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1、1小浪底水库拦沙运用期大洪水对温孟滩 移民安置区河段影响的试验研究摘要：小浪底水库移民安置区温孟滩河段河道整治模型试验研究结果表明，在水库拦沙运用期冲刷严重的初始河道地形条件下遭遇大洪水后，河势变化不大，河道整治工程对大洪水是基本适应的，但存在个别工程入流过死，局部冲深大和送溜不力等情况。由于前期河床已冲刷下切,河槽泄洪能力大大增加，洪峰期(Q=10000m3/s)基本未出现明显漫滩。本文对局部冲刷的基本规律也作了探讨。 关键词：河势 局部冲刷 河道整治工程 小浪底水库移民安置区河段 黄河 黄河小浪底水利枢纽温孟滩移民安置区河段位于小浪底工程下游约 30km 处，该河段西起孟县境内 207 国
2、道的洛阳黄河公路桥，东至洛河口对岸的温县大玉兰控导工程以下 2.5km，东西长 40km，右岸为邙山山麓，左岸为温孟大滩。根据小浪底库区移民规划，需在温孟滩区安置移民 4.7 万人。温孟滩移民安置区绝大部分为 70 年代以来形成的低滩地，受河势影响大，为保证移民安置区的安全，需对该河段采取必要的河道整治工程措施。为此，有关部门提出了河道整治方案，主要是对现有工程进行上续、下延，并通过修筑防护围堤，将左岸控导工程首尾相连，保护移民滩区在大洪水时不漫滩。由于该河段河道演变复杂及整治工程的重要性，应对其整治方案的合理性及对不同水沙条件的适应性进行多方面研究，因而，开展了温孟滩移民安置区河段河道整治河
3、工动床模型试验。1 试验边界条件2根据三门峡水库运用经验，在水库拦沙运用初期往往是下游河道冲淤变化最大、河势调整最剧烈、对河道整治工程影响最明显的时期。因此，为考虑对下游河道整治工程影响最不利的水库运用时段与水沙条件的组合情况，专门开展了小浪底水库拦沙运用期遭遇大水少沙型洪水的试验研究。 试验组次的设计条件是：假设小浪底水库首先下泄 19611964 年水沙过程后，又泄放洪峰流量达到10000m3/s 的“82.8”放大型洪水过程，因此，试验的初始地形是在 2000 年地形基础上通过施放 19611964 年三门峡水库下泄清水过程塑造而成。在三门峡水库拦沙下泄清水运用期，黄河下游河道累积冲刷量
4、达 23 亿 t，其中温孟滩河段冲刷量占全下游的约 20%。且在冲刷过程中，河势由宽浅散乱趋于窄深归一，某些断面下切相当严重。尤其在 1964 年大水期(三门峡水库入库洪峰流量为12400m3/s，出库为 4900m3/s)，大部分断面深泓点下降幅度达 46m，最大达10m。因而可预估，在小浪底水库于 2001 年建成投入运用后的拦沙运用期下泄清水阶段，下游河床冲淤演变也会受到很大影响。若在对工程安全不利的此类地形前提下，河道又遭遇大水少沙型的洪水，河床将作何调整，规划的河道整治工程能否适应此类大洪水的河势变化，工程局部冲刷是否会进一步加剧，等等，是值得研究的问题。2 试验水沙条件根据上述试验
5、目的，选择了 1982 年汛期(7 月 29 日8 月 9 日)的洪峰过程(简称“82.8”洪水)。该水沙过程的特点是洪峰流量大，含沙量低，属于大水少沙型洪水，且沙峰稍滞后于洪峰。进一步考虑到温孟滩移民安置区防护围堤的设防标准为10000m3/s，故以此洪水过程为基础，采用同倍比法将小浪底洪峰流量放大至10000m3/s，沙量按输沙率相应放大，以此作为小浪底拦沙运用期河床冲刷下切后3遭遇的大洪水类型，其概化水沙过程见图 1。3 模型设计 模型模拟河段为小浪底至孤柏嘴，该河段河床边界条件极为复杂，上段为砂卵石宽浅多汊型河段，下段为沙质游荡型河段。模型设计充分参考了黄河水利科学研究院关于黄河动床模
6、型的有关研究成果，尤其是近年来提出的河工模型相似律，并通过认真分析原型河道的水力条件、边界条件和进行的预备试验结果，提出了“分段设计、过渡处理”的设计方法，对该河段河工动床模型进行了设计。特别是在模型沙的处理上，根据起动相似条件，上段采用天然沙作为模型床沙，下段采用郑州热电厂粉煤灰作为模型床沙，并通过验证试验进行过渡处理，从而完成了从卵石河床到沙质河床到沙质河床的过渡转变。试验结果表明，本设计可满足水流阻力、河床演变、泥沙起动及输移等方面的相似要求。设计的主要比尺见表 1。图 1 小浪底站“82.8”放大型概化水沙过程Generalized water and sediment process
7、 of “82.8“ magnifying type at Xiaolangdi station4表 1 不同河型主要比尺设计表Designed scale of different river patterns比尺平面垂直流量砂卵石河床多汊型河段沙质河床游荡型河段密度LhQ床沙粒径起动流速糙率床沙粒径5含沙量河床变形时间起动流速悬沙粒径糙率DVCnDSt2VCdn6数值600602790007.567.240.723.61.7266.47.631.381.557.952.5586.878.444 试验结果分析74.1 河势变化总的来说，由于前期清水冲刷，主河槽变得较为窄深，过流能力大大增加，
8、故在“82.8”放大型洪水过程中，河势相对来说比较归顺，主流线摆动均在工程控制范围以内，基本未出现横河、斜河等畸形河势，洪峰期未出现明显漫滩现象(图 2)。图 2 涨水初期(Q=2024m3/s)、落水期(Q=1990m3/s)河势图River configuration in initial period of raising (Q=2040m3/s) and falling water(Q=1990m3/s) periods就工程的适应性而言，还存在二个突出问题：一是由于本试验水沙条件为大水少沙型,且河槽在前期已遭强烈的冲刷,加之部分河段整治工程平面布置的曲率半径不甚合理及工程送溜段嫌短,
9、使得个别工程前形成入流死、迎溜段水流过于集中，而出溜较为分散的不利河势。如逯村工程入溜段河宽仅为 400m，而出溜段河宽达 1600m；赵沟工程出溜段河面突然展宽也达 1km 之多，且水流散乱；裴峪工程出溜 1500m 后水流扩散、河面展宽，至大玉兰工程迎溜段河宽约 1.7km，为整个河段的最宽处。当然,形成此类河势的原因除工程平面布设的因素外,来水来沙的组合也有一定的影响。如根据文献6对河型与来水来沙搭配关系 Qs=Kqm 的研究表明，在大水而来沙偏小或小水来沙偏大时，式中的 m 较小,一定流量下的水流输沙率也就较低,易形成刷滩淤槽、水流宽浅游荡的河势。 二是由于诸如化工工程的下延长度较短且
10、曲率半径偏小，出流产生明显的回流淘刷现象，最大淘刷范围8可至围堤根，严重威胁了围堤安全。另外一个问题亦应注意，即前期清水冲刷过程中，由上段砂卵石推移质被运移至逯村工程下首堆积形成的砂卵石心滩，在该次大洪水期间，并未很快消失，南北两汊反而进一步塌滩外移，落水后期北滩沿距围堤仅剩 100m 左右，这对防护围堤安全构成极大威胁，因此，对逯村工程开仪工程、化工工程大玉兰工程围堤上段均应考虑设置相应的护根措施。4.2 工程适应性分析黄河游荡型河道的整治流量一般是采用中水河槽的平滩流量，按控导作用可将工程的平面构成形式分为迎溜段、导溜段和送溜段(见图 3)。按设计要求，迎溜入弯段多为小水靠溜段，以弯导溜段
11、多为中水靠溜段，送溜出弯段多为洪水漫滩后靠溜段。一般来讲，出于工程安全角度和导流效果考虑，总是希望入流角(主流线与连坝切线的夹角，见图 3)不宜太大，以小于 40为好，同时，力求整个导溜和送溜段均靠大溜，主溜出流角(见图 3)不宜太大，以防止挑流过陡，造成下游工程入溜上提。就是说，若在不同流量下，能够基本达到入溜平顺，出溜集中，送溜到位，则表明工程的适应性比较好。据此,分别统计了模型试验代表水沙条件的Q4000m3/s 清水冲刷系列，图 3 控导工程平面图9Layout of vulnerable worksQ=4000m3/s、S=200kg/m3 的水沙条件和本次试验大水少沙型洪水的整治工
12、程的着溜位置、入溜角和送溜长度等表征控导作用的参数。依据整治原则，并参照设计流路等有关设计参数，对工程适应性进行了评价(表 2)。在不同的水沙条件下，各工程的适应程度是不一样的，如在清水冲刷条件下，逯村工程表现出着溜位置严重上提，而大玉兰工程则下挫严重；对于高含沙洪水，赵沟工程和裴峪工程均表现出上提严重的着溜情况。总体分析认为，该河段河道整治工程对中水以上的洪水适应性相对较好，基本适应诸如“82.8”放大型洪水的河势变化，但对小流量和高含沙洪水来说，其个别工程适应性相对较弱。据上述分析，对工程平面布设的设计方案7提出如下调整建议：(1)对铁谢险工送溜段进行适当调整，避免逯村工程入溜偏上；(2)
13、赵沟工程上延可由原计划的上延25 道坝减为 20 道坝；(3)为了增强逯村工程下首对围堤的掩护作用，可适当增加2 道潜坝；(4)在增大化工工程送溜段曲率半径的前提下再对其下延 23 道坝；(5)裴峪工程应修建护湾型上延工程 12001500m。表 2 工程适应性分析表Adaptability analysis on the works10工程名称河势参数水 沙 条 件Q=10004000m3/sQ=4000m3/sQmax=10000m3/s清水冲刷系列S=200kg/m3Smax=90kg/m3中水大沙大水少沙系列11逯村着溜位置严重上提正常正常入流角偏大偏大适中送溜长度偏短基本到位正常12
14、着溜位置基本正常正常偏上开仪开仪入流角偏大偏大正常送溜长度基本正常基本正常偏短13着溜位置基本到位正常偏上赵沟入流角偏大偏大正常送溜长度基本正常基本正常偏短着溜位置14稍偏上正常基本正常化工入流角偏大偏大适中送溜长度偏短基本到位偏短着溜位置偏上严重上堤15正常翡峪入流角偏大偏大稍偏大送溜长度偏短基本正常偏短着溜位置严重下挫正常中偏上16大玉兰入流角过大稍偏大基本适中送溜长度正常正常正常4.3 河底高程的调整 经分析计算，由 19611964 年水沙系列和“82.8”放大型洪水先后作用下，河床平均高程较 2000 年下降 34m，其中冲刷最严重的河段发生在马峪沟以上，最大平滩水深达 10m 左右
15、，这与三门峡水库拦沙运用期的实测情况比较接近8。图 4 为17试验洪峰期水面线和洪水前后河底平均高程沿程变化,可以看出，洪水前、后河底平均高程没有发生大的调整，河床冲淤相对较弱。花园镇工程以上有少量冲刷，花园镇伊洛河以上微淤，其下又略有冲刷，这主要是前期河床已充分粗化而造成。根据观测，在流量达到 10000m3/s 时，基本没有发生漫滩现象。这说明河槽经过19611964 年水沙过程及“82.8”放大型洪水冲刷调整后，其过流能力是相当大的。图 4 纵剖面图Longitudinal profile表 3 工程靠溜位置及最大冲深统计(最高水位以下)Statistics (below highest
16、 level) of work-contacting point and its maximum scouring depth工程涨水初期18落水后期名称靠溜情况最大冲刷深度(m)靠溜情况最大冲刷深度(m)逯村上延 5#上延 2#坝受顶冲7.5涨水期上延 5#上延 2#坝受顶冲其下靠主溜，落水时顶冲位置上提至上延 7#坝，且造成二次靠河，最终形成上、下 2 处冲刷坑。199m(上延 5#坝)8m(27#坝)花园镇22#29#靠主溜，27#、28#坝处冲深达最大。15靠溜位置始终在 22#坝以下，27#29#坝冲坑最深。16开仪中下部着主溜，因迎流角小，冲坑不明显。8靠溜位置一直靠着 10#坝以下，7#29#坝处受顶冲。1020赵沟上延 3#10#坝迎主溜，6#坝处冲坑最大。18主流始终顶冲在上延 3#上延 1#坝之间，上延 1#上延 9#坝靠大溜。19化工19#坝以下靠主溜，21#坝处冲刷最深。1218#33#坝靠主溜，21#27#坝冲深最大。1421裴峪4#
