高含沙洪水冲刷规律的探讨(梁志勇 ,匡尚富 ,王兆印,徐永年)

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高含沙洪水冲刷规律的探讨水利论文fbD6u\ UP Q;o/y

梁志勇,匡尚富,王兆印,徐永年王会让
中国水利水电科学研究院陕西省水利厅

摘  要本文就低含沙洪水与高含沙洪水对河床的冲淤模式进行了描述,在对洪水冲刷河床的力学机理进行分析的基础上,初步建立了来水来沙与河床基本相互适应的条件下洪水冲刷深度与来水来沙的关系,并用黄河干支流资料进行了讨论与验证。该公式考虑因素简单,计算方便,同时适用于低含沙与高含沙洪水,可以用来估算洪水对黄河干支流河床的冲刷情况。水利论文V&z6Q3`0HT7]

关键词:洪水冲刷;高含沙洪水;涨冲落淤;断面冲淤模式水利论文`2i8O.w$ZlT w$d}

1冲刷的分类

3^(?ua/RX(m5L0

  冲积性河流在来水来沙的长期作用下,河道的边界条件与来水来沙基本上形成了相对均衡的关系。河道冲刷与淤积是来水来沙或河道边界条件变化而引起的河床变化问题,来水来沙的改变或大范围的边界条件变化会引起河道长距离、大范围的冲刷与淤积,而局部边界条件的改变则会造成局部河道的冲淤变化。王兆印等曾将导致河道长距离、大范围冲刷的原因分为四类[12],即洪水引起的河床冲刷、水库下泄清水引起的河床冲刷、高含沙水流冲刷和河流渠化引起的河道冲刷。从水沙与边界条件变化两方面来分类,可以将河床冲刷分为非恒定流冲刷(包括低含沙水流与高含沙水流)、恒定流(如清水)冲刷、河床条件变化和河岸条件变化引起的冲刷几类,如图1所示。

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#B.A gF#F3J8^(D0水利论文(\4^)b{ M#s-Y5GE.u'{
1河道冲刷分类图水利论文 LD6Hwf)@2`q

  本文将对涨水引起的河道冲刷进行分析,为了与习惯称呼一致,以下分别就低含沙洪水与高含沙洪水分别进行讨论。水利论文 v i7D`kW-I s*J

2洪水对断面形态的影响模式水利论文N)N9{ W*E X

2.1低含沙洪水对断面形态的影响水利论文 ZJ];hvsW,c

  梁志勇等[34]在整理分析山东河段河道断面的冲淤变化特点时,根据断面的历年变化情况以及来水对断面形态的作用,将来水对断面形态的影响概括为以下两条,(1)大水时河道涨水冲刷,落水淤积;洪水过后,河槽单一窄深;(2)小水期来临后,由于水流减小、主流靠岸,水沙与断面不相适应,河槽淤积;淤积后河槽转变为复式河槽,包括嫩滩和主槽。其中河槽的概念是指中等洪水流经的河道,包括嫩滩与主槽,主槽是小水流经的河道,如图2中所示,河槽之外为滩地。在对大量统计资料分析的基础上,将山东河道断面的洪水变化模式概化为图2,即大水河槽冲刷窄深归一,小水河槽淤积出现嫩滩。

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  如果将整个大水期视为一场洪水,小水期视为一场枯水,则河工常说的大水冲刷、小水淤积可以转化为洪水冲刷、枯水淤积。

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2.2高含沙洪水对断面形态的影响水利论文nX5aMiXa jO

  与低含沙洪水相比,高含沙洪水对断面的影响更为显著。如果低含沙洪水会造成河道冲刷的话,那么一般高含沙洪水则会造成更大的冲刷。低含沙洪水使断面归一冲深,高含沙洪水使断面变得更加窄深。对黄河下游河南河段高含沙洪水的分析表明,高含沙洪水涨水时,随着流量的上涨,泥沙在嫩滩不断落淤,同时冲刷主槽,随着嫩滩的进一步淤积,水流更加集中于主槽,主槽受到强烈冲刷;落水时虽然会带来一些淤积,但并不影响洪水对河床冲刷的性质。图3绘制了高含沙洪水通过河南河段时河床断面的变化模式,可以看出,与低含沙洪水相比,高含沙洪水过后,断面被冲刷变得更加窄深。水利论文z_\-f't

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图2 低含沙洪水对断面的影响模式水利论文v'Z#lP ` M

图3 高含沙洪水对断面的影响模式(修改自[5])

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3洪水涨水冲刷河槽的现象

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  黄河干支流通常表现为洪水冲刷、枯水淤积,在一场洪水过程中,则大多表现为涨水冲刷、落水淤积,有时也有涨水淤积、落水冲刷的情况。对于低含沙洪水而言,河床通常表现为涨冲落淤,图4所示的水位与流量关系就说明了这一点,由于涨水冲刷量大于落水淤积量,所以一场洪水过后,同流量下水位下降,河道表现为冲刷。水利论文@dB%F:C7c0`-k

  低含沙洪水冲刷河床的原因仍然归结为水沙的相互平衡关系,来沙率小于水流输沙能力时,河床发生冲刷;否则发生淤积。一般低含沙洪水来水来沙过程相应或基本相应时,洪水波速度大于水流冲刷河床后泥沙的运动速度,所以来沙过程滞后于来水过程,从而造成河床洪水期的冲刷。

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  与低含沙洪水相比,高含沙洪水对河道冲淤的影响就稍微复杂了一些。但如果不去考虑具体过程,从一场洪水的整体效应来讲,在水沙搭配协调的情况下仍然是洪水冲刷。图5绘制了渭河下游临潼站高含沙洪水的水位与流量关系。由图可见,同流量下水位涨水时水位高、落水时水位明显降低,这说明河床被冲刷降低了。水利论文-i5Q\-]'S f

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4洪水涨冲落淤示意图水利论文d$x7r*rk#b P

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5渭河下游临潼断面的高含沙洪水水位与流量关系
m*Z)`9fB0
水利论文w,};h8]3jhNZ

4.1公式推导

0@Yl+o]Ry.u8bH0

  如果原来河床基本处于冲淤平衡状态,涨水洪峰通过河床时,波峰所到之处流速增大,泥沙被冲刷,显然河槽的冲刷率应与作用于河床上作用力的增加量有关。根据动量原理,可以列出未涨水以前12两个断面间(如图6所示)。水利论文 ^'Q/B^)C3@g@{


CgL"v%U5qV ?-s0水体沿水流方向的动量方程为

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6p28.gif (3613 bytes)

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6水流涨水冲刷分析示意图
sr3`)]W]9n0
水利论文;ryqy:cQ} \ F$o7t

ρ(Q2V2-Q1V1)Δt=[ρg(Q2+Q1)ΔtJ/2-F1]Δt

(1)

*b+Q;Ez\1m5pT:`0

  1断面涨水以后12两个断面间水体沿水流方向的动量方程为

tc#gZ}0
ρ(Q2V2-Q1V1-ΔQC)Δt=[ρg(Q2+Q1+ΔQ)ΔtJ/2 - F2]Δt

(2)

Dh4|#AS c0

其中ρ为浑水的密度,Q为水流流量,V为水流流速,ΔQ为涨水流量,C为洪峰传播速度,Δt为作用时间,脚标12分别代表12断面,F1F2分别为涨水前后河床对水流的作用力。水利论文4Cq[%|&Bx#v-k

  如果忽略重力沿水流方向的作用,则从(1)(2)两个式子可以导出涨水后水流对河床增加的作用力为

4_(]E.yR4y Z2e-~4u0
ΔFF2-F1=ρCΔQ

(3)水利论文*W1|EL8SoR^

这样因洪水上涨而引起的河槽冲刷率为

|c*Z v:VV!a0v0
ΔA/Δt=kρCΔQ/Δt

(4)水利论文'O5N+M?K'U]`n

其中ΔA为Δt时间内该河段内河床断面面积的平均增加量,k为某一比例系数。因洪水上涨而引起的河床冲刷率

#rn hN&A QfXy(S:k0
Sr=kρC(dQ/Bdt)=kρC(dq/dt)

(5)

2M l#W$K7xE0

式中B为该河段的河槽平均宽度,q为按河槽宽度平均的单宽流量。因为冲刷率就是单位时间的冲刷厚度,所以上式也可写成冲刷深度的形式水利论文 g,eb8U9U.o%r'E

Δh=kC(ρQmax)/B=kCρqmax

gs2MS\^0

(6)水利论文&vHlK6CrJe?

  上式表明,冲刷深度与作用于河槽的单宽流量、洪水容重、洪峰传播速度有关。

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4.2公式讨论

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4.2.1流量的影响

3T5_h7OH-Mb:m ~0

  从以上推导可以得知,洪水对河床冲刷的影响主要取决于洪峰大小及其涨率、洪峰含沙量大小,洪水传播速度等几个因素。对于低含沙洪水,当洪水传播速度变化不大时,从(4)式可知,河槽冲刷率dA/dt主要取决于流量在单位时间里的上涨幅度,即水利论文8q}w9Ydx^[

dA/dtdQ/dt水利论文&J@;b$^J_'VO

(7)水利论文jT'a}*^g!tp'j

  文献[6]中曾介绍了黄河下游涨水冲刷的估算方法,认为涨水时断面面积的冲刷率dA/dt与流量的上涨率dQ/dt有关,其经验关系为

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dA/dt=0.14dQ/dt

M la Hj"w%D{0

(8)

\xU"m1FlX AW0

对于河宽变化不大的河段,当考虑其冲刷厚度时,可以将(7)式进一步简化为某一时段内冲刷深度与该时段流量涨幅的关系

`@/zS%X0

Δh=KΔQ水利论文s*V6uq_~ip%y @

(9)水利论文A~I0xT0\#M5k

或与最大流量Qmax的关系

Y.Y)u h)? eE0

Δh=KQmax水利论文a n;ph)Aed5n[

(10)水利论文x,Vh ^ c5L o

其中ΔQ为洪水上涨幅度,Δh为洪水上涨造成的河床冲刷厚度,K为系数。水利论文1_I;n Lp z s

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n)baP2Q$dmOtQ.m0

7冲刷幅度Δh与最大洪峰流量Qmax的关系水利论文'ZH j-C B\C

  图7(a)(b)分别绘制了临潼站和华县站河床冲刷幅度Δh与最大洪峰流量Qmax的关系,该图资料取自文献[7]。两个关系的系数K分别为1.6×10-4和2×10-4,Δh单位为mQmax单位为m3/s

vbf:R*^h0
  这说明河床的冲刷深度与洪峰流量有关,并随河段不同而有所差别。利用黄河干支流的资料可以清楚地看出,冲刷深度与洪水最大流量的关系明显地随河流河段不同而有一定差异,如图8所示。图中资料数据主要来源于文献[8],包括黄河小北干流、黄河下游河南与山东河段、黄河一级支流渭河和二级支流北洛河。这些冲刷资料既有低含沙水流的,也有高含沙水流的,还包括一些揭河底的资料。

h,\(T^)WB^J0  从图8可以清楚地看出,如果以各个河段的资料点子为基准作不同直线关系的话,黄河下游河段、小北干流、渭河与北洛河的点子从右向左依次排列,并非一个统一的关系线,而是一组基本平行的线段。

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图8 冲刷深度与最大流量的关系水利论文I A$x"b'P7M p9N M?A

这是因为同一流量在不同河流对河床的作用范围是不同的,同一洪峰流量作用于宽浅河槽的强度要小于作用于窄深河槽的。正如(5)(6)式所表示的那样,冲刷深度还应与作用河宽或单宽流量成比例,而不仅仅是流量。

m+C$MI [ @0

4.2.2含沙浓度的影响水利论文g%BQmMvK

  对于高含沙洪水,水流动量更大,因为其容重比水为大,浓度越高,容重越大。其容重

&z~ aBWdb)Uf0

ρ=ρ01-Sv+ρsSv水利论文!_(]jA8}#LrY~

(11)水利论文)q*L2{ ^U0gX8u!q1w s

比如当含沙量为500kg/m3时,体积比含沙量Sv0.2,则

2i+bY:rg4C J6aL0

ρ=0.8ρ0+0.2ρs1300>800

(nJS'YVS8TxI0

ρ/ρ01.8

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因为冲刷率与水流动量成比例或冲刷率Sr∝ρ,即说明水流为500kg/m3含沙量时,冲刷率是同样情况清水水流的1.8倍。

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  黄河干支流洪水受含沙量的影响表现出对河道的冲刷作用有显著不同,特别是高含沙洪水对河道的冲刷作用。如支流渭河咸阳以下河道受高含沙洪水影响很大,中等及其以上洪水对河道有明显的涨水冲刷作用。再如小北干流上高含沙洪水的揭河底现象,其冲刷深度是低含沙洪水所远不能达到的。水利论文*Jtp0A@

4.2.3洪水传播速度的影响水利论文-xD |5L7pM3| A

  黄河干支流洪水的传播速度有一定的差异,主要表现在两方面。一方面,同一河段不同流量级洪水的传播速度不同,另一方面,不同河段、不同河流的传播速度差别更大。如小北干流的洪水传播速度多在813km/hr之间等,现暂取小北干流为11km/hr,渭河4km/hr,黄河下游河南河段6km/hr,山东河段4 km/hr,北洛河9km/hr进行验证。

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水利论文*~F-w'B6T4|(N
9冲刷深度公式的验证水利论文O$J+oZ)[

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水利论文.C n)KH2d

4.3公式验证

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  根据上述思路,点绘了冲刷面积BΔh与最大流量、最大浑水容重和洪水传播速度之积的关系,如图9所示。

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  从上图可见,二者有明显的相关关系,相关关系为

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BΔh=1/180ρCQmax水利论文"OZ3j9}hAU2wE

(12)水利论文 jpQ*c }

或冲刷深度

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Δh=1/180ρCqmax水利论文#~0`9w _2pw

(13)水利论文v+K,iz{Vb

其中Δh单位为m,ρ单位为t/m3Qmax单位为m3/sC单位为km/hr,单宽流量qmax=Qmax/B。这样一场洪水对河床的冲刷率可水利论文 |:_IwKj

写作水利论文IZ7l$a D5}+?:T

Sr=dh/dt=1/180ρC(dq/dt)

^I3O ON Q6b0

(14)水利论文,TwW${I6L;W

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10涨水冲刷与洪水冲刷关系比较水利论文1{k'M.dg;N}y

  (13)式具有简单明了的特点,计算方便。需要说明的是,由于缺乏单独的涨水冲刷资料,所以上述验证资料所采用的均为一次洪水过后的冲刷资料,即包含了落水淤积在内的。如果采用涨水冲刷的资料进行验证,结果应当会更好。图10点绘了黄河下游山东河段有涨水冲刷资料的情况,可以看出,涨水冲刷的资料显然比洪水冲刷的资料具有更高的相关系数,另外,

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同样来水来沙参数时冲刷面积更大。依此可以大致写出涨水冲刷深度的计算公式

P$YA`2{'v2cH0V0

Δh150ρCqmax

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(15)水利论文2Tw)kj Mn"eLhD

相当于涨水冲刷是一场洪水冲刷的3.6倍。

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5小结需要说明的情况水利论文&^"{5_s#b"?

  本文就低含沙洪水与高含沙洪水对河床的冲淤模式进行了描述,在对洪水冲刷河床的力学机理进行分析的基础上,初步建立了来水来沙与河床基本相互适应的条件下洪水冲刷深度与来水来沙的关系,并用黄河干支流资料进行了讨论与验证。该公式考虑因素简单,计算方便,同时适用于低含沙与高含沙洪水,可以用来估算洪水对黄河干支流河床的冲刷情况。

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  需要指出的是,洪水冲刷河床是有一定条件的,本文计算公式主要适用于来水来沙与河槽相对均衡时中等以上洪水情况。即洪水的水峰和沙峰相应或基本相应,洪水前期河床有一定淤积物或者河槽不是过于窄深。另外,本文所讨论的情况亦不包括河口及水库等壅水区域。水利论文MO kX3S1N&m$A9o

参 考 文 献水利论文"tu_F(m

[1]王兆印等。河道冲刷和清水水流河床冲刷率。泥沙研究,1998,(1).

Xd u i'W?s0

[2]王兆印等。挟沙水流的冲刷率及河床惯性的研究。泥沙研究,1998,(2).水利论文*M$j w EP

[3]梁志勇等。试论来水来沙的造床作用。水文1994,(1).水利论文)X.d`iy cWW5x O

[4]梁志勇等。水沙条件对黄河下游河床演变影响的分析途径兼论水沙与断面形态关系。水利水运科学研究,1994,(1-2).水利论文5st N_AdS2Y

[5]赵业安等。黄河下游河床演变基本规律。1997年。

#X(Z Sk/lP~A'ix!z0

[6]庄一鸰,林三益编。水文预报。水利电力出版社,1986年。

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[7]黄河泥沙研究工作协调小组。黄河泥沙研究报告选编。第一集,下册。1978年。

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[8]齐璞等。黄河高含沙水流运动规律及应用前景。科学出版社,1993年。

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