姜 波 陳 建 戴軍利

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1 研究目的

眾所周知，黃河下游河道尤其灘區(qū)邊界條件復(fù)雜，導(dǎo)致漫灘洪水的演進(jìn)過程和沖淤演變規(guī)律難以確定。多數(shù)漫灘洪水具有“淤灘刷槽”的特性，洪水過后主槽排洪輸沙能力將顯著提高，與此同時(shí)“二級懸河”程度降低；然而也有部分含沙量較高的漫灘洪水，會(huì)造成主槽的嚴(yán)重淤積、降低主槽排洪輸沙能力。研究發(fā)現(xiàn)，灘唇附近的灘區(qū)是漫灘程度較小的洪水淤積主要集中地，增大了“二級懸河”的程度；然而也有一部分漫灘洪水灘地淤積并不多，但塌灘現(xiàn)象嚴(yán)重，從而導(dǎo)致灘地總體上是沖刷的。因此，需要對漫灘洪水“淤灘刷槽”特性及其相應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入的分析和研究。

本項(xiàng)目主要是通過實(shí)體模型試驗(yàn)，以“82·8”洪水為依據(jù)，保持現(xiàn)狀地形條件和水沙量不變，僅改變洪峰量級的情況下，以水流、泥沙實(shí)際過程為基礎(chǔ)，以河道邊界為控制范圍，通過河流模擬知識(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。并借助設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行試驗(yàn)，研究黃河下游的淤灘刷槽特性。

2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本試驗(yàn)選取黃河下游東壩頭至高村段作為試驗(yàn)河段，并采用河工動(dòng)床模型進(jìn)行研究。模型設(shè)計(jì)著重考慮懸移質(zhì)泥沙沖淤相似，對重要比尺采用原型實(shí)測資料予以驗(yàn)證，對該河段河床沖淤積規(guī)律開展模擬研究。

根據(jù)典型河段特點(diǎn)，制作以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主的動(dòng)床模型，根據(jù)多年來在動(dòng)床模型試驗(yàn)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)選取新型模型沙材料—擬焦沙。其容重γs=2.10tf/m3，若取天然γs＝2.65tf/m3，其水下容重比尺λγs-γ=1.5。

鑒于原型河道為游蕩型河道，動(dòng)床模型設(shè)計(jì)必須有更高的要求。因此，按照河工模型相似律，同時(shí)參考游蕩型河流模擬的研究成果，進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用的模型比尺分別列于表1。

表1 模型設(shè)計(jì)比尺匯總表

本試驗(yàn)以“82·8”洪水為依據(jù)，在保證相同洪峰以上水量相同條件下，將其概化為5 個(gè)量級洪峰，概化后各方案最大洪峰流量分別6000m3/s、8000m3/s、10000m3/s、12000m3/s 和14000m3/s。具體方案見圖1。

圖1 各方案進(jìn)口流量概化圖

2.2 .各量級洪水洪峰前后水位變化

圖2～圖6為黃河?xùn)|壩頭到高村河段6000m3/s、8000m3/s、10000m3/s、12000m3/s 和14000m3/s 流量級下峰前峰后水位的變化圖。

通過對比圖2～圖6可以看出，五次試驗(yàn)最大洪峰量級不同，但每次試驗(yàn)洪峰前后8000m3/s 流量下的水位比4000m3/s 流量下的水位高，4000m3/s 流量下的水位比1500m3/s 流量下的水位高，即流量大，水位高，相同流量下峰后水位比峰前高。

圖2 6000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

圖3 8000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

圖4 10000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

圖5 12000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

圖6 14000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

3 不同量級洪水峰后各流量水位變化

洪水對河段的淤灘刷槽的影響可以由主槽的深泓點(diǎn)的變化和主槽深泓線的平均沖刷深度來體現(xiàn)。在試驗(yàn)河段內(nèi)分別選取東壩頭、楊莊、禪房、雙井、青莊、高村等測點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。為便于對試驗(yàn)進(jìn)行分析，將主槽的深泓點(diǎn)的變化和主槽深泓線的平均沖刷深度的相關(guān)數(shù)據(jù)整理后得到的結(jié)論為，洪峰為6000m3/s 和8000m3/s 流量時(shí)，除個(gè)別斷面外，洪峰過后試驗(yàn)河段主槽的沖刷幅度整體比較穩(wěn)定，深泓點(diǎn)下降不多；洪峰為10000m3/s 和12000m3/s 流量時(shí)，洪峰過后整個(gè)試驗(yàn)河段主槽的沖刷都較嚴(yán)重，深泓點(diǎn)下降較多；而洪峰為14000m3/s 流量時(shí)，洪峰過后試驗(yàn)河段上游主槽沖刷稍嚴(yán)重，而中下游影響較小。

排除試驗(yàn)誤差的影響，6000m3/s 和8000m3/s 時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)過程中的水流大部分均在主槽運(yùn)動(dòng)，主槽流量變化不大，深泓點(diǎn)下降較少；而10000m3/s 和12000m3/s 時(shí)，可能有較多洪水上灘，灘區(qū)分流水量較多，當(dāng)流量逐漸增大時(shí)，由于有灘區(qū)分流，灘區(qū)進(jìn)口處主槽流量下降，對主槽的沖刷能力也減弱，后來由于灘區(qū)出水，主槽流量增大，對主槽的沖刷能力增強(qiáng)，深泓點(diǎn)下降較多。

通過計(jì)算不同洪峰量級下主槽深泓線的平均沖刷深度，從整體可以看出，主槽的河底平均沖刷深度隨距離的增加而增大，也表明洪水過后河道縱比降增大，流速增加，水流挾沙力增大，主槽沖深，而洪水流量大，導(dǎo)致水流漫灘，挾帶的泥沙在灘地沿程淤積，主槽窄深加劇，主槽過水?dāng)嗝婷娣e大幅度減小，因此在峰前峰后相同流量下，峰后水位上升。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)根據(jù)模型相似理論對黃河下游東壩頭～高村河段進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，模擬出黃河下游實(shí)際地形及水沙條件，在此試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上對黃河下游進(jìn)行五次試驗(yàn)，分別釋放五次不同洪峰量級的洪水，以此來研究不同量級洪水對黃河下游淤灘刷槽的影響，通過對不同洪峰量級情況下黃河下游主槽水位的研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）洪峰量級越大，對主槽的沖刷越嚴(yán)重，主槽深泓點(diǎn)越低，深泓線明顯下移，而出口附近沖刷不嚴(yán)重是由于洪峰過后主槽糙率增大，流量減小，泥沙沿程落淤，導(dǎo)致河底高程增加。

（2）流量逐漸增大的過程中，灘區(qū)開始進(jìn)水，當(dāng)灘區(qū)的容水量飽和時(shí)，灘區(qū)開始出水，灘區(qū)的出水使主槽水量增加，水位上升較明顯。

（3）洪峰過后，河道縱比降增大，導(dǎo)致流速增大，主槽沖深，洪水漫灘后泥沙在灘區(qū)落淤，使得主槽縮窄，過水?dāng)嗝婷娣e減小，當(dāng)過流量一定時(shí)，主槽水位上升■