張家口市洋河綜合治理工程試驗研究

李彥軍 李 斌

隨著經濟的迅猛發展和城市的快速擴張，張家口市“西靠，南擴”成為必然選擇。工程區現有河堤經多年運行，受風雨剝蝕及洪水沖刷，堤身破損，殘缺不全。由于泥沙淤積，河床不斷抬高，河道過流斷面減小，行洪能力降低。現狀防洪標準不足20年一遇，不能滿足50年一遇的設計防洪標準。工程西起左衛鎮207國道，至宣大高速洋河公路橋，規劃段河道長38.5 km。

1 河道基本特征及工程方案

項目區地處冀西北山區，地貌屬于洋河沖洪積河床，河谷地貌。洋河河道寬闊，地勢西南高、東北低，河床兩側分布河漫灘。干流全長101 km，治理段位于洋河中游，長38.5 km，平均縱坡2.5‰。由于本工程利用開挖的砂土筑堤，且填筑高度較大，復式斷面具有堤身穩定性好，可減少河道的淤積，便于景觀布置等優點，因此河道設計斷面采用復式斷面。堤距220 m，主槽底寬100 m，深3.0 m，兩側灘地寬度均為25 m。

試驗模型段要選取能夠全面體現河道治理后對河道水沙特性有重大影響的典型河段，綜合治理特點及試驗條件，確定范圍上起工程起點，下訖樁號16+000，模型全長約 80 km。

2 模型設計及驗證

2.1 模型設計

定床模型設計考慮水流、泥沙運動相似條件以及水深、糙率的限制條件，并考慮試驗場地大小及供水設備能力，擬采用變率為3的變態模型。利用恒定流模擬非恒定進行試驗。

2.1.1 模型幾何比尺

水平比尺:λL=200;垂直比尺:λH=60;模型變率:η=3.3。

2.1.2 水流運動相似比尺

由于模型混凝土抹面的糙率通常為0.014～0.016，因此在定床模型中需要加糙使糙率達到模型設計要求，定床模型河床采用水泥抹面，河槽及灘地均采用碎石梅花加糙，碎石粒徑20 mm～25 mm，間距為30 mm～50 mm。選用重率γs=1.05 t/m3的塑料沙作為模型沙，模擬河道淤積及沖刷狀況。

2.2 模型驗證

由于河道整治工程是對天然河道的整治，河道進行了縮窄，因而無法與天然條件下的實測資料進行驗證對比，為使模型滿足阻力相似條件，試驗采用倒推法推求糙率，與設計防護條件下的糙率值比對，以確定加糙是否滿足設計要求。河床均勻加糙后，選取 6+000～8+000直線段中的7+000段為測試斷面，由實測水深及斷面尺寸，在不同過水流量條件下按明渠均勻流反推糙率。

2.3 試驗目的

試驗河段為洋河整治工程的樁號0+0000～0+1600，由于工程對原河流有較大縮窄，并將原來的游蕩河段固定為彎曲河段，同時為了枯水時蓄水，修建有橡膠壩，故本次試驗需要研究特征流量下水位、流速的變化，以及橡膠壩對洪水水位的影響，為防洪評價和取水論證提供依據。

3 模型試驗結果及分析

根據試驗的任務和要求模型試驗研究的流量選擇100年一遇洪水流量、50年一遇洪水流量、5年一遇的枯水流量等。各個流量狀況下又有四個工況:橡膠壩全部塌壩運行、橡膠壩全部充水運行、橡膠壩部分充水運行、河道主河槽淤積1.5 m。各流量根據實際情況取相應工況試驗。相應的條件見表1。

表1 模型試驗水流條件

3.1 100年一遇洪水流量

1)水位分析。試驗觀測的水位多數都小于設計值，說明設計的比較安全。2)流速分析。與50年一遇洪峰時流速相比，流速變化不大，甚至有的斷面略有減小，分析后認為，這主要是該工況下水流上灘，過流斷面變大，導致流速變化不大。

3.2 50年一遇洪水流量

1)水位分析。橡膠壩塌壩運行時，模型觀測水位大多數略小于設計水位，說明對于防洪而言，整治工程的設計是比較安全的。測針觀測同一斷面左右兩岸水位不同，該斷面為一彎曲段彎曲曲率最大的斷面，左岸測針的水位高于右岸測針的水位0.28 m，說明在該處存在明顯的橫向坡降。當橡膠壩沖水運行時，沿程水位與橡膠壩未運行時相比，有了明顯的升高，在試驗條件下，堤頂高程的設定還是比較安全，但是由于50年一遇的洪峰水位在局部超過了堤頂高程，不超部分也距堤頂較近，不建議在50年一遇洪峰時橡膠壩全部充水運行。2)流速分析。流速分布基本上是過流斷面縮窄時，流速變大，反之，流速則變小。從工程布置圖上可以看到，有兩段的河底坡降比較大，上游都是由較寬斷面向較窄斷面演變，所以流速在這兩河段有逐漸加大趨勢。

3.3 5年一遇洪水流量

試驗中，橡膠壩全部充水運行。

1)水位分析。沿程水位都高于取水口的，工程實施后可以滿足取水要求。2)流速分析。該工況流量較小，水流主要在主河槽內流動，流速相對較小，沖刷較弱。3)淤積分析。橡膠壩運行，必然帶來橡膠壩前的泥沙淤積問題。表2是5年一遇的洪水年一年流量過程后的各橡膠壩預計情況統計。

表2 各橡膠壩淤積統計

從表2可以看出，淤積是沿程減小的，該河段的沙主要來自上游，橡膠壩充水運行，對上游來沙有攔截作用，故淤積沿程減小。

4 主要結論與建議

1)洋河綜合治理工程的50年一遇的設計洪峰的水位大于模型觀測的結果，這說明該工程試驗河段的設計水位是合理的。2)在50年一遇的洪峰流量標準下，橡膠壩全部運行，水位較橡膠壩未運行情況有較明顯升高，部分河段水位可以達到堤頂，對防洪安全構成威脅，建議有選擇的運行部分橡膠壩，達到蓄水防洪兩不誤。3)主河槽淤積1.5 m，50年一遇設計洪水條件下，水位多數未超過堤頂高程，說明在實際運行中，河道設計偏于安全。4)對于5年一遇的枯水，水位值高于取水口的底部高程，說明工程實施后取水可以得到保障，但是由于取水口過低，易被泥沙淤積，應引起注意。5)試驗結果表明，橡膠壩蓄水運用在提高了水位的同時，降低了流速，這帶來淤積也有利于河底防沖。6)試驗中發現，局部河段流速較大，沖刷較嚴重，應引起重視。7)在清水河與洋河的交匯口存在回流。由于水流的頂托，該段的流速較小，泥沙淤積較嚴重。8)系列年的結果表明，在本次試驗條件下，枯水年份，泥沙淤積量從上游橡膠壩到下游橡膠壩逐漸減少，橡膠壩起到了攔沙的作用，實際運用中應予以充分重視。

[1] 李新功，劉立雪.張家口市洋河綜合治理工程可行性研究報告[R].河北省水利水電第二勘測設計研究院，2007.

[2] 余明輝，袁雄燕，劉合翔，等.守恒性平面二維水沙計算模型的研究[J].武漢大學學報(工學版)，2002(3):1-5.

[3] 余明輝，張小峰.平面二維潰堤水流泥沙數值模擬[J].水科學進展，2001，12(3):286-290.