水利工程論文-高含沙水流游蕩型河道灘槽沖淤演變特點(diǎn)及機(jī)理分析摘要：黃河下游游蕩型河道河床逐年淤積抬升的眾多影響因素中，高含沙洪水起著十分重要的作用，本文根據(jù)概化模型試驗(yàn)結(jié)果和野外實(shí)測(cè)資料，分析了高含沙水流游蕩型河道灘槽沖淤演變特點(diǎn)，特別提出窄深河槽一方面由高含沙水流自身塑造，另一方面游蕩型河道中由高含沙水流塑造的窄深河槽又表現(xiàn)出相對(duì)的不穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：游蕩型河道高含沙水流河道演變1黃河高含沙水流對(duì)游蕩型河道演變的重要作用黃河下游游蕩型河道河床的逐年淤積抬高和平面上主流的游蕩多變是造成下游防洪威脅的重要原因之一，而其根源和問題的關(guān)鍵則是泥沙問題，在泥沙問題中，高含沙水流又起著十分重要的作用。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析1，黃河三門峽站19501977年出現(xiàn)的11次高含沙量洪水，歷時(shí)僅104天，來水量、來沙量分別只占同期總量的2.2%和15.5%，但造成的河道淤積量卻達(dá)37.3億噸，占同期淤積總量的57%，可見淤積在下游河床上的泥沙，大部分來自高含沙水流。另外，這11次洪水不僅含沙量高，而且粒徑粗，泥沙主要是來自中游黃土高原的粗泥沙來源區(qū)，粒徑d0.05mm的一般占全沙的40%以上；不僅淤積量大，而且淤積強(qiáng)度也大，平均每天淤積18801046100104t。由于流量不大，這些粗沙主要淤積在河槽中，難以被水流挾帶沖走，給治理造成很大困難。過去的實(shí)踐及研究成果均表明2，3，4，漫灘高含沙水流常造成游蕩型河道的槽沖灘淤和整個(gè)河段的嚴(yán)重淤積，其劇烈程度遠(yuǎn)大于一般挾沙水流，特別值得注意的是漫灘高含沙水流所形成的主槽，往往并不穩(wěn)定，有時(shí)伴隨沖刷灘地發(fā)生滾河現(xiàn)象，一次滾河幅度可達(dá)數(shù)公里左右。另外，根據(jù)資料分析，由于黃河中上游干流水庫的興建和蓄清排渾方式的運(yùn)用，以及不合理的用水用沙，黃河來水來沙的發(fā)展趨勢(shì)可能使高含沙水流出現(xiàn)的機(jī)會(huì)越來越多。關(guān)于游蕩型河道的演變規(guī)律和高含沙水流引起的沖淤演變特點(diǎn)，過去的研究成果很多，取得了顯著進(jìn)展，但由于問題的復(fù)雜性，有些問題仍應(yīng)進(jìn)一步探索，特別是灘槽沖淤的機(jī)理和窄深河槽的穩(wěn)定性。2試驗(yàn)概況研究采用理論分析、模型試驗(yàn)和實(shí)測(cè)資料分析相結(jié)合的方法。圖1給出了具有代表性的游蕩型河道寬灘窄槽的橫斷面形式，圖2為概化模型的平面布置，模型全長(zhǎng)30m，槽寬0.45m，灘地寬1.27m，灘槽高差0.1m，床面縱比降為1/500。圖1游蕩型河段橫斷面及其概化Generalizedchartofthetransversesectionofthebraidedreach圖2概化模型平面布置示意圖Planesketchofthegeneralizedmodel試驗(yàn)采用黃河花園口的淤泥，其中值粒徑d50=0.03mm，d0.01mm的細(xì)顆粒泥沙占10%。表1試驗(yàn)水沙條件Flowandsedimentconditionoftheexperiments組次流量(l/s)含沙量(kg/m3)放水歷時(shí)(min)116.04165.090222.03256.060325.05430.040411.26256.040試驗(yàn)中模擬高含沙量洪水過程，從漲水到退水共4個(gè)流量級(jí)，試驗(yàn)的水沙條件見表1。放水前先在定床上施放平灘高含沙水流，主槽內(nèi)發(fā)生淤積，待其塑造出相應(yīng)的動(dòng)床河床形態(tài)后，以此地形為起始河床的邊界條件，再按表1的水沙條件放水。試驗(yàn)中觀測(cè)了灘槽的流速和含沙量分布、床沙和懸沙粒徑變化、水位和比降變化過程、斷面的形態(tài)變化等。3灘槽沖淤演變過程根據(jù)試驗(yàn)觀察及上述資料的分析，在本文的模型試驗(yàn)中，灘槽沖淤演變具有以下特點(diǎn)：(1)灘地流速(Uf)均小于主槽流速(Um)，其比值隨含沙量增加而增大，如當(dāng)S分別為165、256及430kg/m3時(shí)，相應(yīng)的Um/Uf分別為1.96、3.24及8.0左右；含沙量越大時(shí)，灘地相對(duì)主槽而言淤積愈多，Sf/Sm愈小，見圖3。(2)主槽含沙量及粒徑均大于灘地值，Sm/Sf變化于1.11.8之間，與過去的研究所顯示的黃河高村以上河段的Sm/Sf=1.5相一致。表2列出模型灘槽水流中泥沙粒徑的對(duì)比。(3)在來水量和含沙量不變的條件下，水位變化有先升后降的趨勢(shì)，這顯然與河床的沖淤變化有關(guān)。開始，河床發(fā)生淤積，過水?dāng)嗝鏈p小，水位相應(yīng)抬升；水位抬升使流速和比降加大，本斷面轉(zhuǎn)淤為沖，水位又開始下降，如圖4所示。比降的變化列入表3。比降變化與水位變化基本相應(yīng)，且有隨含沙量增大而增大的趨勢(shì)。圖3Sm/SfUm/UfRelationbetweenSm/SfUm/Uf圖4水位變化過程Variationprocessofflowstage(4)在不同試驗(yàn)組次的水沙條件下，灘槽斷面形態(tài)的變化與灘槽的沖淤有關(guān)。灘地的淤積厚度沿程逐漸減小，見表4。灘地淤積沿橫向的分布規(guī)律是除灘槽交界處形成灘唇外，其余地帶因模型中灘地過窄而淤積厚度差別不大；來水含沙量越大，同一斷面的淤積厚度也愈大，見表5。表2灘槽泥沙粒徑對(duì)比Contrastofparticlediameteronfloodplaintoinmainchannel試驗(yàn)組次取樣編號(hào)灘槽D50(mm)d0.01含量(%)D50(mm)d0.01含量(%)Q=16.04l/sS-110.125430.0275S=165kg/m3S-610S-00.015530Q=25.05l/sS-130.025510S=430kg/m3S-10.03410S-140.027510表3比降J變化過程Variationprocessofslope(J)歷時(shí)(分鐘)010122030354042606590平衡比降()含沙量(kg/m3)S=1651.713.483.723.653.033S=2565.464.14.174.314.313.964S=4301.883.954.64.6表4不同流量級(jí)各斷面淤積厚度單位：cmCrosssectionaldepositionsheightondifferentdischarges斷面號(hào)1234含沙量(kg/m3)S=1654.672.82.6S=2566.72.52.32.7S=4309.48.18.58.8表5灘地淤積厚度橫向分布單位：cmTransversedistributionheightonfloodplain含沙量(kg/m3)斷面號(hào)距灘槽交界面距離(cm)2060100S=16515.04.54.532.82.82.844.01.21.6S=43019.59.29.529.37.57.539.58.08.049.49.08.0(5)在第一、二級(jí)流量和含沙量條件下，灘地與主槽均發(fā)生嚴(yán)重淤積，灘地淤厚大于主槽；含沙量越大，灘槽淤積量也越大。主槽淤積過程中(局部也發(fā)生沖刷，但總的是淤積)，斷面形態(tài)逐漸向窄深發(fā)展，最深處已接近原定床，如圖5；在第三級(jí)流量下，主槽已發(fā)生沖刷，斷面進(jìn)一步向窄深形態(tài)發(fā)展，同時(shí)在平面上深槽沿程表現(xiàn)為S形，即由右邊過渡到左邊又轉(zhuǎn)向右岸(見圖6)，這說明在高含沙水流條件下，深槽具有擺動(dòng)性。圖5不同含沙量下斷面形態(tài)的變化Variationofsectionformwithdifferentsedimentconcentration圖6斷面形態(tài)沿程變化Variationofsectionalformalongtheflowcourse4高含沙水流條件下灘槽沖淤機(jī)理分析游蕩型河道灘槽沖淤演變規(guī)律過去的研究成果很多，認(rèn)識(shí)也較一致，即挾沙洪水漫灘后由于灘地糙率大，水深小，流速較小，水流挾沙力很低，灘地發(fā)生嚴(yán)重淤積；而主槽由于水流集中，且阻力較小，流速和挾沙力均較大，所以發(fā)生沖刷。特別是游蕩型河道在縱向上多呈寬窄相間的形態(tài)，當(dāng)灘地淤積后的清水流回下游窄河段的主槽中時(shí)，主槽不僅流速大，且水流含沙量小，所以便發(fā)生劇烈沖刷，這便是游蕩型河段灘槽泥沙交換和槽沖灘淤的演變規(guī)律。但對(duì)高含沙水流條件下，游蕩型河道灘槽沖淤演變規(guī)律的新特點(diǎn)，則研究相對(duì)較少。天然實(shí)測(cè)資料及室內(nèi)試驗(yàn)資料均表明，水流含沙量越大，泥沙粒徑越粗，含沙量垂線分布越均勻，直到無分選沉降的偽一相均質(zhì)流6。高含沙水流灘槽沖淤演變規(guī)律和來水來沙條件、水流的性質(zhì)有關(guān)。在一個(gè)洪峰過程中，含沙量及粒徑沿垂線的分布是變化的，當(dāng)流量上漲時(shí)，若含沙量相對(duì)較小，泥沙粒徑較細(xì)，含沙量及粒徑沿垂線的分布較不均勻，由于水流比降增大，流速及紊動(dòng)強(qiáng)度均較大，主槽的挾沙力很高，便發(fā)生沖刷，此時(shí)進(jìn)入灘地水流的含沙量及粒徑雖也相對(duì)較小、較細(xì)，但由于灘地阻力大，流速減小，而挾沙力與流速的高次方成正比，所以水流的挾沙能力銳減，因而灘地發(fā)生嚴(yán)重淤積；隨著洪峰上漲，含沙量及粒徑變大，沿垂線的分布也趨于均勻，這時(shí)，主槽水流由于單寬流量、比降和流速均很大，挾沙力更高，