水沙條件變化對(duì)渭河倉(cāng)西工程安全的影響分析

包歲利 ，石長(zhǎng)偉 ，，辛 琛

（1.陜西省河流工程技術(shù)研究中心，陜西 西安710018；2.陜西省江河水庫(kù)管理局，陜西 西安710018）

1 倉(cāng)西河段概況

渭河倉(cāng)西控導(dǎo)工程位于大荔縣韋林鄉(xiāng)望仙村東南的渭河渭淤2斷面左岸上下游，倉(cāng)西灣所在河段是渭河下游的方山河～潼關(guān)入黃段，該河段長(zhǎng)約58 km，屬典型的彎曲性河段，枯水河床寬約400 m～600 m，河床局部擺動(dòng)不定，河曲十分發(fā)育，平均彎曲系數(shù)約為1.43，河勢(shì)變化較為劇烈，侵蝕塌岸時(shí)常發(fā)生，河床縱向平均比降為10/000左右；在倉(cāng)西工程下游6.0 km左右渭河左岸有北洛河匯入渭河。

2 倉(cāng)西工程與出險(xiǎn)基本情況

2.1 倉(cāng)西控導(dǎo)工程概況

倉(cāng)西控導(dǎo)工程在《渭洛河下游河道整治初步設(shè)計(jì)》(下簡(jiǎn)稱《初設(shè)》)中，工程布設(shè)起點(diǎn)在倉(cāng)西灣上段，對(duì)應(yīng)于沙苑圍堤管理樁號(hào)為9+600，在倉(cāng)西灣上段沿修正治導(dǎo)線與岸坎布置成直線，直線段布設(shè)12座雁翅壩垛抵御渭河洪水頂沖，中下段布設(shè)復(fù)合彎道，布置23座雁翅壩形成以壩護(hù)彎，以彎導(dǎo)流，并保護(hù)抽水站取水口和移民圍堤。工程總長(zhǎng)度2781 m，沿工程位置線共布置雁翅壩35座；其中水中進(jìn)占雁翅翅壩11座，旱灘雁翅壩24座，加固1座。倉(cāng)西控導(dǎo)工程從2003年汛前、2003年汛后、2005年、2008年、2011年5期建設(shè)，目前形成總長(zhǎng)5934 m、雁翅壩 35（0#～34#）座的規(guī)模[1]。

2.2 工程歷年出險(xiǎn)基本情況

倉(cāng)西控導(dǎo)工程2010年初次出險(xiǎn)以來(lái)歷次出險(xiǎn)情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。可以看出，出險(xiǎn)集中在3～10#壩段；出險(xiǎn)主要表現(xiàn)為壩垛墩蟄 (3-6#、9#壩)、壩襠后潰坍塌或土體坍塌 (2-3#、4-8#壩襠)、壩及襠籠石墩蟄或倒塌(8-10#壩襠)3種形式。針對(duì)倉(cāng)西工程3種出險(xiǎn)形式，分析研究倉(cāng)西工程特殊出險(xiǎn)類(lèi)型的原因，提出科學(xué)合理的除險(xiǎn)加固方案，并組織實(shí)施、確保工程與堤防安全，是十分必要、迫切的。

表1 倉(cāng)西工程歷年出險(xiǎn)情況統(tǒng)計(jì)表

3 水沙條件變化及其對(duì)倉(cāng)西工程出險(xiǎn)的影響分析

倉(cāng)西河段附近無(wú)水文站，上游在渭淤2下游615 m處的華陰水位站只有測(cè)水位，無(wú)法分析該河段的水沙情況，而華縣水文站位于渭淤10下游約900 m處，故以華縣水文站來(lái)分析蒼西河段的水沙特征。

3.1 華縣站水沙變化及其特征

1960年～2015年華縣站水沙統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2，歷年水量變化見(jiàn)圖1。

由表2可知：1960年～2015年該時(shí)期多年平均水量64.02億m3，其中汛期水量38.60億m3，非汛期水量25.4億m3，分別占多年的60.3%、39.7%；年徑流量集中于汛期，總體上呈減小趨勢(shì)。1960年～2015年水量變化大致可分為3個(gè)階段：一是1960年～1985年豐水期，平均水量80.78億m3，占多年均64.02億m3的126.2%；二是1986年～2002年的枯水期，平均水量45.73億m3，占多年平均的71.4%；三是2003年～2015年的平水偏枯期，平均水量54.44億m3，占多年平均的85.0%；四是2010年～2014年的平水期，平均水量61.34億m3，占多年平均的95.8%,接近多年平均值。

圖1 1960年～2015年渭河下游華縣站歷年水量變化過(guò)程線

1960年～2015年華縣站沙量統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)3，歷年沙量變化見(jiàn)圖2。由圖表可知：1960年～2015年多年平均沙量2.795億t，其中汛期沙量2.484億t，非汛期沙量0.310億t，分別占年的88.9%、11.1%；年輸沙量集中于汛期更為突出，總體上呈減小趨勢(shì)更為明顯。該時(shí)期沙量變化大致可分為4個(gè)階段：一是1960年～1978年豐沙期，平均輸沙量4.270億t，占多年均2.795億t的152.8%；二是1979年～1996年平沙期，平均輸沙量2.861億t，占多年均的102.4%；三是1997年～2003年枯沙期，平均輸沙量2.002億t，占多年均的71.6%；四是2004年～2015年特枯沙期，平均輸沙量0.821億t，占多年均的29.4%。

表2 1960年以來(lái)華縣站歷年水量統(tǒng)計(jì)表

表3 1960年以來(lái)華縣站歷年水量統(tǒng)計(jì)表

圖2 1960年～2015年渭河下游華縣站沙量變化過(guò)程線

分析表明，渭河下游水、沙量變化在總體大致相同的情況下，還存在一定的差異：

一是水、沙量均集中于汛期，但沙量更為集中；二是水、沙量總體呈減小趨勢(shì)，但沙量的減少更為持續(xù)與連續(xù)——由豐趨平、由平至枯、由枯減為特枯的明顯特征；

三是變化過(guò)程有一定差異，如近期(2004年～2015年)呈現(xiàn)“水量平水偏枯、沙量為特枯”的明顯差異。出險(xiǎn)時(shí)段是2010年～2014年，該時(shí)期平均水量61.34億m3，其中汛期水量37.86億m3，非汛期水量23.47億m3，分別占年的61.7%、38.3%；年徑流量集中于汛期，總體上呈減小趨勢(shì)。1960年～1985年平均水量80.78億m3，占出險(xiǎn)時(shí)段61.34億m3的131.7%；1986年～2002年平均水量45.73億m3，占出險(xiǎn)時(shí)段的74.6%；2003年～2009年平均水量48.27億m3，占出險(xiǎn)時(shí)段的78.7%；2003年～2015年平均水量54.44億m3，占出險(xiǎn)時(shí)段的88.8%。出險(xiǎn)時(shí)段水量較1960年～1985年偏枯，但較其它時(shí)段水量略多，屬于平水期。

出險(xiǎn)時(shí)間的平均沙量0.800億t，其中汛期沙量0.754億t，非汛期沙量0.046億t，分別占年的94.2%、5.8%；年輸沙量集中于汛期更為突出，總體上呈減小趨勢(shì)更為明顯。1960年～1978年平均輸沙量4.270億t，占出險(xiǎn)時(shí)段的0.800億t的533.5%；1979年～1996年平均輸沙量 2.861億 t，占出險(xiǎn)時(shí)段的357.4%；1997年～2003年平均輸沙量2.002億t，占出險(xiǎn)時(shí)段的250.1%；2004年～2015年平均輸沙量0.821億t，占多年均的102.6%。出險(xiǎn)時(shí)段沙量相對(duì)其它時(shí)候來(lái)說(shuō)是最枯、最小的時(shí)段，沙量急劇減少，洪水含沙量為各不同時(shí)候最小的時(shí)期，有利于洪水沖刷。

四是2010～2015時(shí)期洪量較1990年～2009年有所增加，沙量進(jìn)一步減少，洪水含沙量為各不同時(shí)期最小的時(shí)期，有利于洪水沖刷。

3.2 場(chǎng)次洪水變化分析

1960年～2015年華縣站洪峰流量Q≥1000 m3/s洪水的出現(xiàn)次數(shù)變化見(jiàn)圖3。可以看出，洪峰流量Q≥1000 m3/s洪水場(chǎng)次1964年最多為14場(chǎng)，次多為1983年9次洪水，1984年、2005年、2013年出現(xiàn)了7次洪水；1970年～1989年年均4次，1990年～2015年年均2.7次，且1979年、2006年、2008年、2015年均未發(fā)生場(chǎng)次洪水洪峰流量大于1000 m3/s的洪水。

圖3 1960年～2015年華縣站洪峰流量1000m3/s以上洪水出現(xiàn)次數(shù)變化

1960年～2015年華縣站洪峰Q≥1000 m3/s以上洪水過(guò)程洪水水沙量變化見(jiàn)圖4。由圖4可知：一是1964年、1981年大水大沙，1966年、1970年、1973年、1977年、1988年平水大沙與1975年、1983年、1984年、2003年等大水平沙年外，其它各年份洪量與洪水輸沙量一般尚屬協(xié)調(diào)；二是1985年～2002年期間，渭河華縣站洪峰流量1000 m3/s以上各場(chǎng)次洪水過(guò)程洪水總量與輸沙總量趨勢(shì)是波動(dòng)性減小的，2003年以來(lái)輸沙量仍持續(xù)這種波動(dòng)性減小，洪水洪量略有增加，水沙條件更有利于河道沖刷。

不同時(shí)期華縣站洪峰Q≥1000 m3/s以上洪水過(guò)程洪水水沙量變化有較大差異：一是各時(shí)期年均洪量總體呈減小趨勢(shì)，特別是上世紀(jì)90年代以來(lái)減小明顯，洪水輸沙量年均持續(xù)減小規(guī)律更為明顯；二是年均洪量、輸沙量不同時(shí)期差異較大，洪量最大時(shí)期均為上世紀(jì)60年代是90年代與本世紀(jì)初的年均洪量3倍多，洪水過(guò)程輸沙量是本世紀(jì)以為的接近4倍，差異巨大；三是上世紀(jì)70、90年代總體水沙相對(duì)更不協(xié)調(diào)；四是2010年～2015時(shí)期洪量較1990年～2009年有所增加，沙量進(jìn)一步減少，洪水含沙量為各不同時(shí)期最小的時(shí)期，有利于洪水沖刷。

近期(2003年～2015年)渭河下游華縣站各場(chǎng)次洪水情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。由表2可知，2003年～2015年華縣站發(fā)生洪峰大于1000 m3/s或含沙量大于200 kg/m3的洪水共50場(chǎng)。含沙量大于200 kg/m3的高含沙洪水20場(chǎng)，其中洪峰小于1000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的高含沙小洪水13場(chǎng)，洪峰介于1000 m3/s～2000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的高含沙中小流量洪水7場(chǎng)，未發(fā)生洪峰大于2000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的較大流量高含沙洪水。

圖4 華縣站歷年洪峰流量Q≥1000 m3/s各場(chǎng)次洪水總量與輸沙總量變化過(guò)程

3.3 水沙條件變化對(duì)倉(cāng)西工程出險(xiǎn)的影響分析

出險(xiǎn)時(shí)段的水量較1960年～1985年偏小，較其它各時(shí)段洪量略有增加，洪水含沙量為各不同時(shí)期最小的時(shí)期，大水小沙的水沙條件更有利于洪水沖刷河道。

近期（2003年～2015年）渭河下游華縣站各場(chǎng)次洪水情況統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4。由表4可知，2003年～2015年華縣站發(fā)生洪峰大于1000 m3/s或含沙量大于200 kg/m3的洪水共50場(chǎng)。其中，洪峰流量大于 1000 m3/s、2000 m3/s、3000 m3/s、4000 m3/s、5000 m3/s以上的洪水分別有37場(chǎng)、14場(chǎng)、4場(chǎng)、2場(chǎng)、1場(chǎng)。含沙量大于200 kg/m3的高含沙洪水20場(chǎng)，其中洪峰小于1000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的高含沙小洪水13場(chǎng)，洪峰介于1000 m3/s～2000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的高含沙中小流量洪水7場(chǎng)，未發(fā)生洪峰大于2000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的較大流量高含沙洪水。

2010年～2014年洪峰大于1000 m3/s、2000 m3/s洪水場(chǎng)次增加與高含沙洪水場(chǎng)次減少，為渭河下游倉(cāng)西河段沖刷提供了充足的動(dòng)力條件，各年該時(shí)期倉(cāng)西河道沖刷泥沙0.1979億m3分析亦充分證明了這一點(diǎn)。2010年7月下旬至9月中旬，華縣站連續(xù)發(fā)生洪峰流量大于1000 m3/s洪水6場(chǎng)，該時(shí)段華縣站洪水過(guò)程平均流量940 m3/s，這一流量對(duì)渭河下游河段是沖刷是有利的[3]。

年份 洪峰時(shí)間 最大洪峰流量 相應(yīng)最大含沙量 相應(yīng)水位 年份 洪峰時(shí)間 最大洪峰流量 相應(yīng)最大含沙量 相應(yīng)水位（m.d.h.m） （m3/s） （kg/m3） （m） （m.d.h.m） （m3/s） （kg/m3） （m）7.25.6：00 551 743 339.04 2009 2003 7.26.19：30 1980 458 341.15 9.8.11：06 2160 34.8 341.73 8.11.5：00 1270 566 339.54 9.21.16：00 3020 39.5 342.03 8.13.22：18 1130 248 338.30 10.2.6：00 2680 35.4 341.30 8.25.17：12 2170 42.8 341.19 10.13.5：00 2020 23.5 339.73 9.8.10：24 1100 37.4 339.21 2004 8.27.20：00 1050 812 339.10 9.11.7：00 1310 21.0 339.78 8.27.17：42 613 417 337.83 8.26.3：54 656 664 338.60 8.31.7：12 1120 34.2 339.83 8.29.16：48 1470 598 341.32 9.16.4：30 1010 19.3 339.55 9.1.9：48 3540 174 342.76 2010 9.11.10：12 2130 23.4 341.23 7.21.12：54 1150 551 338.72 9.17.11：30 2180 12.9 341.35 8.20.6：24 1360 40.0 339.51 9.27.20：00 5050 12.8 342.70 9.22.7：30 1490 72.3 338.61 2012 7.4.14：12 2060 180 340.67 2011 2005 5.30.19：48 1050 6.1 338.20 2006 7.17.16：00 555 724 336.82 7.11.2：36 1210 161 337.96 8.17.1：14 615 486 337.09 7.17.4：06 1180 491 337.57 7.26.8：00 6710 353 337.26 10.1.2：00 2540 37.7 340.84 8.20.9：18 1130 39.7 338.26 10.4.8：00 4850 21.8 342.32 9.3.2：18 2250 36.1 339.58 10.7.20：00 1720 17.0 339.70 2013 2007 7.27.7：18 662 296 337.94 7.20.5：54 1280 71.1 337.72 7.31.23：42 940 300 337.93 7.24.9：24 2470 99.3 340.27 8.11.7：30 1840 109 340.15 7.27.14：00 1520 94.5 338.92 9.1.18：48 1130 89.9 338.05 8.9.14：00 1020 26.1 337.57 2008 8.14.2：54 252 426 337.03 2014 8.22.20：00 312 385 336.01 8.21.7：30 409 358 337.27 9.17.16：18 1580 12.1 339.50 9.2.23：36 475 288 337.83 2015 8.14.11：00 558 350 336.85 Q≥1000m3/s的洪水場(chǎng)次 37場(chǎng) Q≥2000m3/s的洪水場(chǎng)次 14場(chǎng)Q≥1000m3/s的洪水場(chǎng)次 4場(chǎng) S≥200kg/m3的洪水場(chǎng)次 20場(chǎng)1000m3/s≥Q且S≥200kg/m3洪水場(chǎng)次 13場(chǎng) 1000＜Q≥2000m3/s且S≥200kg/m3洪水場(chǎng)次 7場(chǎng)

上述分析表明：2010年～2014年水沙條件特別是汛期洪水為倉(cāng)西河段沖淤、河勢(shì)彎化與工程出險(xiǎn)等方面的河道變化提供了動(dòng)力(或能量)條件與保障；但從洪水條件分析，除“11.9”洪水外，其它洪峰介于1000 m3/s～2500 m3/s，洪水流量小于倉(cāng)西河段中水治導(dǎo)整治流量3000 m3/s，一般不會(huì)引起整治控導(dǎo)工程的破壞失穩(wěn)。因此，盡管2010年～2014年水沙條件與汛期洪水為倉(cāng)西工程出險(xiǎn)擔(dān)供了動(dòng)力與條件，但不是倉(cāng)西工程出險(xiǎn)的主要原因，整體上在倉(cāng)西工程出險(xiǎn)的影響因素中居于從屬地位。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

⑴在洪水量級(jí)不大的情況下倉(cāng)西工程2010年～2014年連續(xù)5年出險(xiǎn)；該時(shí)期水沙條件與汛期洪水相對(duì)與原設(shè)計(jì)條件水沙條件發(fā)生一定變化；因此，分析研究倉(cāng)西工程特殊出險(xiǎn)中水沙條件變化的影響，為未來(lái)相似工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮不同水沙條件下的工程相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)提供技術(shù)支撐，確保工程與堤防安全有著重要的意義，開(kāi)展該項(xiàng)研究是十分必要的。

⑵出險(xiǎn)時(shí)段的水量較1960年～1985年偏小，較其它各時(shí)段洪量略有增加，但洪水含沙量為各不同時(shí)期最小的時(shí)期，水沙條件更有利于洪水沖刷河道。

⑶2003年～2015的水量平水偏枯期、沙量持續(xù)特枯是近期渭河下游水沙過(guò)程的主要特點(diǎn)；不同時(shí)期華縣站洪峰Q≥1000 m3/s以上洪水過(guò)程洪水水沙量變化有較大差異：一是各時(shí)期年均洪量總體呈減小趨勢(shì)，特別是上世紀(jì)90年代以來(lái)減小明顯，洪水輸沙量年均持續(xù)減小規(guī)律更為明顯；二是年均洪量、輸沙量不同時(shí)期差異較大；三是上世紀(jì)70、90年代總體水沙相對(duì)更不協(xié)調(diào)；四是2010年～2015時(shí)期洪量較1990年～2009年有所增加，沙量進(jìn)一步減少，洪水含沙量為各不同時(shí)期最小的時(shí)期，水沙條件更有利于河道沖刷。

⑷從洪水條件分析，除“11.9”洪水外，其它洪峰介于1000 m3/s～2500 m3/s，洪水流量小于倉(cāng)西河段中水治導(dǎo)整治流量3000 m3/s，一般不會(huì)引起整治控導(dǎo)工程的破壞失穩(wěn)。因此，盡管2010年～2014年水沙條件與汛期洪水為倉(cāng)西工程出險(xiǎn)擔(dān)供了動(dòng)力與條件，但不是倉(cāng)西工程出險(xiǎn)的主要原因，整體上在倉(cāng)西工程出險(xiǎn)的影響因素中居于從屬地位。

4.2 建議

從倉(cāng)西出險(xiǎn)情況分析可以看出，在今后類(lèi)似河彎設(shè)計(jì)修建防護(hù)工程，在考慮水流平均流速外，還應(yīng)增加河段水流最大流速時(shí)壩頭局部沖刷深度的分析計(jì)算，并作為壩頭抗沖設(shè)計(jì)的重要依據(jù)與參考，確保工程穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)控導(dǎo)河勢(shì)、理順流路，保障防護(hù)對(duì)象安全的目標(biāo)。