黃河寧夏衛(wèi)寧河段垛平面布置參數(shù)研究

劉燕 張林忠 萬(wàn)強(qiáng)

摘要：近年來(lái)隨著黃河龍羊峽、劉家峽及青銅峽水庫(kù)的調(diào)節(jié)運(yùn)用，黃河寧夏河段來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生改變，為驗(yàn)證原來(lái)的河道整治工程及“黃河寧夏河段二期防洪工程可行性研究報(bào)告”中的人字垛平面布置參數(shù)設(shè)計(jì)是否適應(yīng)當(dāng)前的河道和水沙特點(diǎn)，通過(guò)模型試驗(yàn)、原型資料分析、實(shí)地查勘和理論計(jì)算，對(duì)工程平面布置參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：①模型試驗(yàn)中，高山寺工程垛半徑20m和垛半徑15m（垛間距均為40m）條件下，垛前流速、流態(tài)、斷面形態(tài)、局部沖淤基本一致，垛間均未出現(xiàn)明顯淘刷，對(duì)河勢(shì)影響較小；②垛參數(shù)經(jīng)驗(yàn)布置原則與河床粒徑相關(guān)；③丁壩間距公式計(jì)算結(jié)果顯示，垛的方位角為30-的前提下，垛間距與垛半徑及來(lái)流方向相關(guān)，隨著垛迎水面與水流夾角的增大，垛間距逐步減小。建議：當(dāng)衛(wèi)寧河段垛群迎水角度小于60°時(shí)，采用垛半徑20m、垛間距50m；當(dāng)垛群迎水角度大于60°時(shí)，采用垛半徑20m、垛間距40m。

關(guān)鍵詞：人字垛；平面布置參數(shù)；垛半徑；垛間距；黃河衛(wèi)寧河段

中圖分類號(hào)：TV85；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.011

寧夏黃河干流自1998年以來(lái)按照微彎整治方案開(kāi)展了大規(guī)模的整治，隨著治河技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)治理多沙河流認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，在“黃河寧夏河段二期防洪工程可行性研究報(bào)告”中采用微彎整治、就岸維護(hù)相結(jié)合的治理方案[1]。寧夏河段的河道整治工程結(jié)構(gòu)沿襲了黃河下游的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)黃河游蕩型河道具有寬淺散亂、善變善徙、河勢(shì)不穩(wěn)的演變特點(diǎn)，目前采取的整治工程形式主要有堤防、險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程和護(hù)灘工程，其基本由壩、垛、護(hù)岸等結(jié)構(gòu)組成[2]。具體的工程設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)黃河寧夏河段特定的河道、水沙特點(diǎn)作出相應(yīng)調(diào)整。其中：寧夏段人字垛半徑目前采用的是20m，方位角為30°，二期防洪工程設(shè)計(jì)垛間距為20～40m[1]。

隨著黃河龍、劉水庫(kù)（龍羊峽、劉家峽水庫(kù)）及青銅峽水庫(kù)的調(diào)節(jié)運(yùn)用，寧夏河段來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生改變，原有的河道整治工程對(duì)中小流量的控導(dǎo)效果不太理想，具體到寧夏衛(wèi)寧河段的人字垛參數(shù)設(shè)計(jì)，需要將以往工程設(shè)計(jì)、施工中的經(jīng)驗(yàn)在科學(xué)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。為此，選擇衛(wèi)寧段的高山寺工程進(jìn)行概化實(shí)體模型試驗(yàn)，通過(guò)分析模型試驗(yàn)成果，并結(jié)合原型資料、實(shí)地查勘、理論計(jì)算等，對(duì)工程垛半徑和垛間距進(jìn)行分析，提出合理的垛半徑和垛間距。

1 典型工程垛參數(shù)模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

衛(wèi)寧河段高山寺工程概化河道模型長(zhǎng)25m，寬約6.5m，水平比尺λL=400，垂直比尺λH=60，變率為6.67。

該河段原型觀測(cè)資料較少，僅有2012年WND22和WND23兩個(gè)大斷面資料，為提高制模精度，根據(jù)2012年兩個(gè)大斷面資料，結(jié)合2012年衛(wèi)寧段河道地形圖，內(nèi)插了11個(gè)小斷面，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘情況給予修正。

初始河勢(shì)采用2012年汛前河勢(shì)，并結(jié)合2016年該河段衛(wèi)星圖片予以修正。

1.2 水沙過(guò)程

各河段工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用的設(shè)計(jì)洪水流量、整治流量及施工期設(shè)計(jì)流量如下：施工期流量1460m3/s，整治流量2500m3/s，衛(wèi)寧河段20a—遇設(shè)防流量5620m3/s。以上述流量作為本次試驗(yàn)來(lái)水條件。

本次試驗(yàn)施工期流量1460m3/s歷時(shí)50d，整治流量2500m3/s歷時(shí)34d，20a—遇洪水過(guò)程采用黃河下河沿站1964年設(shè)計(jì)水沙過(guò)程，歷時(shí)22d，水量及沙量分別為69.21億m3和0.7億t。

1.3 試驗(yàn)組次安排

試驗(yàn)共安排6個(gè)組次，其中：垛半徑20m和垛間距40m條件下施工流量、整治流量和20a—遇洪水3個(gè)組次，垛半徑巧m和垛間距40m條件下施工流量、整治流量和20a—遇洪水3個(gè)組次。

1.4 試驗(yàn)成果

1.4.1 垛前流速變化

為分析高山寺工程垛前的水流變化狀況，重點(diǎn)對(duì)12壩之前壩垛群集中部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖1為高山寺工程兩種垛半徑在不同流量條件下工程前流速、水深分布情況。從圖1中可知，工程前流速與工程形式及所處位置相關(guān)，靠主溜的工程前流速較大，水流條件相同情況下壩前流速較垛前大；不同垛半徑在相同水沙條件下垛前流速及水深變化趨勢(shì)基本一致，水深與流量成正比。

總的來(lái)說(shuō)，高山寺工程垛前流速與流態(tài)受工程形式、靠溜狀況和水流強(qiáng)度影響較大，兩種垛半徑垛前流速及流態(tài)基本一致。

1.4.2 斷面形態(tài)調(diào)整

為了對(duì)比高山寺工程不同垛半徑在不同流量條件下斷面形態(tài)的調(diào)整變化，選擇高山寺工程垛群上首、下首和工程中部壩垛較為稀疏的3個(gè)典型斷面形態(tài)與初始形態(tài)相比，僅高山寺工程上首垛群前在大流量、含沙量較大洪水條件下淤積，其余部位較初始形態(tài)變化不大，兩種垛半徑下斷面形態(tài)調(diào)整基本一致。

1.4.3 局部沖淤情況

表1為垛半徑20m和垛半徑巧m時(shí)垛群的局部沖淤情況。從表1中可知，垛半徑20m方案前面2#～4#三個(gè)垛垛前淤積、后面5#～6#兩個(gè)垛垛前沖淤變化小，垛半徑15m方案前面1#～4#四個(gè)垛垛前淤積、后面5#～6#兩個(gè)垛垛前沖淤變化小，且兩種方案均表現(xiàn)出前面幾個(gè)垛施工流量和整治流量淤積少、20a—遇洪水淤積多的態(tài)勢(shì)。

由以上分析可以得出：垛前沖淤與靠溜程度相關(guān)，垛靠大溜，則垛前沖刷。

1.4.4 水流在垛間的淘刷情況

從前述對(duì)高山寺1#～12#壩垛前流速、水深變化和局部沖淤情況分析可以看出，工程上首垛群前淤積，其下則基本屬微沖。

由于高山寺工程上首垛群前偎水，流速較小，2垛至5垛垛前淤積，因此垛間也是淤積狀態(tài)；5垛至7壩，壩垛靠邊溜，壩垛前沖淤基本平衡；8垛和9垛處于彎道最里面，受7壩掩護(hù)，8垛前流速為0，9垛前流速也較小，因此7壩至9垛間淤積；10垛至12壩，工程靠溜，流速較大，該河段屬砂卵石河床，工程前沖淤變化相對(duì)較小，水流在壩間未見(jiàn)明顯淘刷情況。

1.4.5 河勢(shì)變化

紅柳灘至上灘河段有大小不等、縱橫交錯(cuò)的心灘20余處，屬典型的多漢河段，水流從上至下由2股演變?yōu)?股、4股甚至更多股。該河段床沙較粗，試驗(yàn)中表現(xiàn)出小水時(shí)漢道相劉穩(wěn)定，心灘的大小隨著流量變化而變化，甚至變動(dòng)移位，總的來(lái)說(shuō)小流量時(shí)心灘出露多，大流量因全河道過(guò)水而心灘出露少，大多數(shù)心灘成為潛灘，且水流受水下潛灘的影響，左奔右突，流路變化較大。

兩種方案下不同流量河勢(shì)變化基本一致，高山寺工程處于漢流縱橫交錯(cuò)河段，河道由窄向?qū)掃^(guò)渡，水流扇形擴(kuò)散，從上首垛群處至工程中部，水流由2股演變?yōu)?股，至工程末端演變?yōu)?股，各股分流比相當(dāng)，出工程末端后由4股演變?yōu)?股，至上灘護(hù)岸工程所處河段合為2股。上首垛群處垛前主流偏離壩垛，垛前僅偎水，流速較小，至工程中部10垛以下靠溜。

從高山寺工程處的河勢(shì)變化來(lái)看，兩種方案在不同流量條件下均表現(xiàn)為垛前漢道寬約300m，主流線最大擺幅為50m，垛群上首2#～6#垛迎水面與來(lái)流方向夾角在600以內(nèi)，垛間淤積或沖淤不明顯，由此可見(jiàn)不同垛半徑和垛間距對(duì)河勢(shì)影響不大，河勢(shì)差異較小。2垛參數(shù)理論分析

黃河下游的垛間距遵循的原則一般是：對(duì)于拋物線型的垛，當(dāng)垛突出岸線的垂直長(zhǎng)度為10～30m時(shí)，垛的凈間距應(yīng)小于30m[3]。黃河下游河道屬?zèng)_積性河道，床沙中值粒徑D50為0.06～0.10mm，垛間距超過(guò)30m即會(huì)出現(xiàn)垛間回流淘刷，影響工程安全。

垛是短丁壩，其挑流能力弱，回流小，垛前沖刷坑較淺，適宜于來(lái)流方向與迎水面的夾角大或來(lái)流方向變化大的工程段。利用丁壩間距公式[式（1）]計(jì)算垛間距，結(jié)果見(jiàn)表2。式中：L為垛間距；l為丁壩實(shí)際長(zhǎng)度，這里是2倍垛半徑；α1為垛的方位角，α1=30°；α3為來(lái)流方向與工程線的夾角，α3=α2-α1，α2為來(lái)流方向與壩（垛）迎水面的夾角；月為水流擴(kuò)散角，根據(jù)試驗(yàn)成果，β≈9.5°。

由表2可知，垛的方位角為300的前提下，垛間距與垛半徑及來(lái)流方向相關(guān)，隨著垛迎水面與水流夾角的增大，垛間距逐步減小。垛半徑為20m時(shí)，若垛迎水面與水流夾角為60°左右，則垛間距可采用40m；若垛迎水面與水流夾角為45°左右，則垛間距可采用50m。垛半徑為巧m時(shí)，若垛迎水面與水流夾角為60°左右，則垛間距可采用30m；若垛迎水面與水流夾角為45°左右，則垛間距可采用40m。

3 工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)查勘情況

寧夏二期防洪工程中垛的布置參數(shù)主要采用300方位角，新建人字垛半徑取20m，垛的凈間距應(yīng)不大于30m，中間空當(dāng)由護(hù)岸連接[4]。

寧夏衛(wèi)寧河段近年來(lái)采用的垛半徑多為20m，垛間距多數(shù)采用20～40m，個(gè)別垛間距為120m左右。現(xiàn)場(chǎng)查勘發(fā)現(xiàn)，20～40m垛間距的垛間壩田微淤，有的垛間壩田沖淤不明顯。

4 結(jié)論

（1）典型工程垛參數(shù)模型試驗(yàn)結(jié)果顯示：高山寺工程垛半徑20m和垛半徑15m（垛間距均為40m）條件下，垛前流速、流態(tài)、斷面形態(tài)、局部沖淤情況基本一致，垛間均未出現(xiàn)明顯淘刷，對(duì)河勢(shì)影響較小。

（2）垛參數(shù)經(jīng)驗(yàn)布置原則與床沙粒徑相關(guān)，對(duì)于黃河下游沖積性河道，當(dāng)垛突出岸線的垂直長(zhǎng)度為10～30m時(shí)，垛的凈間距應(yīng)小于30m。

（3）丁壩間距公式計(jì)算結(jié)果顯示：垛的方位角為300的前提下，垛間距與垛半徑及來(lái)流方向相關(guān)，隨著垛迎水面與水流夾角的增大，垛間距逐步減小。垛半徑為20m時(shí)，若垛迎水面與水流夾角為60°左右，則垛間距可采用40m；若垛迎水面與水流夾角為45°左右，則垛間距可采用50m。垛半徑為15m時(shí)，若垛迎水面與水流夾角為60°左右，則垛間距可采用30m；若垛迎水面與水流夾角為45°左右，則垛間距可采用40m。

（4）工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)查勘表明，垛半徑為20m、垛間距為20～40m時(shí)，垛間沒(méi)有明顯沖刷。

綜合分析，衛(wèi)寧河段為卵礫石河床，推薦當(dāng)垛群迎水角度小于60°時(shí)，采用垛半徑20m、垛間距50m；當(dāng)垛群迎水角度大于60°時(shí)，采用垛半徑20m、垛間距40m。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.黃河寧夏河段二期防洪工程可行性研究報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2013：371-382.

[2]黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.黃河寧蒙河段1996年至2000年防洪工程建設(shè)可行性研究報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，1996：199-200.

[3]胡一三.中國(guó)江河防洪叢書·黃河卷[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1996：353-355.

[4]黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.黃河寧夏河段二期防洪工程可行性研究報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2014；340-349.