龙川江防洪工程建设对河床演变的影响(浦承松)

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龙川防洪工程建设河床演变的影响

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浦承松
zq"kT$r`(h0云南省水利水电勘测设计研究院)
水利论文`%Cc5k)gnAp6s

摘要:应用一维恒定非均匀沙河床演变数学模型,分析了堤防工程建设及青山咀水库建成后,下游龙川江楚雄城区10.4km河段的演变规律,揭示了河床冲淤变化对防洪的影响。冲淤计算结果表明,堤防工程建设后,河床发生微量淤积,但使洪水位抬高有限,对河道过流能力影响不大。青山嘴建库后,下游河床将发生冲刷下切及床沙粗化,但年际间的变化不至于危及堤防安全。为青山嘴建库提供了一定的评价依据。

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关键词:河床演变; 防洪工程;龙川江;冲淤分析

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作者简介:浦承松(1972-),男,云南省水利水电勘测设计研究院工程师。水利论文M b5dK(s'\pNf|

1 前言水利论文$n[1|,D X Cg:V

龙川江为金沙江右岸一级支流,径流面积9185km2,河长257*!km,平均比降4.8‰,由北折向东穿过楚雄市区,为区内的主要防洪河流(图1)。历史上洪灾频繁发生,1973年曾对城区中段5.7km的河道进行了裁弯改直和堤防工程建设,但由于当时历史条件的限制,实际防洪标准仅为10年一遇,而后直至1993年一直未曾进行过全面的整治工作。从1994年开始,当地政府投入大量人力物力,分期对龙川江楚雄城区段10.4km河道的堤防工程进行了大规模的续建及改建,使龙川江的防洪标准达到了30年一遇。同时,为满足城市高速发展对防洪提出的新要求,规划在楚雄城区上游13km的龙川江干流上兴建青山咀大型水库,2010年建成完工,使龙川江楚雄城区河段的防洪标准提高到50年一遇。水利论文Vf-c,C9N#f9Zp

  堤防及水库工程的建设,无疑极大地增强了河道的防洪能力,但同时也调整了原有的河床形态和来水来沙条件,改变了河床演变规律,而河床演变规律的改变,反过来又将对防洪产生不同程度的影响。本文应用一维恒定非均匀沙河床演变数学模型,分析了堤防工程建设及青山咀水库建成后,龙川江楚雄城区河段的演变规律,揭示河床冲淤变化对防洪的影响,同时为青山嘴建库提供一定的评价依据。

2 河段特性分析

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2.1 河段概况水利论文#?)e+Dnp5Wo g

龙川江楚雄城区河段历史上蜿蜒曲折,河道宽窄相间,河床宽度一般在20~25m,比降0.5~1‰,河床组成以砂砾石为主,两岸均无堤防,防洪能力极低。1973年对城区中段5.7km的5个反向马蹄型弯道进行了裁弯改直及堤防工程建设,裁弯比1.72,河宽23m,但建设质量不高,堤防在1986年大洪水中破坏严重。1994年至今,对从州桑蚕站至木材检查站全长10.4km的河道进行了全面整治,整治后河床宽40~52m,较整治前拓宽了一倍左右,河床平均比降1‰,河床断面呈矩形和梯形,弯曲系数1.74,沿河两岸堤防高度5~6.5m,河堤结构形式以浆砌石堤为主,还有钢筋混凝土面板护坡及重力式挡土墙等结构形式,基础埋深1.2~1.5m。

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1 比例1∶30万流域位置示意图水利论文9~/vcB qQ]0a,m-Td
Fig.1 Sketch map of the Longchuan River basin

本河段内设有小河口水文站,位于城区河段尾部8+640断面处,控制径流面积1788km2,具有长系列水沙观测资料。

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2.2 水沙特性水利论文6t0m,k8M_ kH7A

  由于龙川江流域特殊的地形地貌和复杂的气候条件,加之降雨上的时空分布不均,点暴雨强度大,致使河流极易形成暴涨暴落,峰高量大的洪水,造成灾害。小河口水文站断面多年平均悬移质输沙量43.9万t,多年平均悬移质含沙量1.43kg/m3,多年平均悬移质输沙率13.9kg/s,悬移质中值粒径0.13mm,平均粒径0.27mm;上段河床质中值粒径13.5mm,平均粒径19.3mm;中段河床质中值粒径3.2mm,平均粒径9.3mm;颗粒级配曲线见图2。输沙量在年际间的变化更过于来水量,1965~1998年的34年间,以1986年为最大,达168万t;1980年最小,仅为4.4万t,两者相差38倍。汛期(6~10月)输沙量占全年输沙量的96.6%,非汛期(11月~次年5月)输沙量仅占3.4%。
2 颗粒级配曲线图
Lj$x Q3p"ps"t$Br0Fig.2 Size distribution of suspend load
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and bed load

大量的泥沙实际上都是几次大洪水带来的,在一年的极大部分时间里,河道的输沙量微不足道。全年沙量分配以2月份为最少,月输沙量仅为0.003万t,占全年的0.01%;以8月份为最多,月输沙量达12.63万t,占全年的28。8%。

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3 计算成果分析

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3.1 数学模型简介

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数学模型(SUSBED 2)为进行水库淤积与河床演变的一维数学模型,由武汉水利电力大学研制开发。模型是建立在河流泥沙动力学理论、非均匀悬移质不平衡输沙以及水库淤积与河道冲淤变形研究成果的基础上,解答较为全面。该模型不但经由水利水电规划总院组织,在成都勘测设计研究院以“封闭实测资料,背靠背”的形式进行了验证,而且,还经刘家峡水库实测资料检验,较为可靠。模型移植后,在我省的许多工程应用中取得了良好的效果。水利论文$x*D7\rCs EiQT.?

3.2 计算条件及有关处理

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计算河段为龙川江楚雄城区全长10.4*!km的河道,地形采用1998实测资料,共布置了10个断面,断面平均间距1.04km,最大间距2.456km,最小间距0.329km,在河床断面形式变化较大的地方均布置了断面;建库前水沙资料采用小河口水文站实测资料,建库后水沙资料由青山咀水库下泄加青山咀至小河口区间组成,推移质按悬移质的15%计;悬移质级配采用1999年实测值,因无推移质资料,推移质级配近似用河床质级配替代;每年划分160个时段,非汛期每月1个时段,汛期每天1个时段,共计算60年,前10年仅考虑堤防、裁弯及拓宽河床等前期工程情况,后50年考虑堤防及水库联合运行,水沙系列联合进行计算;水流挟沙率公式采用张瑞瑾公式S*=K(U3/gRW)m,挟沙能力系数建库前k=0.08,为小河口水文站实测水沙资料推求而得,建库后依据数值实验为k=0.1。水利论文#[oTW&t^e%v

3.3 计算结果水利论文8Aw/Ai-g[C

3.3.1 河段累积冲淤变化情况

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  龙川江防洪工程(堤防及水库)实施后,河段的累积冲淤变化情况见图3。由图可看出,前10年由于堤防、裁弯及拓宽河床等前期防洪工程的建设使河段内发生轻微淤积,10年内总的淤积量为4.38万m3,淤积高度8.40cm,平均每年淤高0.84cm。从第11年起青山咀建库蓄水后,河段内将发生冲刷,50年内总的冲刷量为14.22万m3,平均冲刷深度27.26cm,在水库建成的前20年,冲刷较为严重,占50年总冲刷量的85%,而后逐渐减弱。总体上来说,堤防和水库联合运行60年后,河段内将发生冲刷,总的冲刷量为9.84万m3,平均冲刷高度18.86cm。

"j9I8qxs5{Y03.3.2 沿程冲淤变化水利论文Z.k:?/h"jN

3 历年累积冲淤变化情况图水利论文IB p0}-m+|Mq
Fig.3 Trend of river-bed accumulated aggradation over the years
  河段沿程冲淤变化情况见图4,从图可看出,前期防洪工程实施后,河床将发生淤积,淤积发展总的规律为从上游到下游逐渐减弱,淤积主要发生在上段,10年内最大断面淤积高度为13.9cm,中下部河段淤积不是很明显。青山咀建库后,河床将发生沿程冲刷,冲刷在中部河段较为显著,堤防及水库运行60年后,最大冲深达30.2cm。

"{ c(Nx?+n9hj(fn8`03.3.3 床沙的变化水利论文Tx ~7O{A"]5_2e Z

+m||#R'd v)]0  防洪工程建设后,在使河段发生冲淤变化的同时,也将使河段的床沙发生调整,各年床沙级配曲线变化见图5(断面3096m处)。由图可看出,堤防工程建设后,床沙将发生细化,但细化程度不大,0.1~0.25mm粒径的床沙百分比增加了1.02%,0.25~0.5mm粒径组床沙的百分比增加了1.26%;

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4 历年沿程冲淤变化情况图
6HH,x0E ^0Fig.4 Tendency of river-section aggradation in Chuxiong city over the years
  青山咀水库蓄水运用后,水流从河床中带走颗粒较细的泥沙,使床沙粗化,粗化在水库建成的前20年较为显著,而后逐渐减弱,水库运行50年后,10~20mm粒径的百分比增加了17.1%,20~40mm粒径的百分比增加了12.2%。

n'j8rWC.Y@s03.3.4 大洪水过程冲刷深度的变化

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*@)U h4gA.j1Zt;p0  本文以1986年实测大洪水资料,分别计算了青山咀水库建设前后下游河道在一场大洪水中的冲刷深度,堤防工程建设后,最大冲刷深度为0.63m,青山咀水库蓄水运用后,最大冲刷深度为0.84m,比建库前加大了0.21m。

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5 历年床沙级配变化情况图
r7t,J7yc4@1k1O1z0Fig.5 Trend of bed load size distribution

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4 河床演变分析水利论文L8fn-l ab KD

龙川江楚雄城区河段历史上蜿蜒曲折(1973年以前),由一系列正反相间的弯道和介乎其间的顺直过渡段衔接而成,曲折系数2.24,河身浅窄,有岸无堤,具有典型的蜿蜒型河道特征。此阶段河床的演变主要表现为蜿蜒程度的不断加剧(1956年时的河道曲折系数仅为2.11),河床以淤积为主。此时龙川江基本处于自然的演变阶段,而在此之后的防洪工程建设对河床演变起到了重要作用。

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1973年对城区中部河段(现状里程4~7km)进行了裁弯改直及堤防工程建设,缩短河道2.1km,曲折系数变为1.86。在裁弯改直后的初期,中部河段发生了强烈的冲刷,堤防工程受到了严重破坏。而后,随着时间的推移,冲刷逐渐减弱,至1994年全面治理以前河床的一般冲淤规律是:大水冲刷,小水淤积,年际间变化以冲刷为主。

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1994年开始,对龙川江楚雄城区河段进行了全面治理,主要措施为拓宽河道,完善堤防工程建设,同时辅以局部的裁弯改直。至1999年治理完成时,河道曲折系数为1.74,在河道缩短的同时,河床也较整治前拓宽了一倍多,使水流挟沙力减弱,河床发生轻微淤积。根据冲淤计算结果,10年内河道的总淤积量为4.38万m3,平均淤积高度8.40cm。同时,由于上段的河宽为52m,比中下段宽了10m左右,因此,淤积主要发生在上段。水利论文'I!C.ah4L%O~

2010年青山嘴水库蓄水运用后,大量泥沙被拦截在库区,出库泥沙显著减少,且颗粒变细。致使下游龙川江河段的含沙量较建库前明显减少,挟沙力处于不饱和状态。因此,龙川江河势调整的总方向是要降低水流的挟沙能力,使其与上游来沙量大幅度减少的情况相适应。在下游河床可冲的条件下,不饱和水流首先从河床中获取泥沙,以满足其挟沙能力,使河床发生冲刷下切及床沙粗化。计算结果表明,水库运行50年后,在堤防、裁弯及拓宽河床等前期防洪工程使其发生淤积的基础上平均冲深了18.9cm,冲刷总的趋势是从上游向下游逐渐发展,但在河床中部4~7km的范围内却发生了强烈的冲刷,这主要是由于中部河宽较上段窄,同时,该河段为1973年裁弯改直后的新河道,成河至今仅有20余年,河床由中细沙组成,且较为均匀,卵石层埋藏很深,该河段(5696m段面处)床沙的平均粒径为3.2mm,中值粒径为9.3mm,抗冲性较差,加之,在前期防洪工程建设后淤积主要发生在上段,因此,在中段47km的范围内冲刷相对严重一点。

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总之,防洪工程的建设贯穿了龙川江楚雄城区河段近期的整个演变历史,随着工程建设阶段的不同,河床发生了“淤积——冲刷——淤积——冲刷”的演变过程,特别是青山咀建库后,河床发生强烈冲刷,但由于河道护岸工程的控制作用较强,河势及主流顶冲点均无明显变化。随着青山咀水库运行年限的增加,来水来沙条件与河床的适应性不断增强,河床的冲刷将逐渐减弱,河床向稳定的方向发展。

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5 河床演变对龙川江防洪的影响

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龙川江楚雄城区河段不论是冲刷或淤积,均将对防洪产生影响。河床冲刷,将不同程度影响原有堤防工程的稳定及对河势的控制作用,还可能出现新的险工,基脚受到掏刷,威胁堤防安全。河床淤积,将使水位抬高,降低河道的过流能力,产生不安全隐患。水利论文*tr-c`2v7Mo Nb

1)龙川江前期防洪工程建设后10年,全河段平均淤积高度为8.4cm,最大断面淤积高度为13.9cm,由于微量淤积仅使洪水位抬高了5~8cm,对河道过流能力影响不大。水利论文 J\q3b[ Er

2)青山嘴水库建成后,河床在前期防洪工程使其发生淤积的基础上将处于下切状态,冲刷在建库初期较大,而后速度减缓。堤防及水库工程运行60年后,平均冲刷深度为18.9cm,最大断面冲刷深度为30.2cm,虽将对堤防的安全产生一定影响,但不至于危及堤防安全。值得注意的是在一场大洪水过程中,中部河段5+696断面处的最大冲刷深度达到0.84cm,将使局部河段产生不安全隐患。此外,以上仅是一维泥沙数学模型计算得到的沿程一般冲刷结果。因此,在青山咀水库建成后,应加强观测,密切注视水情工况的变化,对中部河段进行处理,消除不安全隐患。根据当地治河经验,抛石护脚是防止基础掏刷的一种有效措施,施工简单,便于维修养护。在青山咀水库建成后,在中部冲刷较大河段可采取抛石护脚的方法处理,以保证堤防工程的正常运行。

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6 小结水利论文 AY Yt1K-R0TdS9m

河段的冲淤计算结果表明,在堤防、裁弯及拓宽河床等前期防洪工程建设后,河床发生微量淤积,但洪水位抬高有限,对河道过流能力影响不大。青山嘴建库后,下游河床将发生冲刷下切及床沙粗化,但不至于危及堤防安全。虽然在一场大洪水过程中,最大断面冲刷深度较建库前增加了0.21m,使局部河段产生不安全隐患,但范围小,处理简单,且工程量不大。因此,从防洪的角度来讲,青山嘴水库的修建利远远大于弊。水利论文!z3G7R6RZ!] u

参 考 文 献水利论文9h8w(i9}Y*e:Eo c

[1] 谢鉴衡,丁君松,王运辉。河床演变及整治。武汉水利电力大学,1987年。水利论文a J@;b})V

[2] 谢鉴衡。河流模拟。武汉水利电力大学,1988年。水利论文-B)dr D1e}0~X

[3] 浦承松。水库泥沙淤积计算方法及其在实际工程中的运用。云南省水利学会论文集,1999年。水利论文(B(m {0j!o p-qAs

[4] 李应科等。云南省楚雄市城市防洪规划报告。楚雄州水利水电勘测设计研究院,1999年。

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