黄河下游窄河段挖河固堤启动工程减淤效果模型试验研究(姚文艺,侯志军,刘月兰…

热度375票 浏览81次 【共0条评论】【我要评论 时间:2001年7月01日 10:12

黄河下游河段挖河固堤启动工程减淤效果模型试验研究水利论文9wPF je0]1^1c*fiKe

姚文艺侯志军刘月兰,刘淑俐2水利论文S/l+w3TU O+z*I)H
(1.黄河水利科学研究院;2.黄河水利委员会规划计划局)水利论文c;w kY7K"NY }

摘要:通过河工模型试验,研究了黄河下游朱家屋子~西河口河段挖河固堤启动工程的减淤效果。分析表明,挖河后在一定时段内和试验水沙条件下,有一定的减淤效果,挖沙减淤比为0.76左右;开挖段的回淤量对挖河减淤效果影响很大。由于黄河水沙特性河床演变的复杂性,还有不少关键技术问题需要进一步研究。

sp g:}AJ/r0

关键词:防洪减淤;挖河固堤;黄河

F-qe p"~5dO0\0

基金项目:“95”国家重点科技攻关计划专项经费资助项目(98 928 02 02)。水利论文 K V.K^YuQ
作者简介:姚文艺(1958-),男,黄河水利科学研究院高工。
X'd/[^ e){0收稿日期:2000-03-03

6VhoQ2_&] w5n3[l0

  黄河的泥沙淤积是严重制约中下游地区国民经济发展的主要因素。近年来,一些专家提出将挖河疏浚作为解决黄河泥沙问题的措施之一,力图通过挖河减少淤积,增加河道排洪能力,同时,可将挖出的泥沙用于加强堤防工程建设,达到“挖”和“放”有机结合的目的。为此,1998年在山东窄河段利津以下朱家屋子~6断面开展了挖河固堤启动工程建设。

uX5[zH.t y0

  用疏浚挖泥的方法来改善航道,在国内外都有不少成功先例,但多限于少沙河流或港口海域。对于水少沙多,河势复杂多变的黄河,如何进行挖沙疏浚才能达到明显的减淤效果,这不仅在理论上缺乏研究,而且在实践上也缺乏经验。探索黄河下游挖河疏浚关键技术是黄河泥沙治理中理论性与实践性均很强的重要科学命题,在“95”国家重点科技攻关计划中已将其作为主要解决的问题之一。为验证挖沙固堤启动工程建设的减淤效果,近期,开展了黄河利津至西河口河段模型试验研究,对黄河挖沙的有关技术问题进行了初步探索。水利论文I @5OMH7q9x&`z

1 启动工程开挖方案  

Q9E;E E!fk |0
  黄河下游窄河段挖河固堤启动工程的开挖河段为朱家屋子~6断面(图1),开挖断面底宽为200m,平均挖深约2.5m,沿程开挖断面的河底高程按清7断面1996年汛后主河槽平均高程3m(大沽,下同)以纵比降0.7向上推求,由此确定的6断面开挖后的平均槽底高程为5.57m。从6断面向上至朱家屋子的开挖中心线的纵比降为0.91,开挖边坡为1∶3。开挖设计断面垂直于河道水流流向。开挖河段长11km,开挖量为532×104m3

2 模拟河段河道基本情况

3D:u1U"XO$rV*Y0

  模拟河段为黄河下游弯曲性河段的最下端,渔洼以下属黄河入海的尾闾段,其水沙运行、河床冲淤演变有着特殊的规律性。该河段的水沙特性主要受黄河中上游的来水来沙条件的影响;河道的冲淤不仅与河段上游来水量有关,还与河口条件有关。如根据分析,利津~7断面的冲淤量与流量大于1500m3/s的水量具有明显关系,其水量越大,该河段的冲刷量越大。当流量大于水利论文Q2io"N#[ Z4C6C

-p{9|;v)P}0

图1挖河固堤河段断面布置图水利论文-U9[v6lr;M?
Fig.1 Sketch showing location of observation post in the river水利论文.['hnL ogs
dredging and dike strengthenning reach

D8|2@{ fL-c0
1500m3/s的来水量小于50×108m3时,该河段趋向于淤积;另外,7断面以下河段河床的升降同模拟河段的河道冲淤量具有密切的相关关系。利津~7断面河段的冲淤量越大,7断面以下河段的冲刷量就越大,而且,两者的冲淤相对平衡临界点是基本一致的,即7断面以下冲淤达到相对平衡时,其上游段的也基本相对平衡。

3 模型试验概况水利论文}oT.\ RX

3.1 模拟范围

{Mw#vrt0

  根据模型试验目的、模拟技术要求及场地限制,模拟河段为利津至西河口,全长47.43km。以利津作为模型进口条件的控制断面,尾门水位按西河口的控制。

c b;^LQ~0

3.2 模型设计及验证试验水利论文 d0y/U!l T ?-OO

  参考黄河水利科学研究院多年来的动床模型设计成功经验[1~4],吸收近年来在动床模型律方面的最新研究成果[5],考虑利津至西河口河段的水沙特点和具体情况,开展了模型设计。模型变率为9,根据张瑞瑾[6]、窦国仁[7]等人提出的变态指标分析,所选变率可以使二度相似达到良好程度,小于保证模型水流与原型水流相似的变率上限允许值。同时,通过水槽预备试验,对初选的模型比尺的合理性作了进一步论证。表1是模型设计选定的主要比尺。

i+l1t&TlFA0

表1 模型设计主要比尺
2q-G8?&[1d0Table 1 Main scales of model design

YNQ C$X+^/N0

水平比尺
RQ-S+QK0λL
垂直比尺水利论文0S(t.O,d eT Z;GLG+^
λH
流速比尺
'e*G` h"o7}0λV
糙率比尺水利论文uFm {&ru,Lt
λn
沉速比尺水利论文I/ja qeQ7g
λω
悬沙中径比尺λd床沙中径比尺λD起动流速比尺λVc含沙量比尺λS河床变形时间比尺λt2

500557.400.651:411.002.507.13~7.70

3.50水利论文lmv.wb a

40.00水利论文!C\"YEE-k


  验证试验选取的水沙条件包括中水流量过程和非汛期流量过程,中水选用利津站“92.8”洪水,初始边界条件为1992年汛前实测地形;以1988年10月~1988年11月的实测概化流量过程作为非汛期的验证水沙条件,初始地形按1988年汛后实测断面制作,流量300m3/s以下概化为断流。验证试验结果表明,模型设计是合理的,可较好地满足汛期及非汛期水沙条件下的水流阻力、河床冲淤变形、悬移质输沙等方面的相似性姚文艺,王德昌。黄河下游窄河段挖河固堤启动工程模型设计及验证试验报告。黄科技第ZH-9803-028号,黄河水利科学研究院,1998.。水利论文W$nE vV XA1~P

3.3 试验水沙、边界条件

+Ta1g'EZ:NM0h)v5m0

  以1997年汛后地形作为河床初始边界条件,分别施放1995年10月9日~10月28日非汛期水沙过程(流量大于400m3/s、小于1000m3/s)和1993年汛期概化过程,首先研究在不挖河条件下该河段的冲淤情况(称T1试验组次),然后,以1997年汛后地形为基础,按启动工程确定的200m×2.5m开挖断面和开挖线路进行挖槽,施放上述两种水沙过程(称T2试验组次),由此对比挖河减淤效果。水利论文msW+J2ia

  为多方面论证试验成果,在试验过程中还进行了数学模型计算,并根据现场挖河后实际过流情况,进行了“98.6”水沙过程挖河减淤效果复演试验(称T3试验组次),与现场观测作对比分析。

}e n_5pz+V4Cd;H0

4 挖河减淤效果试验分析水利论文 ?r#bG"[J[5d

4.1 河道冲淤量

J Hcl!q$IyO0

  表2为不挖河与挖河在同样水沙条件下试验河段的冲淤量。不挖河条件下的累积淤积量为410.22×104m3,挖河后为235.39×104m3,少淤积174.83×104m3,占前者的42.62%。而且从表2可以看出,挖河后,其冲淤量沿程分布发生了较大变化。不挖河时,淤积量主要分布在利津~1号坝河段,其淤积量占全河段淤积量的67.42%;朱家屋子~6断面淤积量最少,不足全河段的8%。挖河以后,淤积则主要发生在朱家屋子~6断面,即在不挖河条件下淤积最少的河段转而成为淤积最多的河段,不挖河时淤积量最大的河段则发生冲刷。1号坝~朱家屋子河段冲刷最剧,冲刷量为102.92×104m3,朱家屋子断面往上,冲刷量沿程递减。就是说,挖河以后,开挖段回淤明显,而上游则发生溯源冲刷。从图2可以看出上游河段的溯源冲刷主要是由挖河段的水位下降所引起的。

$t8`a'rS0

表2 挖河前后相同水沙条件下试验河段冲淤量
;w5F ~7A(uX!t:F0
Table 2 Amounts of deposition and erosion in the experimental reach under same conditions水利论文;E:]6M R&h$S7hV4b
of water-sediment before and after river dredging
水利论文#b2V0D*n0c;NdMD


河段利津~1号坝1号坝~朱家屋子朱家屋子~6断面利津~6断面

不挖河冲淤量(104m3)276.55101.0732.60410.22
挖河后冲淤量(104m3)-20.21-102.92358.52235.39

      

4.2 减淤效果分析水利论文boP&Q C4?+P'e`

4.2.1 挖沙减淤比

j\Dq5QL0

  减淤效果可用挖沙减淤比表示,根据文献[2],定义挖沙减淤比为

7KP7pC~Q5r0

β=Wsd/ΔWs-ΔW′s水利论文O ig0o_gdV.m

(1)水利论文?z.pZA-q c]

水利论文2S:j4p!r'cs

β=Wsd/ΔWsd+ΔWs+(Wsu-WsuW′sb)

UF*?6LS#X"LA,O0

(2)

:LJV{{G0

%^ QYIb0

图2 不同流量级挖河与不挖河的沿程水位水利论文 Q-G \*YrOh S0i-n9j
Fig.2 Water stage along the river in river dredging and without river dredging for different discharges

"\e!u7w0e$AFB&IT0

水利论文$iUi4V-K}

图3 挖河前后河段冲淤示意图水利论文j T:q$x!L i/b
Fig.3 Diagram of deposition and erosion before and after river dredging

$b`6`"s.C1qb0

式中 β为减淤比;ΔWs和ΔW′s为同样水沙条件下,研究河段不挖河和挖河后相对于同一河道工程边界条件下的冲淤量;Wsd为挖沙量;Wsu为研究河段的冲刷量;W′su为沿程淤积量;Wsb为开挖段的回淤量。各符号的几何意义见图3。

d ^M/r$mjR|0

  由式(2)知,所谓挖沙减淤比,系指相对同一基准面,在相同水沙条件及河道工程边界条件下,与不挖河相比,挖河后研究河段的泥沙净增减量(包括因水流溯源冲刷和挖河减少的河床泥沙量)相对于挖沙量的比例,即相当于减少单位淤积量所需的挖沙量。

vM[Tn]v0

表3是根据物理模型试验、现场试验及数学模型模拟的结果由式(2)计算出的挖沙减淤比,可以看出,尽管由于各组次的水沙条件有所差异,其减淤比略有不同,但均小于1.0,就平均而言,全河段挖沙减淤比约为0.76,即开挖0.76m3的泥沙,基本可使分析河段减淤1m3泥沙。水利论文-nx"T2g4R%m Q

表3 启动工程挖河方案非汛期水沙条件下挖沙减淤比
m$~&e(w5m0Table 3 Ratio of sediment dredging amout to deposition reduction amount under the conditions of水利论文kc"ph6s0]
water-sediment in non-flood period with river dredging scheme of starting works
水利论文wyku"P"h


类别模型试验现场试验数学模型

组次T2T3现场开挖
河段利津~6断面利津~7断面利津~7断面利津~6断面
减淤比β0.960.870.640.81
水沙条件1995.10~10.28水沙过程1998.6.6~1998.6.21水沙过程1998.6.6~1998.6.21水沙过程1998.6.7~9.25水沙过程

  补充说明的是,在计算β时,对相应于现场试验水沙条件下不挖河的冲淤量ΔWs为一不确定数。作为估算,在计算中采取参考水沙、地形条件近似的有关模型试验结果进行类推。在试验中,曾开展了本河段1997年汛后地形、1995年10月9日~10月28日非汛期水沙过程的试验,该时段的水量为10.73×108m3,沙量为0.13×108m3,而1998年6月6日~6月23日的来水量为10.70×108m3,沙量0.21×108t,由此可见,两者水量相差不大,仅后者沙量较前者大0.08×108t。另外,两者流量级范围也是基本一致的。同时,两者的西河口水位~流量关系具有相同的变化规律(图4),只是由于在现场试验中,为提高挖河减淤效果,对6断面~清2断面的河段进行了挖河疏通,使挖河后的关系线向下平移。因此,据上分析认为,前一试验组次的冲淤量可以作为后者相当于未挖河的对应条件下的ΔWs估计值。

E`oad+GOny b0

图4 西河口水位流量关系水利论文n$_9a6Y;Ry&J
Fig.4 Relation between water stage and discharge水利论文a/];K"n$z%qR
in Xihekou section

@t~"e`d{4LE,E3E0

  由T2组次的汛后试验结果知,在汛期上游河段溯源冲刷进一步发展的同时,开挖段的回淤量也进一步增大,全河段的挖沙减淤比由0.96减小至0.76。由此说明,在该开挖方案下,尽管开挖段不断回淤,但全河段的减淤效果仍随放水过程是不断增大的。

7P(ib4N {/|0

4.2.2 减淤效率

:T0Y}z~6[S0

  在分析原型挖沙效果时,往往难以计算相同水沙条件下不挖河的河道冲淤量,对此,可取淤效率进行表征。水利论文]5to/n$P&i_9|

  所谓减淤效率是指在一定河段及一定水沙条件下,与不挖河相比,挖河后研究河段实际减少的泥沙量(包括挖沙量)和挖沙量的比值,即

mn+W#|MR4eD {0

η=(Wsu+Wsd-Wsb-W′su)/Wsd

"CB:_uK/pb&`#a8h7lx-K0
(3)

式中η为减淤效率;其它各符号的几何意义见图3。水利论文J9~]cTLH3{}

  表4列出了启动工程挖河方案在表3所列不同试验组次下的减淤效率,由此可见,减淤效率基本可达到1.0或其以上。

4|6@+L]*H ]'Hd,g0
  由式(3)知,η>1,说明研究河段的冲刷量大于包括开挖段回淤量在内的泥沙淤积量,即Wsu>(Wsb+W′su);η=1,说明河段减少的泥沙淤积量等于挖沙量。因此,上述计算结果再次说明,该方案是有一定的减淤作用的。

  试验表明,随着回淤的发展和溯源冲刷趋于相对稳定状态,减淤效率随之减小,如在T2组次试验汛期过后,减淤效率由1.00减至0.80。水利论文Q#`*E`L#t

  若将式(2)代入式(3)可知水利论文*?"mN!B)g#t

表4 启动工程挖沙方案减淤效率水利论文.e v]8AWhip
Table 4 Efficiency of deposition reduction with sediment dredging scheme of starting works水利论文oG"K k5b xQ


类别模型试验原型试验数学模型

试验组次T2T3现场开挖1998年汛期
减淤效率1.001.101.501.24

η=1+Wsu-Wsb-W′su/β(Wsd+ΔWs+Wsu-Wsb-W′su)水利论文}mt^*V8H

(4)水利论文5dg8D j6f*sa*v

   令

W′s=Wsu-(Wsb+W′su)

lh1yR Wj0F9y ga s0

ΔW″s=Wsd+ΔWs-W′s

:C,IJDP Qn)e/i0
则有

η=1+W′s/βΔW″s水利论文`-D Y]'JeM}

  (5)水利论文{,bK0YD@v

  实际上,W′s/ΔW″s表示了挖河以后的相对冲刷程度,可将其称为冲刷系数,令

DuTeF0

α=W′s/ΔW″s

K6MQQ(NkW-N0

代入式(5),有水利论文,pl8J9wy)j

η=1+α/β水利论文C1Yz ]'U w$WB

(6)水利论文@ JC)r5_ nZM

  显然,要提高减淤效率,需要减小挖沙减淤比β和增大冲刷系数α。以β作为自变量,对式(6)求导得

^1H*OO3rR0

dη/dβ=-α/β2水利论文b^Sh T ?hL

(7)水利论文K gkq7@ s1BP

可见,随β的增加,减淤效率η的递减率将随β之平方级数而变化,挖沙减淤比对减淤效率影响很大。因此,减少开挖段的回淤量对提高减淤效率是非常重要的。水利论文 w`3GaD+sL

4.2.3 挖河后冲淤沿程分布特点水利论文a k_J9|

  图5为T2试验水沙条件下启动工程挖河方案沿程冲淤分布的试验结果。可以看出,自东张断面沿程发生冲刷,且冲刷量增加,在前左~朱家屋子河段达到最大,显然主要为溯源冲刷的结果。在开挖河段,全河段发生淤积,其中五七断面以上单位长度的淤积量自上而下不断增大,而五七断面以下单位长度淤积量则沿程减少。

*G+k9q"b5c"iu0

1l-}Q7miU8\0

图5 挖河后利津~西河口冲淤量水利论文Ge4?G Y
Fig.5 Amounts of deposition and erosion between水利论文&t/p9tc5A;f;Q-n J"O
Lijin and Xihekou after river dredging
水利论文{"y{l/cl#Q

  总的说,挖河以后河道冲淤分布的特点主要为:(1)上游临近河段会发生溯源冲刷。冲刷强度随挖河段的回淤发展而不断减小;(2)在试验水沙条件下,挖河段始终处于回淤状态,至试验水沙过程结束后,回淤量约为挖沙量的65%。

f0d*d N X0\;XB0

5 结语

ol] vQ m)D&Cg0

  试验研究表明,挖河后在一定时段内,有一定的减淤效果。但在整个试验水沙条件下,挖河段一直处于淤积状态。从全河段的冲淤量来说,不挖河条件下该河段总淤量为410×104m3,挖河后减至235×104m3。汛期溯源冲刷段上移,下段反冲为淤。至试验水沙系列末期,挖河段的总回淤量为359×104m3,约为挖沙总量的65%。分析河段的挖沙减淤比为0.76,即相当于挖沙0.76m3,减少淤积1m3的泥沙。若定义模拟段挖河以后实际净减少的泥沙淤积量与挖沙量的比值为减淤效率,通过计算知,过水初期的减淤效率为0.99,至汛末降至0.80。

&a"Z7E2xS0

  上述结论是在本次的水沙条件及选定的模型边界条件下得出的,对此,还有待通过更为复杂的水沙条件在模拟范围更大的试验中进一步论证。另外,仅从减淤方面而言,需要进一步研究的主要问题还有:(1)挖沙减淤机理。通过理论分析和试验研究表明,挖河减淤效果与挖河比降、断面形态都是有关系的,但挖河长度、位置,以及断面大小对减淤有何影响都应研究;(2)在一定的挖沙量前提下,挖河长度、宽度、深度等参数的优化组合及相应减淤效果的研究;(3)在一定的挖河断面几何条件下,不同挖沙量的减淤效果。水利论文r/jX3X8i+X:qB`w

参 考 文 献水利论文wY-]9aCfO1Xw6EQ oS

[1] 李保如,屈孟浩。黄河动床模型试验。人民黄河,1985,(6).

P.j1d7G;bG'xL0

[2] 李保如。我国河流泥沙物理模型的设计方法。水动力学研究与进展,1991,(增刊).

4eyZ8z+BlK/S?;f0

[3] 屈孟浩。黄河动床模型试验相似原理及设计方法。黄河水利委员会水利科学研究所科学研究论文集(第二集,泥沙。水土保持).河南科学技术出版社,1989.

8t#M V9gp*}'V0

[4] 屈孟浩。黄河动床河道模型的相似原理及设计方法。黄河水利委员会水利科学研究所科学研究论文集(第一集,泥沙。水土保持).河南科学技术出版社,1989.

x,X&E idac0

[5] 张红武,钟绍森,曹丰生,等。不同河型冲积河流的模拟方法。I.G.U。亚太区域地理大会论文,1990.[6] 张瑞瑾。论河道水流比尺模型变态问题。第二次河流泥沙国际学术讨论会论文集。水利电力出版社,1983.[7] 窦国仁,柴挺生。丁坝回流及其相似律的研究。南京水利科学研究院,1978.

,L4kF"nuB ^0

② 姚文艺,侯志军,王万战。黄河下游窄河段挖河固堤启动工程模型试验初步研究报告。黄科技第ZH 9804 029号,黄河水利科学研究院,1998.水利论文H2M8~L B

TAG: 河段 黄河 刘月兰 姚文艺 侯志军
顶:47 踩:53
【已经有275人表态】
48票
极差
33票
很差
25票
较差
35票
稍差
31票
稍好
29票
较好
38票
很好
36票
极好
下一篇:坡面降雨入渗产流规律的数值模拟研究(陈力,刘青泉,李家春)
上一篇:黄土高原基岩产沙区治理对策探讨(毕慈芬)
查看全部回复【已有0位网友发表了看法】

广告投放

广告投放