對攔河建筑物防洪影響分析思路的初步探討

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前言

　　隨著水資源供需矛盾的日益突出，黨和政府提出了水資源可持續(xù)利用的戰(zhàn)略目標，充分合理地開發(fā)利用水資源，為全面建設小康社會提供有力支撐和保障。隨著水利建設的不斷發(fā)展，水利投資的重點也將由防洪工程轉(zhuǎn)向水資源配置工程。按照傳統(tǒng)水利思路，由于河道防洪任務的重要性，在山洪河道修建攔河建筑物蓄水開發(fā)水資源一般要求非常嚴格，因此山洪河道水資源開發(fā)利用程度很低，在一定程度上造成水資源的巨大浪費。隨著傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利的轉(zhuǎn)變，在山洪河道上修建攔河建筑物，攔蓄上游河道流域來水，開發(fā)河道豐富的水資源，使防洪工程轉(zhuǎn)向水資源配置工程已成為水利建設的重點。

　　但在河道水資源得到合理的開發(fā)利用的同時，河道的防洪任務更加艱巨，這就要求水利工作者不僅要充分開發(fā)利用水資源，而且要充分預測到建筑物可能帶來的負效應。由于河流的形成及發(fā)展條件各異，河床演變的特點及其衍生的問題是各種各樣而且復雜多變，因此研究分析攔河建筑物對防洪的影響是一個多學科多因素的復雜問題，特別是河流泥沙動力學知識以及河床演變的規(guī)律。就其本身來講，目前仍然是一門不成熟的新興學科，因此對于攔河建筑物防洪影響的分析就有了很大的難度。本人根據(jù)多年來的工作經(jīng)驗以及掌握的材料，從各人的認識角度出發(fā)，對建筑物防洪影響的分析思路提供一些建議。如有不當以及不足之處，希望同仁們給予指正和補充，并在大家的共同努力之下，更好地完成項目，使每一個項目都能較好地反映出其對防洪的影響，從而使建筑物更好地為人們造福，而不是帶來負面影響甚至災害。

1 概述

　　攔河建筑物對防洪的影響有有利的一面也有不利的一面。有利的一面是可以充分利用建筑物與河床之間的相互關系，因勢調(diào)整河道流向，改變不利河相關系，有目的的控制河床演變的發(fā)展方向，從而使河道有利于人類的經(jīng)濟活動。另外攔河建筑物作為水資源配置工程，可開發(fā)利用河道水資源，為工農(nóng)業(yè)以及城鎮(zhèn)生活用水提供水源，緩解地下水超采的危機。但在保證其主要功能的同時，需要充分認識到建筑物對于河道防洪不利的影響。對于建筑物防洪影響的分析思路，主要從河相關系的變化、工程設計以及工程措施之間的相互關系方面去考慮。在分析建筑物對防洪影響之前，首先要對建筑物所在河道進行分析。

1）分析河道類型

　　按照河道流經(jīng)地區(qū)的不同，河道一般可分為山區(qū)河流和平原河流兩大類，而對于同一條河流其上游常為山區(qū)河流，下游段為平原河流，位于上游段和下游段之間的中游段，則往往兼有山區(qū)河流和平原河流的特性。因此要首先根據(jù)流域特點，來水情況，地理特點、形成的過程等確定河道屬于哪一種類型。

2）分析河床的形態(tài)

　　根據(jù)河床演變歷史過程、河床總體走勢，河床的結(jié)構(gòu)等特點確定河道形態(tài)是彎曲型、順直型、分汊型還是散亂型，從而確定河床演變的總趨勢。

3）分析河流的水文、地質(zhì)條件

　　根據(jù)河道來水來沙特性，來水時空分布，河床床沙組成等特點確定河道的邊界條件，確定是推移質(zhì)還是懸移質(zhì)造床。只有分析確定了造床的主要因素，才能確定合理的經(jīng)驗理論公式進行定量的分析計算。

2 工程設計與河相關系的相互影響分析

　　攔河建筑物的設計依托于河相關系，河相關系又因攔河建筑物的影響而發(fā)生巨大的變化，出現(xiàn)新的演變過程。如果建筑物設計不當，就會引起河相不穩(wěn)定，造成行洪的不安全；而河相關系確定的不合理，則會從以下兩方面影響建筑物的設計：如果河相關系確定的不安全，建筑物的造價抬高，造成浪費；如果河相關系確定的偏于安全，則建筑物的設計會不滿足要求，其損失更加嚴重，因此攔河建筑物與河床的河相關系是相互影響相互補充的關系。

　　本文主要從以下幾個方面對兩者關系進行分析：

1）建筑物主要設計參數(shù)與河床演變之間的關系

　　建筑物設計參數(shù)主要從底板高程，蓄水位的確定進行分析。

　　底板高程的確定至關重要。底板高程定高了，則會出現(xiàn)上淤下沖的問題，壩前淤積嚴重者會使建筑物難以正常運行，甚至處于癱瘓狀態(tài)，而壩后沖刷則會使消能設施破壞，從而危及整個工程。相反，如果底板高程定低了，則上沖下淤，同樣會影響建筑物的正常運行。因此合理的選擇底板高程，才能保證上下游河段的演變過程逐漸趨向于平衡，趨向于防洪有利的一面。

　　對于正常蓄水位的確定，從防洪角度出發(fā)，水位不宜漫灘。蓄水位長期漫灘，不僅影響灘地開發(fā)，而且來沙落淤抬高灘地，而建筑物進行蓄清排沙時，按照河床"死灘活槽"的發(fā)展規(guī)律，灘地只淤而不沖，必然影響河道的行洪安全。

2）消能防沖設計與河床演變之間的關系

　　消能防沖設計在工程設計過程中是不可缺少的重要組成部分，在有關規(guī)范中都有具體的規(guī)定，但河床演變對消能防沖計算的影響卻沒有明確的提出，從而使設計人員往往忽略了河床演變的影響，計算過程與河床演變脫節(jié)，造成設計結(jié)果的不安全。

　　本文主要從下游的河床演變角度闡述對消能的影響。攔河建筑物建成后，由于水位壅高，上游淤積，下泄水流含沙量降低，使下游河床將發(fā)生兩種不同類型的沖刷，一種是在樞紐下游較長段上普遍產(chǎn)生的一般沖刷；另一種是在樞紐下游附近較短的河段內(nèi)產(chǎn)生的局部沖刷。局部沖刷在有關規(guī)范及教材中均有較詳細的計算辦法和處理措施，本文只對一般沖刷做進一步說明。

　　一般沖刷是一種使下游河道自上而下發(fā)生的長距離沖刷現(xiàn)象，但隨著沖刷的不斷發(fā)展，河床床沙粒徑逐漸粗化，形成抗沖保護層限制沖刷發(fā)展，并將很快趨于穩(wěn)定，因此其發(fā)展變化總是向穩(wěn)定的方向進展。隨著一般沖刷的發(fā)展，下游水位流量關系發(fā)生變化，勢必影響建筑物的泄流能力以及消能防沖，這就需要對一般沖刷進行分析計算。目前對于一般沖刷的定量計算仍處于不成熟階段，雖說現(xiàn)階段也有許多的經(jīng)驗或理論公式可以使用，但大多繁瑣難用，作者認為下面兩種方法比較適合與工程設計人員運用。

方法一 謝鑒衡所建議的沖刷極限狀態(tài)法。公式如下：

　　根據(jù)以上公式只要合理確定造床流量Q，河床粗化后的糙率n以及床沙粒徑d值，即可估算沖刷后的河道比降J、平均水深h以及河寬B。

方法二 王世夏教授提出的靜平衡計算公式。

　　上式中床沙特性參數(shù)K通?？扇?.0212m^1/2/s，粒徑可取中值粒徑為計算粒徑。對于無因次待定系數(shù)C的確定需根據(jù)王世夏教授提出的河相關系補充方程計算。根據(jù)實測的河床斷面形態(tài)、床沙組成等資料，計算多組數(shù)據(jù)，由上式反推出C值。

以上兩種方法的基本原理是一致的，均是水流連續(xù)公式、均勻流阻力公式以及水力因素和泥沙因素之間的關系公式，并與試驗數(shù)據(jù)結(jié)合聯(lián)解推求所得。

　　根據(jù)以上方法可以推求出沖刷后的河相關系為依據(jù)進行消能防沖計算是比較合理的。同時要充分考慮到一般沖刷對下游兩岸灘地以及堤防的沖刷，要及時采取措施護砌兩岸，防止沖刷對河床的不利影響。

3）河道主要參數(shù)的取定與河床演變之間的關系

　　從長期角度來看，河相的變化具有周期性，隨著多次沖刷淤積之后，河道總是趨向于某一平衡狀態(tài)，最終達到一個相對穩(wěn)定的河相關系。比如，彎曲的河道彎曲到一定程度，水流為尋求阻力較小的新流路，通過撇彎取直或裁彎取直來遏止凹岸沖刷的進一步發(fā)展。對于攔河建筑物同樣有此規(guī)律，在人為因素的影響之下，河床要發(fā)生變化，但其變化也是向著停止的方向發(fā)展。如何才能知道設計參數(shù)符合河床演變的自然規(guī)律，使建筑物與自然協(xié)調(diào)共存呢？謝鑒衡和王世夏教授同樣提出了河道沖淤平衡計算方法。下面簡單介紹王世夏教授提出的推移質(zhì)造床河流的動平衡計算方法。

計算原理同一般沖刷計算的計算原理相同。公式如下：

　　公式中Qs為河床推移質(zhì)輸沙率，由于水文觀測技術及條件的限制，該參數(shù)的確定比較困難。可收集河床懸移質(zhì)輸沙率與流量的關系，并參照類似河道懸推比，來確定推移質(zhì)輸沙率值。其他參數(shù)的確定同一般沖刷計算方法。

　　根據(jù)以上計算結(jié)果，來分析確定設計參數(shù)值是否合理。比如，計算比降值陡于設計值，則說明河道不需淤緩至設計值就可以平衡，因此設計值是偏于安全的；相反，計算值緩于設計值，則說明設計值偏陡，上游的河沙要繼續(xù)向下游推移，直到相對平衡。

3 防洪措施與河床演變之間的相互影響分析

　　從以上關系的分析中可以看出，建筑物的修建會使河床發(fā)生較大的變化，但隨著河床的自我調(diào)整作用，河床最終會達到一個新的動平衡點。這不僅僅要求建筑物的設計滿足河床演變的要求，同時要采取一定防洪措施才能保證影響控制在安全或有利的一面。防洪措施與河床演變之間也是相輔相成的關系。

1）合理的控制運用

　　充分利用攔河建筑物的優(yōu)勢，合理的控制運用，調(diào)節(jié)河道固體徑流。在取水時期，上游水位抬高，使來沙暫時沉積在壩前，之后就需采取合理的控制運用措施沖刷淤積，保證取水庫容以及行洪的安全。

2）規(guī)范的管理結(jié)構(gòu)

　　由于人類的需求，使得河床演變不僅僅受自然因素的影響，而且人為因素也隨著社會的發(fā)展對河道的影響也越來越嚴重，特別是人為采沙因素，這就需要規(guī)范的管理結(jié)構(gòu)和管理制度來規(guī)范管理人為因素對河道的影響。

3）完善的觀測系統(tǒng)

　　建筑物的設計以及河床演變計算原理是建立在實踐到理論、理論到實踐的基礎之上，具有一定的經(jīng)驗性和試驗性，它不可能完全代替自然規(guī)律，而河道的邊界條件卻千差萬別，在時間與空間上也是變化萬千的，不可能有哪一種理論公式能準確的界定河道發(fā)展變化。因此，工程的正常運用，還要依靠完善的觀測系統(tǒng)來補充改進工程。要及時開展原型觀測，積累有關數(shù)據(jù)，保證工程正常運行的有效，進一步驗證工程設計的合理性。同時，完善的觀測系統(tǒng)還對河道以及建筑物的科學研究具有指導意義。

4 結(jié)論

　　總上分析，主要從分析研究天然河道的實測資料、泥沙運動和河床演變的基本原理兩方面對防洪影響進行分析。對于重要河流，有條件時盡可能運用各種方法進行分析研究，比如進行模型試驗，通過河工模型試驗，對河床演變進行預測，對防洪措施進行合理的規(guī)劃；也可利用條件相似河段的實測資料進行類比分析等方法。