關(guān)于利用對口丁壩整治游蕩性河道的研究

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小浪底水庫投入運用后，黃河下游花園口站百年一遇洪水為15700m³/s.即使發(fā)生1958年型22300m³/s的洪水，經(jīng)小浪底水庫調(diào)節(jié)后花園口站洪峰流量也會小于10000m³/s[1].小浪底水庫投入運用不僅削減了洪峰，同時也使進入下游的水沙條件發(fā)生較大變化。在運用初期3～5年內(nèi)水庫將下泄清水[2][3]，高村以上河段將產(chǎn)生大量沖刷，河道的泄洪能力將逐漸增大。在以后的相機排沙運用期，平、枯水年水庫仍將蓄水?dāng)r沙運用，只有在中游產(chǎn)生大洪水時才有排沙機會。因此小水挾沙過多對下游河槽造成嚴(yán)重淤積問題在這一時期基本上不會出現(xiàn)。洪峰流量的減小和水沙搭配條件的變化，為游蕩性河道整治創(chuàng)造了新的條件，水庫的調(diào)水調(diào)沙運用需要游蕩性河道整治配合，從而充分發(fā)揮小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的作用，進一步把高村以上河段治理好。

　　游蕩性河槽的整治寬度受多方面控制，即泄洪輸沙的需求與控導(dǎo)河勢的要求。其中輸沙的需求與控導(dǎo)河勢要求大體上是一致的。過寬雖然利于排洪，但輸沙與控導(dǎo)河勢的能力較差，因此，必須綜合考慮泄洪、排沙與控導(dǎo)河勢不同需求，確定合理的整治寬度。

　　一、不同歷史時期對游蕩性河槽整治寬度的建議

　　早在1922年美國水利工程師費禮門[4]認(rèn)為黃河下游堤距過寬是治理困難的主要原因，他根據(jù)京杭運河與黃河匯口石洼、位山、姜溝三處洪水期，洪峰流量8000～10000m³/s，最大含沙量9%～10%，實測河道斷面自行刷深的情況，提出整治河寬為1/3英里（約為538m）的設(shè)想。

　　1946年在嚴(yán)愷院士主持下制定了黃河下游治理初步規(guī)劃[5]，下游河道整治寬度定為500m，其主要理由是，黃河山東河道雖然比降小，河寬小，但水深大。認(rèn)為比降1的窄河段的過洪寬度，在比降2 的游蕩性河道足夠用，建議采用對口丁壩為主的工程措施縮窄游蕩性河段，并作了全下游河道整治規(guī)劃圖。

　　葛羅同、薩丹奇、雷巴特[4]對上述治理黃河下游河道初步報告中提出的整治河寬500m表示贊同，認(rèn)為河寬500m，深5m，盡可能取直的河道具有能輸送含沙量達20%河水的能力。

　　50年代后期[6]，認(rèn)為三門峽水庫建成后下游防洪問題基本解決，今后的主要任務(wù)就是興利，是在下游梯級開發(fā)修建攔河樞紐控制縱向的沖刷和整治河道，以利于引水航運。設(shè)計流量為6000m³/s，位山以上河道的整治槽寬定為600m，位山以下定為400～450m.由于三門峽水庫改建和下游攔河樞紐破壩，河道整治工程未能實現(xiàn)。

　　1966年張瑞瑾先生提出把黃河下游河道治理成“寬灘窄槽”的設(shè)想，并詳細(xì)的論述這個方針的合理性、實用性。利用窄槽輸水輸沙，利用寬灘滯洪滯沙，久而久之形成高灘深槽。

　　以上建議由于受歷史條件的限制，在當(dāng)時無法實現(xiàn)，現(xiàn)在小浪底水庫建成后，為實施這些建議提供了可能。

　　二、對現(xiàn)行河道整治寬度的評價及窄深河槽過洪能力

　　1.現(xiàn)行設(shè)計整治槽寬數(shù)值偏大

　　現(xiàn)行黃河下游河道整治規(guī)劃[8]，系根據(jù)洪水期主槽平均單寬流量為10m³/s-m，泄量22000m³/s確定的，過洪寬度為2.5～3km

　　若采用實測平均值，則計算出的B也為實測平均值，在游蕩性河段，同一流量的水面寬變化很大，反映河床的不穩(wěn)定。由于游蕩性河道的比降陡，河槽極不穩(wěn)定，不同來水來沙條件塑造了不同的水面寬，且經(jīng)常處于變化中，如高含沙洪水塑造的河寬窄，低含沙洪水形成的河寬大，隨著水沙條件的變化，河槽寬度經(jīng)常變化。其二，由于河槽極為寬淺，水深在斷面上分布極不均勻，漫灘后水面寬會迅速增加。因此形成游蕩性河段，流量與水面寬關(guān)系散亂是必然的，不作具體分析采用平均值，確定的整治河寬不盡合理。游蕩性河道整治的目的是縮窄河寬、規(guī)順河勢，故其寬度應(yīng)小于自然條件形成的平均水面寬，應(yīng)是主槽寬度。東壩頭以上1200m，東壩頭至高村1000m明顯偏大。

　　2.窄深河槽具有極大的過洪能力

　　從公式可知，Q與R高次方有關(guān)，在B、n、J不變的情況下，水深增大對河道的過洪能力影響最大。

　　表1給出艾山站、濼口站1958年、1976年、1982年實測窄槽的過流能力表明，艾山站在1958年7月21日、22日，在河寬476m、468m，平均水深8.9m和10.6m的條件下，分別宣泄12300m³/s和12500m³/s洪水；濼口水文站在1958年7月22日、23日主槽寬295m，平均水深10.6m和13.1m的條件下，通過的洪峰流分別為10100m³/s和11100m³/s.

　　3.游蕩性河道的洪水主要通過主槽排泄

　　同樣由可知，在河寬、水深，n值相同的條件下，比降由1增加到2，河槽的過流能力增加40%；若泄量控制不變，則水深可減少23%.但由于比降陡的游蕩性河道，同流量水面寬遠大于窄河道，因此窄深河槽的過洪能力常不引人注意。在寬達幾公里的水面中主流帶的寬度常只有幾百米。表2給出花園口站1958年，主槽寬600m、1000m過流量可達到10000m³/s以上，最大達15022m³/s.占過流總量的70～90%，甚至達到98%.

　　江恩惠等對游蕩性河道主槽進行詳細(xì)研究，認(rèn)為目前所用河寬偏大[9].文獻[9]給出的流量與水面寬，平均水面寬隨流量的增加而增寬，但水面寬的下限值，隨著流量的增大幾乎不變，均為500～600m.這表明主槽的寬度不隨流量變化。

　　單寬流量沿河寬的變化情況可知，主槽的單寬流量可達20m³/s-m以上，灘地雖很寬但過流能力很小，單寬流量一般不足1m³/s-m.水流在寬淺河道上總是在一定寬度的主槽內(nèi)集中輸送。尤其是高含沙洪水通過后，灘地大量淤積，主槽強烈沖刷，塑造出的窄深河槽同樣具有極強的輸水能力，表明，在1977年經(jīng)過7月和8月兩場高含沙洪水塑造，在8月8日花園口站實測的主槽寬467、483m，相應(yīng)水深為5.4、5.3m，平均流速3.85、3.73m/s.過流量達到8980m³/s和9540m³/s，由此可見，主槽的過流能力很大。只要能保持較大的水深，泄洪要求的河寬并不是很大。

　　4.窄深河槽泄洪機理

　　花園口、濼口兩站洪水期，水沙過程與河床平均河底高程與最低點高程的變化可知，黃河窄深河槽在洪水期的輸水能力大的主要原因，是在漲水過程中主河槽不斷沖刷，最大洪峰稍后河床高程到達最低，水深達最大。1958年花園口站水位流量關(guān)系表明，流量從5000m³/s漲到15000m³/s，水位只升1m，而平均水深卻由1.99m增加到4.82m，增長2.81m，水深增長的幅度遠大于水位的增幅。由于，泄量與水深的1.67次成正比，因此使得河槽的泄流能力迅速增大。洪峰前后5000m³/s水位下降2m（見圖5-1），主槽河底高程下降近3m（見圖5-3）。

　　洛口水文站的流量與河床高程的變化，隨著洪峰流量的增大，平均和最低點高程不斷降低，最大洪峰后達到最低。流量從5000m³/s增長10000m³/s，水位升高2.95m，但平均水深由6.70m增加到13.1m，增加了6.4m，也遠大于水位的升高值。最大水深由8.9m增至18.1m，增加了9.2m.水深增大幅度遠大于水位升幅。水深迅速增加是河槽過流能力增大的主要原因。

　　三、利用對口丁壩整治游蕩性河道

　　目前黃河下游整治是采用單岸修建工程的彎曲性河道整治方案，取得了很多的成就。小浪底水庫投入運用后，下游水沙條件將發(fā)生很大變化，河道整治也將面臨新的問題。在目前已建整治工程的基礎(chǔ)上，在某些河段采用對口丁壩方案整治，效果可能更好[11][12][13].其依據(jù)就在于該方法在利用窄深河槽滿足泄洪輸沙要求的情況下，還能更充分有效地控導(dǎo)河勢，這是其它方案所難以做到的。

　　在無小浪底水庫的條件下，由于小水挾沙過多，河槽嚴(yán)重淤積，游蕩性河段若按幾百米進行整治。主槽將迅速淤高，形成槽高灘低的不利局面，如目前的二級懸河。河道無法長期穩(wěn)定。但在小浪底水庫投入運用后，來水來沙條件發(fā)生很大變化，初期下泄清水河床發(fā)生沖刷，水庫若是造峰沖刷下游河道，塌灘會更嚴(yán)重。根據(jù)三門峽水庫1960年9月～1964年10月下泄清水期高村以上斷面實測資料分析，游蕩性河道在主槽不斷的擺動中下切，造成灘地的塌灘、河道展寬。目前只在單岸修建工程，主流仍有一定的擺動范圍，有些工程常不能適應(yīng)，尤其是中水整治、小水運行，矛盾突出，河勢會有較大變化，灘地坍塌不可避免。采用對口丁壩雙岸同時控制，無論大中小水主槽都能限制在較窄范圍，河勢會更穩(wěn)定，可防止塌灘，使沖刷向縱深方面發(fā)展。在相機排沙運用期，平水、枯水年下泄清水與初期一樣，河槽也會發(fā)生沖刷，不會淤積抬高。水庫排沙期的流量均大于3000m³/s，整治后的河槽不應(yīng)產(chǎn)生淤積，甚至還應(yīng)發(fā)生些沖刷，對于漫灘洪水造成灘地淤積，則有利于高灘深槽的形成。

　　四、卡口槽寬為600、800、1000m時對洪水位的影響

　　實測資料分析表明，在洪峰上漲的過程中河床不斷沖深，在最大洪峰流量出現(xiàn)時間稍后河床高程達到最低，河槽的過洪能力達到最大。河寬的縮窄會影響過流范圍引起水位抬高，但主流的集中則使河槽沖刷加劇，兩者綜合作用，引起洪水位抬升。根據(jù)1958年花園口站實測資料，600、1000m河寬水位，泄量變化規(guī)律，推求河寬整治成600、800、1000m時，流量由5000m3/s漲到10000、15000m3/s時的水位壅高值，并與1999年防洪預(yù)報值進行了比較[15].

　　五、關(guān)于對口丁壩的布置形式

　　據(jù)阿姆河下游游蕩性河道整治經(jīng)驗[13]，和我們對黃河游蕩性河道按微彎布置整治工程的分析，采用對口丁壩進一步整治河槽可能更有效。關(guān)于整治工程的高度，從有利于排洪考慮，以目前黃河下游河道整治工程超高標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，修建對口丁壩后對泄洪影響不大，河道保持天然河道泄洪特性，工程的興建只起護灘作用，隨著河槽的沖刷，槽深的增加，河槽的過洪能力增加，深槽會自然形成。從施工防守方便上考慮，筑壩基較為有利。

　　若兩岸對口丁壩口門較寬，水流不經(jīng)?？繅晤^，搶險只能以陸上為主，為了使河道在洪水期仍能漫灘，滯洪滯沙，丁壩間不修聯(lián)壩，壩間的交通只用道路聯(lián)結(jié)，路面可與當(dāng)?shù)囟└叱?.5m，若為防止大洪水河勢出現(xiàn)較大擺動，工程的高程可按10000m³/s洪水位齊平設(shè)計，若考慮百年一遇洪水，應(yīng)按15000m³/s洪水位齊平設(shè)計壩頂高程。當(dāng)平灘流量為5000m³/s時，堤高為1.3~1.4m.隨著平灘流量的增大，同樣的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，堤高會逐漸減小。從以上分析可知，河槽縮窄后對排洪影響不大。

　　綜上所述，應(yīng)根據(jù)不同河段不同情況選擇不同的布置形式，以滿足防洪生產(chǎn)等方面的要求。關(guān)于河槽的整治寬度在順直河段可以按600~800m設(shè)計，從有利于泄洪考慮，對彎曲段可按800~1000m槽寬整治河道。關(guān)于對口丁壩的間距，根據(jù)阿姆河實踐經(jīng)驗，為800~2150m，合1.3~3.6倍的卡口寬度。

　　阿姆河年徑流量190～770億m³，年沙量2.46億t，Qmax=8000～9000m³/s，洪水期S=16～20kg/m³，4～8月洪水期沙量2.12億t，常見洪水流量3000～4000 m³/s，枯水流量為400～900m³/s，河道比降為0.00016～0.00026，最大流速3～4m/s，河槽在3～5km范圍內(nèi)擺動。按照土雅姆水利樞紐下游200km河段整治規(guī)劃，需要填筑255道橫堤，總長度250km，河道整治寬度600m，對口丁壩間距800～2150m，規(guī)劃的255道橫堤中在1986年報道中已建成130道，總長度達105km，在30道橫堤上完成了拋石。120km的河段已部分地得到了整治，整治工程修建后，在大洪水期間仍可漫灘。

　　應(yīng)根據(jù)黃河下游不同河段河勢可能的變化情況，緊密結(jié)合現(xiàn)有的河道整治工程，因地制宜的確定對口丁壩工程的間距和護岸的長度。

　　六 關(guān)于選擇試驗河段的建議

　　我們建議盡快選擇一典型河段進行試點，為游蕩性河道的治理進一步積累經(jīng)驗。為了使試點工作能順利進行，需要開展模型試驗，以便選定設(shè)計參數(shù)，確定最有利的布置形式。

　　經(jīng)征求各方意見，推薦試驗河段有三段，一是鐵謝至大玉蘭河段，二是神堤至棗樹溝河段，三是趙口至黑崗口河段，經(jīng)分析比較，趙口至黑崗口河段較長，現(xiàn)有整治工程較少，防洪問題突出，進行試驗后對丁壩設(shè)計參數(shù)存在的問題能得到較充分反映，故選取該河段作為試驗河段。