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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河

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
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。 关键词:高含沙洪水造床规律窄深河槽输水输沙特性险情

1 前言 近年来,尤其是 90 年代以来,黄河上、中游讯期、非汛期来水 fi 均明显下降,但沙 fi 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。 2 高含沙洪水窄深河槽形成前后输水输沙特性变化

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。

图 1 花园口至来童寨河段排沙比与进口含沙量的关系 Relationship of sediment discharge from Huayuankou to Laitongzhai with inlet sediment concentration
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 S:的关系(阁 1),可以看 出,随着进口含沙量的增大,排沙比越来越小,造成河道的严重游积,一旦进口含沙 S: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游变化过 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/gHo)0)下,挟沙力 S*随含沙 fiS 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。 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 fi 大于 4800m3/s 时,洪水大 fi 漫滩,滩地游积严重,淤积厚度 lm 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 fi 为 5000m3/s 时,花园口水位与涨水前同流 S:水位相比 降低 lm 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 月份洪水在横断而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 fi 相对较小、水流挟带 颗粒较细的那部分水,因而木场高含沙洪水造成滩地派积厚度仅为 0.2m,远不及 7 月份洪 水淤积严重。 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 fi 由 5000m3/s 降为 3500m3/s。因此在 1992 年 8 月 14 日流 ffl 仅为 3220m3/s 时,原阳双 井一带二滩即开始大 fi 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 游 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。 为了更清楚地说明木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 ffl 与花园口站含沙 fl 之比(图 2)。1977 年两场高含沙洪水涨水前同流 S 排沙比没太火变化,流量 5000m3/s 时 P—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 fi 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 F1 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,从河道冲游情况也可看出,“92.8”洪峰期 8 月 6 日到 18 円,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。 图 2 黄河花园口至夹河滩河段排沙比与花园口含沙 fi 关系 Relationships of sediment discharge from Huayuankou to Jiahetan with inlet sediment concentration 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游积为代价的, 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:S,因此,整个河 道还是发生了严重的淤积。 3 现状河床边界条件下高含沙洪水传播特点 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。据中冠卿[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,过流而积大大减小, 平滩流 fi 降低为 3000m3/s 左右,与 1958?1982 年汛前相比减小一半以上。随着流 fi 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 S:游积,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(甚至个别断而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 fi 存在一个时间差,因而下游断而洪峰将发生叨显变形,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 ,那么下游断而的洪峰很 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] 。 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。 4 高含沙洪水对河道的破坏作用 3.1 高含沙洪水造成河道的严重淤积 高含沙洪水在渠道和天然河道上,常常出现严貢派积,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 S:分散,形成“分流必 淤”的局而,干渠发生严重游积,用 10000 个工円清游才恢复引水能力。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]。 黄河下游向 1950 年至 1977 年,28 年中发生 18 场高含沙洪水(含沙 fi 大于 300kg/m3),其造成的淤积占黄河下游同期总淤积 ffl 的 50%,见表 1。从表 1 可知,18 场 高含沙洪水的水 ffl 占 28 年总水 ffl:的 2.6%,沙 fi 占总沙 S 的 18.2% ,但游积 3;却占 28 年 总淤积 fi 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 H 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。 表 1 黄河下游 18 场洪水特征值 Characteristic values of 18 floods in the Lower Yellow River

年份 三门峡+黑石关+小董 K 游淤积量 108t 备注

水量 108m3 沙量 108t

1950?1977 年 12762.5 409. 1 96.0 年 均 水 量 452 亿 m3 , 年 均 沙 量 14. 6 亿 t , 年 均 淤 积 量 3. 4 亿 t 330. 7

74. 3 48.6

1970 年两场高含沙洪水

年沙量 21.4X108t,年淤积量 10. 5X108t

35. 17 9. 26 6. 52

1977 年两场高含沙洪水

年沙量 20. 09X 108t,年淤积量 10. 6X108t

45. 53 15. 36

9. 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 S 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。 4.2 高含沙洪水造成重大险情 在高含沙洪水期,水流多由儿股集成一股,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,同时八堡断而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#规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。 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.1:41#规,建规已 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。 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:1:程影响更大。例如,1977 年 7 月 10 円 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 fi 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。 5 高含沙洪水对河道破坏作用机理研究 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 方便适用的汁算方法。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。 为此,江恩惠统计了黄河、渭河大 fl 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 的 增 大 而 逐 渐 变 小 , 当 含 沙 :g 大于 200kg/m3 时,糙率系数 n 有增大的趋势, 而 K 在含沙 ffl 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,床而沙波、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。

图 3 黄河下游不同水力条件下糙率随含沙量变化规律 Variations of roughness with sediment concentration under different hydraulic conditions

图 4 渭河不同水力条件下糙率随含沙量变化规律 Variations of roughness with sediment concentration under different hydraulic conditions in Wei River, a tributary of the

Yellow River

由曼宁公式 V=l/nR2/3Jl/2
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。 6 结语 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梢难以长久维 持的原因所在。 参考文献 [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).

[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. [3] 江恩惠,张红武等。黄河下游防洪形势分析。泥沙研究,1988, (4). [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. [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). [6] 中冠卿等。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. [7] 江恩惠,张红武等。黄河下游防洪形势分析。泥沙研究,1998, (4). [8] 焦恩泽。黄河高含沙水流的特 性和利用。西北水电,1994, (2).


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