90年代华县站减水40.32亿m3,减沙1.38亿t,减水、减沙分别占前期(1950~1969年)的44%、32%,说明90年代水减得多,沙减得少,水少沙多的矛盾更加突出,高含沙洪水出现的机遇增加,势必给黄河下游河道冲淤演变及防洪带来一些新的问题。“96.8”洪水出现的异常现象就充分说明了这一点。因此,进一步分析、研究高含沙洪水的造床机理和输沙特性,对黄河下游的防洪、河道整治等一系列工作有着积极的作用。

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2 高含沙洪水窄深河槽形成前后输水输沙特性变化

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    文献[1]曾经对高含沙洪水造床规律进行了详细的分析和讨论,在此不再过多赘述。我们知道高含沙洪水在黄河下游(特别是游荡性河段)通行时,不会一开始就形成高滩深槽,往往在峰前首先发生大漫滩,洪水漫滩之后,流速滞缓,造成滩地的大量淤积,形成新的滩唇,而后水流才集中河槽下泄,单宽流量增加,流速增大,挟沙能力随之提高,当挟沙能力增大到一定程度之后,才会引起主槽揭底冲刷,河床下切,窄深河槽方得以形成。根据黄河花园口至东坝头河段动床模型观测发现[2]:来童寨断面高含沙洪水塑造的窄深河槽形成前后,过水面积下降24.35%,而流速增大0.4%;九堡断面过水面积下降18.45%,流速增大14.2%,挟沙能力提高2倍以上。

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nv h,U-Yn0图1 花园口至来童寨河段排沙比与进口含沙量的关系水利论文&X S ?Fjp nk$b `D
Relationship of sediment discharge from Huayuankou to Laitongzhai with inlet sediment concentration

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  高含沙水流的输沙能力可以用河段排沙比来直观地反映。通过黄河花园口至东坝头河段河道动床模型试验测得的花园口至来童寨河段排沙比与进口含沙量的关系(图1),可以看出,随着进口含沙量的增大,排沙比越来越小,造成河道的严重淤积,一旦进口含沙量大到一定程度以后,排沙比又明显增大。说明,黄河下游河道高含沙洪水对河道冲淤变化过程是极其复杂的,不是简单相关,挟沙能力关系并不是唯一的,而是一个多值关系。江恩惠也曾对此进行过分析[3],认为在同一水力条件(V3/gHω0)下,挟沙力S*随含沙量S增大而增大,揭示了黄河下游常见的“多来多排”的特性。同时也反映出河道的输水输沙能力与河床的初始状态有密切关系。

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  天然情况也如此[4]。例如,1977年7月的高含沙洪水由于前期河床宽浅,涨水期流量大于4800m3/s时,洪水大量漫滩,滩地淤积严重,淤积厚度1m左右,河道过水宽度缩窄,形成相对窄深的河槽。此后,洪峰期(8010m3/s)洪水集中河槽下泄,主槽发生强烈冲刷,平均河床下切2m左右。落水后流量为5000m3/s时,花园口水位与涨水前同流量水位相比降低1m多,夹河滩水位降低0.7m左右。经过7月份高含沙洪水的造床过程,河道内形成了相对的高滩深槽(即所谓的窄深河槽),致使8月份洪水到来时,80%的主流集中在7月份洪水所形成的窄深河槽内运行,洪水陡涨到10800m3/s时,漫滩水流比例反倒不像7月份洪水时那么大,上滩的那部分水沿7月份洪水在横断面上形成的倒比降迅速漫向两岸(或老滩沿),同时受上次滩唇的阻挡,漫滩水为主河道表层含沙量相对较小、水流挟带颗粒较细的那部分水,因而本场高含沙洪水造成滩地淤积厚度仅为0.2m,远不及7月份洪水淤积严重。

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  由于长期以来河床一直处于淤积状态,河道过洪能力大大降低,“92.8”洪水前,平滩流量由5000m3/s降为3500m3/s。因此在1992年8月14日流量仅为3220m3/s时,原阳双井一带二滩即开始大量漫水,泥流入滩,流速滞缓,从而加重了滩地淤积,致使6240m3/s洪峰过后,花园口一带滩唇淤积厚度达1.5m~2m,形成了相对高滩深槽[5]。但是,本次高含沙洪水由于持续时间较短,窄深河槽没有再向下游发展。

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  为了更清楚地说明本河段输沙能力的变化,我们计算了花园口~夹河滩河段1977年和“92.8”洪水的排沙比P,即根据洪水水文要素测验结果,考虑洪水传播时间差以后的相对应的夹河滩站含沙量与花园口站含沙量之比(图2)。1977年两场高含沙洪水涨水前同流量排沙比没太大变化,流量5000m3/s时P一般为0.7左右,落水后由于河道内形成了窄深河槽,洪水集中河槽下泄,排沙比明显提高,在花园口含沙量小于200kg/m3以后,还出现了冲刷现象。“92.8”洪水仅在花园口等局部河段形成窄深河槽,而且窄深河槽维持时间极短,8月16日洪峰过后洪水不能及时归槽,一周内滩地积水仍没有退去,因而河道排沙比不仅没有增大,反而略有减少。另外,本河段高含沙洪水在现行河床条件下,河道输沙能力降低,从河道冲淤情况也可看出,“92.8”洪峰期8月6日到18日,花园口~夹河滩河段淤积达2.06亿t,而1977年7、8两个月淤积量仅为2.5亿t。水利论文?{$q$ZO t6I&ON

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O0hz&g A:{0图2 黄河花园口至夹河滩河段排沙比与花园口含沙量关系水利论文8i-\_]%h[
Relationships of sediment discharge from Huayuankou to Jiahetan with inlet sediment concentration

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  通过分析我们发现,高含沙洪水自然塑造窄深河槽是以前期河床的严重淤积为代价的,虽然出现了槽冲滩淤的现象,但由于滩地的淤积量远远大于主槽的冲刷量,因此,整个河道还是发生了严重的淤积。

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3 现状河床边界条件下高含沙洪水传播特点

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  随着黄河下游河床边界条件的日益恶化,洪水传播时间越来越长,其中,“96.8”洪水期间,夹河滩~高村和高村~孙口洪峰传播时间分别长达76和120小时,与正常情况相比,加长6倍左右。据申冠卿[6]等分析:现行河床边界条件下,主槽的行洪流速并没有减小。那么造成“92.8"、“96.8"洪水洪峰传播时间特长的原因是什么呢?长期的枯水少(中)沙,特别是近几年7月份的高含沙小洪水过程,使黄河下游主槽明显萎缩,过流面积大大减小,平滩流量降低为3000m3/s左右,与1958~1982年汛前相比减小一半以上。随着流量的增大,水位的抬高,将有相当一部分的水流漫向滩地。“92.8”等高含沙洪水,使黄河下游河道嫩滩大量淤积,滩唇高昂,滩地横比降加大,使得漫向滩地的那部分水流不能在短距离内回归主河道,需长时间在滩地滞留(甚至个别断面二滩还会出现倒流现象),形成类似于水库的调蓄作用。“96.8”洪水期间的原阳高滩、东明滩、长垣滩表现更加明显。滩区道路、渠堤纵横交错,形成较大的滞洪库容,滞蓄的洪水直至满足下泄条件之后,才逐步向下游推进或退归主河道,而实际上主流的洪峰早已过去。滩区滞洪造成了下游各站洪峰的逐步削减。由于滩地吞吐水量存在一个时间差,因而下游断面洪峰将发生明显变形,其后半翼相应变胖。如果后续洪水与洪峰相比并没减少太多,那么下游断面的洪峰很可能就是后续洪水与上游滩地退水合并的结果,峰现时间推迟也就不言而喻了[7]水利论文%V+M l-~L(e

  近几年汛期,花园口~东坝头河段洪水演进预报试验结果也清楚地反映了这一现象。从夹河滩(三)站洪水位实测过程可以看到,受上游原阳高滩、中牟高滩前期漫滩洪水退水的影响,下游各水位站后期高水位持续时间长达27和20小时,大大加重了该河段的防洪压力。水利论文h(d+PNM6UgO.O

4 高含沙洪水对河道的破坏作用

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3.1 高含沙洪水造成河道的严重淤积

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  高含沙洪水在渠道和天然河道上,常常出现严重淤积,对防洪非常不利。1973年引洛灌区连续出现高含沙洪水,引水过程在沿途进行分流、扒口,致使流量分散,形成“分流必淤”的局面,干渠发生严重淤积,用10000个工日清淤才恢复引水能力。1974年在引洛东干渠又是沿程分流太多发生平行上升淤积,比降1/2000调平到1/5000,又进一步加大淤积[8]

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  黄河下游自1950年至1977年,28年中发生18场高含沙洪水(含沙量大于300kg/m3),其造成的淤积占黄河下游同期总淤积量的50%,见表1。从表1可知,18场高含沙洪水的水量占28年总水量的2.6% ,沙量占总沙量的18.2% ,但淤积量却占28年总淤积量的50.6%,1970年及1977年高含沙洪水对黄河下游造成的淤积更为严重。由此可知,在目前黄河下游河道现状条件下,高含沙洪水对下游河道和防洪非常不利。水利论文oGH@6A"jd

表1 黄河下游18场洪水特征值水利论文p'a0S0pYXfo4TWKz*P
Characteristic values of 18 floods in the Lower Yellow River水利论文6a6_jBr_1fw&v W


年 份三门峡+黑石关+小董下游淤积量108t备 注

水量108m3沙量108t

1950~1977年12762.5409.196.0

年均水量452亿m3, 年均沙量14.6亿t,年均淤积量3.4亿t水利论文6A3b(B'p,f,e4J

18场高含沙洪水330.774.348.6
1970年两场高含沙洪水

年沙量21.4×108t, 年淤积量10.5×108t水利论文/T+~%CDfN

35.179.266.52
1977年两场高含沙洪水

年沙量20.09×108t,年淤积量10.6×108t

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45.5315.369.94

  黄河下游为游荡型宽浅河道,主流不定,高含沙洪水到来之后,水位异常偏高,1973年,1977年和1992年的高含沙洪水水位都高于同流量低含沙洪水水位,甚至超过1958年22300 m3/s的大洪水水位,这对防洪非常不利。

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4.2 高含沙洪水造成重大险情水利论文Q'U tevy:XP

  在高含沙洪水期,水流多由几股集成一股,在游荡性河段往往切割阻水洲滩,水流滚移,引起河势大变,增多了出现横河、斜河的机遇。例如,1977年7月9日,花园口河段通过高含沙洪峰后,河势发生大幅度改变。洪峰前大河紧靠南裹头,北岸马庄工程距河较远,但洪水过后,大河主流移至北岸,顶冲马庄工程上段。主流遂又以近90°的角度顶冲南岸花园口险工,同时八堡断面处原有三股河归为一股。以下河段河势也发生较大变化,万滩以北河床形成长70.5km 的沙洲,本河段主流紧靠南岸行洪,有些堤段坝前水深20余米,杨桥险工的17#~21#坝及护岸工程也相继出险,坝岸坍塌200多米,抢护七天七夜,险情才被控制。这场高含沙洪水致使化工控导工程前河势突变,一小时内主流北摆500m之多,引起主流直逼9#~17#坝,两小时后9#坝全部冲毁,随即10#、11#坝也以每分钟2~3m的速度全部塌毁,虽奋力抢修,但仍造成跑坝;又如“92.8”高含沙洪水期,开仪及驾部河段河道大淤大冲,主流摆动与河势变化的速度极快,变幅又大,常为人始料不及,给防洪抢险带来很大困难,其中在开仪工程附近,主流受河心滩顶托,河势上提,直逼4#坝,使以下6道坝相继出险,抢险抛石近1000m3,方化险为夷。水利论文'J8N%a|9zl

  高含沙洪水引起河势改变并致大溜顶冲工程时,坝前流速可达5~6m/s,具有很强的冲刷能力,造成大坝根石走失,坝体失稳。如1977年高含沙洪水期,马渡险工38#、40#、42#、60#各坝先后出险;赵口险工41#坝,建坝已80年,根石深达13m多,但在大溜顶冲几十分钟后即出大险。此外,万滩、杨桥等险工也有险情出现,抢险持续一月之久。

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  高含沙洪水特殊的造床作用,常致使深槽剧烈冲刷,河宽急剧减少,形成溜势迅猛的“河脖”,对工程影响更大。例如,1977年7月10日8时,花园口险工之前形成“河脖”,主流直逼花园口险工,一些工程底部受水流淘刷,根石大量走失。特别是第二场洪峰到来之时,建坝200多年、根石深达20多米的将军坝出险,抢险13个小时,抛石250m3,才控制住险情发展。

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5 高含沙洪水对河道破坏作用机理研究

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  水流阻力特性是水力学及河流动力学的核心问题之一,更是了解黄河高含沙水流运动规律的重要环节。由于黄河问题的复杂性,目前尚缺乏能直接适用于黄河下游各种情况且方便适用的计算方法。许多数学模型往往采用固定糙率来计算黄河下游水沙运动,造成水位计算与实际相差甚远。还有的模型,试图通过不同方法对河道糙率进行修正,在进行高含沙洪水的演进计算时,仍存在不小的误差。

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 为此,江恩惠统计了黄河、渭河大量实测资料,发现河道的糙率系数(n)与水力、泥沙因子有密切的关系,如图3、4。用佛汝德数(Fr)表示河流的水力要素,糙率系数(n) 随Fr和含沙量(S) 的增大而逐渐变小,当含沙量大于200kg/m3时,糙率系数n有增大的趋势,而且在含沙量接近500~600kg/m3时,糙率增加非常快,出现明显反弯现象。究其原因:在高含沙洪水期间形成窄深河槽以后,洪水集中河槽下泄,流速增大,水流动力(Fr)增加,造成河床剧烈变化,床面沙波、沙丘进一步发展壮大,甚至出现揭河底冲刷,使得河床糙率剧增。水利论文5xI i2vWS2AC

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(i2}&Rh"Wr0图3 黄河下游不同水力条件下糙率随含沙量变化规律水利论文S6o l#E&r_M
Variations of roughness with sediment concentration under different hydraulic conditions水利论文Vq9_/g u$N

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图4 渭河不同水力条件下糙率随含沙量变化规律
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Variations of roughness with sediment concentration under differenthydraulic conditions in Wei River, a tributary of the Yellow River水利论文X}4|Bcuv d|1s Ch

  由曼宁公式

V=1/nR2/3J1/2

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    可知水流平均流速V与糙率n成反比,根据张红武挟沙力公式,水流挟沙力与流速V是一个1.86的高次方的关系,因而糙率n如果增大一倍,水流挟沙力将按照V的1.86次方的倍比减小,因此,就不难理解高含沙洪水期为什么会造成河道的严重淤积,而且在高含沙洪水的作用下形成的相对的窄深河槽,很难得以长久维持的原因之所在。

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6 结语

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  以上分析表明,高含沙洪水在形成相对窄深河槽以后,其输沙能力的确较大,但窄深河槽的形成是以前期河道的严重淤积为代价的,高含沙洪水期间对河道的破坏作用巨大,造成的重大险情常使人始料不及,窄深河槽在高含沙洪水运行中遭到冲刷下切之后,糙率的突然增大,使水流挟沙能力大幅度减小,是造成河道的严重淤积和窄深河槽难以长久维持的原因所在。

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参 考 文 献水利论文.Gug!mI

[1] 江恩惠,张红武,赵连军等。高含沙洪水造床规律及河相关系研究。人民黄河,1999,(1).水利论文t[tSp/yk(_Y

[2] 江恩惠。黄河下游高含沙洪水数值模拟及运动机理研究。武汉水利电力大学硕士学位论文。1997.11.

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[3] 江恩惠,张红武等。黄河下游防洪形势分析。泥沙研究,1988,(4).

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[4] 江恩惠,张清,陈书奎等。黄河花园口至东坝头河段现行河床条件下高含沙洪水排洪能力分析。黄河科研,1995.水利论文 s"e@I SS'r*l6U

[5] 张红武,江恩惠等。黄河高含沙洪水异常现象成因分析。人民黄河,1993,(3).水利论文qu6v6@|oq0pW

[6] 申冠卿等。1996年汛期黄河下游冲淤演变特性及对防洪的影响。黄科院科研报告,1997.

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[7] 江恩惠,张红武等。黄河下游防洪形势分析。泥沙研究,1998,(4).

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[8] 焦恩泽。黄河高含沙水流的特性和利用。西北水电,1994,(2).水利论文&zv N Y2n

 

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