水利工程論文-橡膠壩底座對(duì)河流彎道段水沙運(yùn)動(dòng)影響的分析.doc

水利工程論文-橡膠壩底座對(duì)河流彎道段水沙運(yùn)動(dòng)影響的分析摘要：本文以延河人工湖工程為研究對(duì)象，對(duì)人工渠化河流彎道段修建充水式橡膠壩工程后，橡膠壩底座引起河道水流流態(tài)及橫向流速分布、河床演變和河道洪水位等水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在橡膠壩工程修建后，橡膠壩底座對(duì)壩址上下游一定范圍內(nèi)的河道橫斷面橫向流速分布、河床沖淤變化及河道沿程洪水位均具有一定的影響，影響的程度及范圍隨著河道洪峰流量的增大而加大；在河道凹岸支流有洪峰入?yún)R的情況下，由于支流的頂托作用，在一定程度上，減弱和消除了橡膠壩底座對(duì)水流、泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn)橡膠壩水流流態(tài)河床演變洪水位流速分布1延河及延河人工湖工程概況延河是黃河的一級(jí)支流，發(fā)源于白于山南坡的安塞縣鐮刀灣，延河人工湖工程位于延安市區(qū)延河干流的中游段。延河干流的中游段，上起安塞縣龍安村，下至延長(zhǎng)縣卷煙廠，全長(zhǎng)134km，流域面積5414km，河道平均比降2.35；在延安市上游，有支流西川河匯入，在延安市區(qū)延河大橋下游200m左右，南川河從延河右岸匯入。南川河河道全長(zhǎng)24.2km，平均比降8.5，流域面積431km。在延河干流上，距人工湖工程(上游)5km的楊家灣村，從1958年設(shè)立楊家灣水文站，后來(lái)稱為延安水文站。延安水文站控制流域面積3208km，具有建站以來(lái)連續(xù)的實(shí)測(cè)洪水資料。實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明：延河屬于降雨補(bǔ)給型河流，多年平均降雨量550mm；且降水量年內(nèi)分配不均，在7、8兩月徑流量占全年徑流總量的40%以上；年際變化也較大，多年平均徑流量為1.412億m3，實(shí)測(cè)最大年徑流量為3.109億m3(1964年)；多年平均洪峰流量為820m3/s，實(shí)測(cè)最大洪峰流量為7200m3/s(1977.7.6)；延河又是一條多泥沙河流，流域內(nèi)植被稀疏，且山高坡陡，洪水暴漲暴落，輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，69月輸沙量占全年輸沙總量80%左右，且這4個(gè)月內(nèi)的輸沙量往往只是由幾次洪水來(lái)輸移的，個(gè)別場(chǎng)次洪水的輸沙量可占到全年總輸沙量的1/31/2；多年平均侵蝕模數(shù)1.4萬(wàn)t/km2，多年最大侵蝕模數(shù)4.26萬(wàn)t/km2(1977年)；多年平均含沙量314.2kg/m，最大含沙量1560kg/m；多年平均懸移質(zhì)輸沙量4480萬(wàn)t，推移質(zhì)無(wú)實(shí)測(cè)資料。在西川河支流上，距人工湖工程(上游)14km的棗園，從1971年設(shè)立棗園水文站，棗園水文站控制流域面積719km。據(jù)棗園水文站1971年1989年19年的統(tǒng)計(jì)資料分析：棗園水文站多年平均徑流量2478萬(wàn)m3，多年平均輸沙量407.13萬(wàn)t；且水沙量年內(nèi)分配不均勻，尤其是沙量年內(nèi)分配極不均勻，7、8兩月水量、沙量分別占全年總量的45%和80%以上，69月沙量占全年總量的98%以上。南川河無(wú)水沙實(shí)測(cè)資料。在延安市區(qū)內(nèi)，延河及南川河均是人工渠化的砌石護(hù)坡河段，邊坡比為10.210.5。市區(qū)內(nèi)延河河寬一般為120150m，最窄處80m，河床床面與堤頂間的高差約79m，河道比降大，洪水期河槽平均流速在4m/s以上，水流沖刷力強(qiáng)，河床泥沙級(jí)配較粗。據(jù)延河大橋到壩址之間河床現(xiàn)場(chǎng)取樣分析結(jié)果可知，河床中值粒徑32mm，最大粒徑在300mm以上。延河人工湖橡膠壩壩址選在寶塔山腳下的延河大橋下游約320m處，處于延河彎道末端，上游100m左右為延河與南川河交匯區(qū)。據(jù)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)介紹，延河人工湖橡膠壩的設(shè)計(jì)原則是：為盡可能不改變?cè)拥肋^(guò)洪斷面，除沖沙閘閘墩和橡膠壩中墩、邊墩高出河床高程3.5m外，橡膠壩底座高程與原河床凹岸最低點(diǎn)同高，其高程為949.5m，壩底座沿水流方向的長(zhǎng)度為20.8m，又考慮到左右岸長(zhǎng)期淤積，故左右岸靠河堤各設(shè)15m漿砌石滾水壩，壩頂高程952.00m，右岸滾水壩的左端設(shè)一寬3.0m、高3.5m的沖沙閘，閘底板高程為949.00m；大壩主體為充水式橡膠壩，壩長(zhǎng)118.7m，壩體分為兩段(見(jiàn)圖2)。在非汛期充水運(yùn)用時(shí)，壩頂高程為952.1m，可形成回水長(zhǎng)度1.3km，蓄水量約20萬(wàn)m3。2模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)為(幾何比尺為)160的正態(tài)動(dòng)床模型，模擬范圍包括壩址上游2.7km及其下游0.7km的河段。由于原型沙較粗，模型沙可選用天然沙，這樣，模型沙與原型沙具有相似的阻力特性和運(yùn)動(dòng)特性，并能用同一公式所描述。因此，當(dāng)模型幾何條件和水流條件與原型相似的情況下，模型沙與原型沙的起動(dòng)、輸移等相似條件也隨之滿足。根據(jù)散粒體泥沙起動(dòng)流速公式，可求得泥沙粒徑比尺為160；并依此粒徑比尺，按照原型沙級(jí)配曲線(d50=32mm)求得模型沙級(jí)配曲線(d50=0.53mm)。根據(jù)泥沙輸移相似條件及河床變形相似條件，可求得單寬輸沙率比尺及沖淤時(shí)間比尺。模型的驗(yàn)證情況表明，在延河人工湖工程修建前后，模型與原型實(shí)測(cè)水位符合良好；河床沖淤變形雖沒(méi)有實(shí)測(cè)資料，但從河道主流流向、沖淤部位及其演變情況來(lái)看，模型與原型也較為相似。因此，可認(rèn)為：模型設(shè)計(jì)是正確的，試驗(yàn)結(jié)果是可信的。并且，試驗(yàn)結(jié)果得到了有關(guān)方面的認(rèn)可。在模型試驗(yàn)中，分別模擬了工程修建前后，河道來(lái)流量為3800m3/s、4700m3/s和5400m3/s(即二十年、三十年和五十年一遇洪峰流量)以及延河來(lái)流量為4700m3/s時(shí)，南川河同時(shí)來(lái)流量為965m3/s(接近南川河二十年一遇的洪峰流量1100m3/s)等頻率洪峰流量的組合試驗(yàn)。3試驗(yàn)結(jié)果與分析討論3.1橡膠壩底座對(duì)壩上下游水流流態(tài)及橫向流速分布影響的分析從模型試驗(yàn)情況來(lái)看，在工程修建前后，同樣頻率洪峰流量的水流流態(tài)變化不大，且具有一定的相似性。以三十年一遇洪峰流量試驗(yàn)情況為例，工程修建前后的水流流態(tài)及流速分布情況見(jiàn)圖1、圖2。從圖1、2可知，在延河大橋(三孔拱橋)下游的順直河段，河道受橋孔作用和影響，在工程修建前后的河道中，均形成了清晰可見(jiàn)的三股水流；在凸岸邊灘灘嘴(S30)斷面的下游，各斷面橫向流速分布也具有很好的規(guī)律性，且工程修建前后的橫向流速分布具有一定的相似性，但工程修建前后的各斷面垂線平均流速值發(fā)生了變化。在S30斷面，工程修建前后的最大垂線平均流速均靠凸岸，從河道的凸岸到凹岸，河流垂線平均流速基本上是依次減小；在橡膠壩上下游附近，河流最大垂線平均流速居中，且工程修建后的斷面平均流速大于工程修建前的斷面平均流速；再向下游，工程修建前后的幾股水流均頂沖凹岸，并靠凹岸流動(dòng)。3.2橡膠壩底座對(duì)壩上下游河床沖淤變化影響的分析3.2.1在南川河無(wú)洪峰入?yún)R的情況下，從延河人工湖工程修建前后壩上下游的河床沖淤變化可以看出，在橡膠壩上游，工程修建前后各級(jí)頻率洪峰流量的河床沖淤變化均具有相似的特征：其一，在橡膠壩上游的S30斷面以上，工程修建前后的河床沖淤變化差異不大，且床面均還沒(méi)有形成凹岸沖刷凸岸淤積的形態(tài)；其二，在壩上游的S32斷面，床面均呈現(xiàn)出右岸沖刷左岸淤積的雛形，且工程修建前的右岸沖刷左岸淤積的強(qiáng)度均較工程修建后的強(qiáng)度略大；而且越接近壩軸線，工程修建前后的右沖左淤形態(tài)差別越大，在壩軸線斷面，差別達(dá)到最大；此外，這種差別隨著流量的增大而增大，見(jiàn)圖3。在河道來(lái)流量為3800m3/s時(shí)，工程修建后的河道右岸床面較工程修建前的原河床右岸床面高出部分的面積約100m2，而左岸河床床面較工程修建前降低部分的面積約40m；當(dāng)河道來(lái)流量為4700m3/s或5400m3/s時(shí)，工程修建后的右岸床面較工程修建前的原河床右岸床面高出部分的面積為140m2200m2，而左岸河床床面較工程修建前降低部分的面積約100m。圖1工程修建前三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)壩上下游水流流態(tài)及流速分布圖Flowpatternandvelocitydistributionatarecurrenceof30yearswithaflooddischargeof4700m/sbeforethedambuilt圖2工程修建后三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)壩上下游水流流態(tài)及流速分布圖Flowpatternandvelocitydistributionatarecurrenceof30yearswithaflooddischargeof4700m/safterthedambiult在橡膠壩下游，工程修建前后各級(jí)頻率洪峰流量的河床沖淤變化也具有相似的特征：其一，在壩下游60m范圍內(nèi)，受壩底座附近降水曲線影響，水流流速加大，因此，工程修建后的左右岸河床面均低于工程修建前的原河床面；其二，在S34斷面，工程修建前各級(jí)頻率洪峰流量的河床右沖左淤?gòu)?qiáng)度較大，形態(tài)較明顯；在S35斷面，則與之相反，工程修建后各級(jí)頻率洪峰流量的河床右沖左淤形態(tài)則較明顯；在S36斷面，工程修建前后的河床基本上不再存在右沖左淤形態(tài)，沖刷主槽偏離右岸而基本上居中；其三，在壩下游450m的嘉嶺橋附近，工程修建前后的河床沖淤形態(tài)基本一致，即橡膠壩底座對(duì)各級(jí)頻率洪峰流量的河床沖淤影響在此斷面已基本消失。圖3工程修建前后壩軸線斷面(床面)沖淤變化圖Changesofcrosssectionatdamsite根據(jù)河流動(dòng)力學(xué)理論及上述河床演變情況分析，在橡膠壩上下游一定范圍內(nèi)，工程修建前后河床沖淤情況發(fā)生變化的主要原因有兩個(gè)：其一，由于橡膠壩底座存在，改變了工程修建前后各級(jí)頻率洪峰流量水流流態(tài)及流速分布，使主流線頂沖凹岸的位置發(fā)生變化，從而使頂沖點(diǎn)上下游一定區(qū)域沖淤地形發(fā)生變化；其二，由于橡膠壩底座修建在彎道段，在工程修建前，原河流在凹岸沖刷形成一條沖刷槽，使一部分水流歸槽流動(dòng)；而在工程修建后，壩底座切斷了原河床可動(dòng)層的連續(xù)性及完整性，壩底座的一部分(較工程修建前凹岸河床面高的部分)實(shí)際上是一個(gè)具有固定高程的底檻，它不僅限制了橡膠壩上游凹岸床面可動(dòng)層泥沙的起動(dòng)，而且在一定程度上約束了彎道橫向環(huán)流作用，致使壩上游凹岸部分沖刷槽消失或減小，凸岸泥沙淤積強(qiáng)度減弱。前述的第一個(gè)原因是導(dǎo)致壩下游工程修建前后河床沖淤情況發(fā)生變化的主要原因，第二個(gè)原因是導(dǎo)致壩上游工程修建前后河床沖淤情況發(fā)生變化的主要原因。從上分析可知，從河道過(guò)流能力來(lái)講，橡膠壩底座有其不利之處，但若從河道穩(wěn)定及凸岸引水等方面來(lái)考慮，橡膠壩底座也有其有利之處。這就是橡膠壩底座限制了河流對(duì)凹岸床面的下切，約束了水流的橫向環(huán)流作用，使凸岸過(guò)流能力加大，并使凸岸床面沖刷下降。工程修建后的這一河床演變特征，不僅有利于河流凹岸河堤堤腳的穩(wěn)定，而且使河流過(guò)流量在橫向分布上較工程修建前更趨向均勻，由此為河流的彎道整治及凸岸引水工程等研究課題提供了一個(gè)新的研究方向。3.2.2在南川河有洪峰入?yún)R的情況下，當(dāng)延河來(lái)流量為4700m3/s，南川河來(lái)流量為965m3/s時(shí)，工程修建前后橡膠壩上下游河床沖淤變化情況與南川河無(wú)洪峰入?yún)R的情況相類似，而且，在此情況下，橡膠壩底座對(duì)壩上下游河床沖淤變化的影響較南川河無(wú)洪峰入?yún)R情況下的影響還小。3.3橡膠壩底座對(duì)河道各級(jí)頻率洪峰流量沿程洪水位影響的分析從模型測(cè)驗(yàn)結(jié)果可知，各級(jí)頻率洪峰流量的試驗(yàn)結(jié)果均有幾個(gè)共同特征：其一，在壩下游450m的嘉嶺橋斷面，工程修建前后的同級(jí)洪峰流量的洪水位基本一致；其二，在延河與南川河匯流區(qū)下游，延河河道為彎道段，因此其右岸水位均高于左岸水位；其三，在彎道凹岸，每股水流頂沖點(diǎn)附近的水位明顯高于其上下游水位；其四，S30斷面為一特殊斷面，其右岸水位基本上均高于其上游S28及S27斷面右岸水位；而其左岸處于凸岸彎道轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因而其左岸水位基本上均低于其下游S31斷面左岸水位；其五，在橡膠壩下游的一定范圍內(nèi)，工程修建后的各級(jí)頻率洪峰流量的洪水位一般均低于工程修建前的同流量洪水位；在橡膠壩上游一定范圍內(nèi)，工程修建后的各級(jí)頻率洪峰流量的洪水位一般均較工程修建前的同級(jí)流量洪水位具有不同程度的抬高。3.3.1在南川河無(wú)洪峰入?yún)R的情況下，橡膠壩底座致使各級(jí)頻率洪峰流量的水位抬高值在壩上游5080m達(dá)到最大，并由此向上游沿程遞減；且壩上游水位抬高值及回水影響范圍隨著流量的增大而增大。在二十年一遇洪峰流量(3800m3/s)時(shí)，壩上游洪水位最大抬高0.3m，回水影響范圍到壩上游300m左右；在三十年一遇洪峰流量(4700m3/s)時(shí)，壩上游洪水位最大抬高0.30.5m，回水影響范圍到壩上游700m左右；在五十年一遇洪峰流量(5400m3/s)時(shí)，壩上游洪水位最大抬高0.61.0m，回水影響范圍到壩上游1500m左右。此外，由試驗(yàn)結(jié)果可知：延河王家坪大橋(壩址上游1500m左右)上下游河段，即使在工程修建前，也不具備二十年一遇洪水的行洪能力，因此，該試驗(yàn)結(jié)果為延安市城區(qū)河段堤防工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了較為可靠的依據(jù)。3.3.2在南川河有洪峰入?yún)R的情況下，由于南川河洪峰對(duì)延河洪峰的頂托作用，不僅使工程修建前后的水流流態(tài)及洪水位趨于平穩(wěn)(同一側(cè)點(diǎn)的水位波動(dòng)值明顯小于南川河無(wú)洪峰入?yún)R時(shí)的水位波動(dòng)值)，而且使延河大橋下游河道中的三股水流明顯向左岸偏移，因此，在一定程度上消除和減小了橡膠壩底座對(duì)延河洪水位的抬高影響。從延河來(lái)流量4700m/s，南川河同時(shí)來(lái)流量965m3/s的實(shí)測(cè)資料來(lái)看，壩上游洪水位最大抬高0.2m，回