黃河下游陸集灘“二級懸河”治理模型試驗研究

萬強　張建煜　李軍華

摘要：在以往研究的基礎上，根據試驗研究河段的水文、泥沙特點，合理設計物理模型比尺，并對模型進行水位過程率定和驗證，對黃河下游“二級懸河”試驗河段淤填堤河治理措施進行物理模型效果檢驗。實體模型試驗表明，通過“二級懸河”治理，當遇到較大上灘洪水時，灘地順堤行洪流速降低，堤根水位下降、水深減小，洪峰期灘區分流比減小，灘區斷面形態得到一定改善，灘地橫比降大幅減小，“二級懸河”形勢發生明顯改善，堤防的安全性大幅提高。

關鍵詞：“二級懸河”;實體模型試驗;灘區洪水特性;黃河下游

中圖分類號：TV85;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.006

1 前言

20世紀80年代中期之后，黃河下游河道持續萎縮，河槽逐漸高于臨河灘地，形成“槽高、灘低、堤根洼”的。二級懸河”局面。2002年以來，黃河下游經歷多次調水調沙，使得下游“二級懸河”形勢得到一定緩解。但由于河槽持續過流小水，未經歷大洪水的沖刷塑造，灘地沒有洪水漫灘和淤積抬升，因此下游河道“二級懸河”的局面并未得到根本扭轉。目前河南黃河白鶴以下長464 km的河段，形成“二級懸河”的河段長280 km，占河段全長的60%.尤其東壩頭以下河段，全河段均呈”二級懸河”態勢[1]。“二級懸河”形勢的不斷加劇，增大了黃河下游的防洪負擔。黃河下游一旦發生較大洪水，漫灘水流極易形成灘區集中過流，造成重大河勢變化，主流頂沖堤防、順堤行洪，嚴重威脅下游堤防的安全[2]。

“二級懸河”治理作為黃河下游治理面臨的主要問題之一，受到了廣泛重視。綜合考慮“二級懸河”的發展程度，黃委將近期“二級懸河”治理重點放在東壩頭一陶城鋪河段[3]。本試驗針對形勢最嚴峻且河勢變化劇烈的陸集灘河段（邢廟一孫樓），開展“二級懸河”治理效果試驗，以分析大洪水條件下該河段治理對“二級懸河”形勢的改善情況。

2“二級懸河”治理工程情況

“二級懸河”是指河槽平均河底高程高于灘地平均河底高程的河流（或河段）。圖1為“二級懸河”橫斷面示意圖。

“二級懸河”治理工程位于史樓一于莊陸集灘，基本方案為從河道主河槽內抽取泥沙淤填大堤內側的堤河，以達到減小灘地橫比降、降低順堤行洪風險的目的。淤填堤河段相應左岸臨黃堤公里樁號為126+ 000-139+ 400。堤河淤填總長13.4 km，需土方816.24萬m。淤填土料來自主河槽，取土河槽長11.58 km。堤河淤填體以現狀堤河控制淤填寬度，最大不超過500 m，淤填外緣高于臨近灘面1m左右，治理工程完工后將還耕群眾[4]。淤填區沿堤線布置在臨河側，淤填區外布置圍堤，圍堤外側布置退水渠，見圖2。

3 模型比尺設計、驗證及試驗安排

根據原型河床條件、對黃河下游沖積性多沙動床模型比尺及變率問題的前期研究結果[3]，確定該模型水平比尺A= 600，垂直比尺A=60，模型幾何變率D= 10。試驗河段布置見圖3。根據模型比尺計算懸沙粒徑比尺為0.81，此次用于模型的懸移質泥沙中值粒徑為0.010-0.025 mm，選用鄭州熱電廠粉煤灰作為動床模型的模型沙。模型設計主要遵循的相似條件有幾何相似、水流運動相似、泥沙運動相似，見表1。

模型經過水位驗證，流量為1 000 m/s的沿程水位和原型實測值基本吻合（見圖4），說明實體模型的設計能夠滿足河道阻力相似準則。

試驗水沙條件采用孫口站“82·8”修正型洪水過程，即針對原型1982年8月1-12日孫口站洪水過程，保證含沙量與原型一致條件下，流量過程按20%同倍比縮小。孫口站總水量為74億m，總沙量為1.8億t，最大流量為8 080 m/s。“82·8”洪水是一場典型的豐水少沙型洪水，為1949年以來黃河下游出現的第二大洪峰，來水區間為三門峽至小浪底，是典型的下大型洪水。在目前小浪底水庫發揮防洪調控作用的條件下，仍有較大發生概率。

試驗共開展2個組次：第1組試驗，研究陸集灘現狀邊界條件下洪水演進漫灘情況、“二級懸河”的發展對灘區及堤防所造成的影響和危害：第2組試驗，對河槽開挖并按設計部位淤填堤根后的地形施放與第1組試驗相同的漫灘洪水，將試驗結果與第1組試驗對比，分析堤河淤填后順堤行洪流場、水文要素變化、斷面沖淤量、灘槽分流比等的變化情況，研究該河段“二級懸河”的改善情況。

初始邊界條件均采用近期現狀河道地形，河道整治工程、生產堤、村莊等地物地貌都按現狀情況布設。

4 模型試驗結果

4.1“二級懸河”治理對順堤行洪狀況的改善

在兩組試驗中，堤河低凹的地形為順堤行洪提供了基本的邊界條件。因灘地橫比降較大，故當洪水開始漫灘后，漫灘水流即沖毀生產堤的薄弱地帶，斜向沖擊大堤，并在堤河低凹地帶順堤行洪，現狀條件下堤河的最大流速達到2.01 m/s。顯然，這樣大的流速對堤防工程的安全構成了極大威脅。

堤河淤填體的修筑如同在大堤與漫灘洪水間設置了一道屏障。兩組試驗堤河流速對比見表2、表3，可以看出在洪水過程的各個階段，經過堤河的淤填治理，治理堤段堤河流速明顯降低。

對于樁號126+800、129+600、134+200位置3個測點，經過淤填堤河治理，“82·8”型洪水過程中最大順堤行洪流速從1.23 - 1.65 m/s下降到0.81-0.98 m/s。

4.2“二級懸河”治理對堤防偎水狀況的改善

對比兩組試驗的堤河水位變化（見表4），經過淤填堤河，河槽被挖深，主槽過流能力增大，洪水上灘的流量比現狀條件要小，因此相應治理后的堤河水位有所降低。

通過試驗過程中對堤根水深的測量可知，堤根低洼、坑洼多.堤河在未淤填治理的條件下，其最大水深達到4.39 m（見表5）。大堤在高水位、大水深的洪水浸泡下，增大了堤防發生潰決的可能性。對比兩組試驗堤河水深測驗結果可以看出，經過堤河淤填治理，同流量下治理堤段的水深明顯小于未治理堤段的水深。

4.3 “二級懸河”治理對陸集灘分流情況的影響

對比兩組試驗陸集灘的分流情況（見表6）可知，位于陸集灘最上端的史樓斷面流量沒有明顯變化。但是，各流量級現狀條件的灘地分流量均比治理后高，現狀灘地總分流比也高于治理后。其原因是一方面“二級懸河”治理后，灘地橫比降減小削弱了漫灘洪水的運行動力和流速，另一方面挖河淤填造成主槽的過水斷面擴大，使得洪水能夠更為順暢地沿主槽下泄。

4.4“二級懸河”治理對灘地橫比降的改變

通過兩組試驗灘地橫比降的對比（見表7）可見，“二級懸河”堤河淤填治理使陸集灘主要斷面的橫比降計算值大為降低。對比兩組試驗洪水后的斷面橫比降變化，總趨勢是洪水后的比降略大于洪水前的初始比降，其原因是洪水漫灘形成了一定的灘唇淤高，順堤行洪使得近堤灘面有部分沖刷。

5 結論

通過黃河下游“二級懸河”治理工程效果驗證試驗可以看出，在灘區開展堤河淤填工程進行“二級懸河”治理的條件下，當遇到較大上灘洪水時，灘地順堤行洪流速明顯降低：堤根水位有一定程度的下降，水深減小：洪峰期試驗灘區洪水上灘分流比減小：灘區斷面形態得到一定改善，灘區橫比降因淤填而大幅減小，“二級懸河”形勢發生明顯改善，堤防的安全性大幅提高。

參考文獻：

[1]廖義偉，黃河下游“二級懸河”成因及治理對策[M].鄭州：黃河水利出版社，2003：35-44.

[2] 江恩慧，曹永濤，李軍華，等，黃河下游游蕩性河段河勢演變機理及河道整治若干關鍵技術問題研究[R].鄭州：黃河水利科學研究院，2005：80-120.

[3] 張紅武，江恩慧，張清，等，黃河高含沙洪水模型的相似律[M].鄭州：河南科學技術出版社，1994：21-28.

[4] 陳懋平，王鳳群，馬樂，等，黃河下游“駝峰”河段及“二級懸河”治理試驗工程可行性研究[R].鄭州：河南黃河勘測設計研究院，2009：67-99.

【責任編輯許立新】