水位調(diào)控下分汊型河道淤積影響試驗(yàn)研究

黃志文，許新發(fā)，王志超，唐立模

(1.江西省水利科學(xué)研究院， 江西 南昌 330029；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

雍水水流是水庫型河道水流的運(yùn)動(dòng)的基本形式，上游河道水深沿程增加，水流挾沙力減少，從而導(dǎo)致懸沙淤積。近年來贛江水文情勢的改變對(duì)下游尾閭地區(qū)帶來一系列的問題，為改善贛江尾閭，特別是南昌河段的水文條件，提出在贛江尾閭?cè)牒幗ㄩl調(diào)控，上游河道長時(shí)間維持一定水位運(yùn)行，上游水深增加，水流挾沙力減小，勢必造成上游的閘上淤積。國內(nèi)眾多學(xué)者建立河工模型[1-3]研究泥沙淤積演變過程；徐霖玉等[4]研究了無壩引水明渠淤積的成因，提出了改變?nèi)∷谛螒B(tài)與增大渠道坡度可大幅減少渠道淤積；孫連成等[5]利用潮流泥沙物理模型方法研究人工沙灘親水段淤積分布不均，縱向泥沙淤厚呈現(xiàn)向上逐步減小的規(guī)律。

贛江尾閭下游河段屬于多級(jí)分汊河流(贛江下游尾閭河勢見圖1)，干流段水沙條件改變勢必對(duì)下游各支汊演變發(fā)生直接影響，目前研究分汊河道淤積演變較少，閆濤等[6]研究了匯流河段入?yún)R口的泥沙淤積變化規(guī)律；李霞等[7]研究了不同入?yún)R角泥沙淤積隨匯流比變化特征；左慶松等[8]根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出泥沙淤積量隨泥沙濃度、時(shí)間的變大而變大；但沉積速率隨著泥沙的濃度的變大而減小，淤積泥沙強(qiáng)度與相對(duì)深度之間呈線性關(guān)系。本文基于贛江尾閭動(dòng)床模型試驗(yàn)成果，著重分析雍水條件下分汊河道各支汊的淤積形式，以及尾閭河道淤積主要集中區(qū)域及河槽深泓的變化，為河道治理疏浚提供依據(jù)。

圖1 贛江下游尾閭河勢圖

1 模型設(shè)計(jì)

模型模擬河段范圍為外洲站到贛江尾閭四支入湖處。模型設(shè)計(jì)為變態(tài)模型，按照重力相似、阻力相似、泥沙懸移相似、挾沙相似和河床變形相似等準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型平面比尺為300，垂直比尺為80，模型變率約為2.75，模型長度約180 m，模型主要比尺見表 1。根據(jù)所取河段懸移質(zhì)沙樣分析結(jié)果，贛江外洲站至四支樞紐閘址區(qū)間懸移質(zhì)泥沙中值粒徑范圍為8.3 μm～24.9 μm，沿程變化相對(duì)不大。懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)相似，需同時(shí)滿足泥沙沉降相似及紊動(dòng)懸浮相似，為同時(shí)滿足沉降相似及紊動(dòng)懸浮相似，取沉速比尺的平均計(jì)算得模型沙的沉速。計(jì)算得到相應(yīng)的中值粒徑，經(jīng)分選配比后可得到滿足級(jí)配要求的模型沙。

由于木粉具有容重小、無黏性、起動(dòng)流速小、沖淤變化反映靈敏、沙粒糙率大、顆粒形狀和水下休止角與天然沙接近等優(yōu)點(diǎn)，故本次試驗(yàn)選擇木粉作為模型沙，其密實(shí)密度1 150 kg/m3，淤積干密度480 kg/m3，密實(shí)干密度600 kg/m3。

表1 泥沙運(yùn)動(dòng)模型比尺

所選模型沙粒徑對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速比尺較模型水流流速比尺偏小，各支汊的偏離量均在10%以內(nèi)，相應(yīng)模型沙選取可以滿足起動(dòng)流速相似的要求。此外，考慮到在變態(tài)模型的動(dòng)床模型試驗(yàn)中，重力相似條件允許有一定偏離，通過動(dòng)床水面線驗(yàn)證試驗(yàn)，模型進(jìn)口控制流量可在一定程度上調(diào)增(弗勞德數(shù)Fr的偏離小于30%)，模型水流流速將比上表計(jì)算值有所增加，從而使得模型沙起動(dòng)流速比尺與水流流速比尺基本相等。

2 動(dòng)床模型驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x沙的合理性，在開展動(dòng)床模型試驗(yàn)之前，首先要進(jìn)行動(dòng)床驗(yàn)證試驗(yàn)，并借此確定動(dòng)床沖淤時(shí)間比尺和加沙比尺。

2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)水沙過程

贛江尾閭河段河床受采砂影響明顯，動(dòng)床驗(yàn)證選取基本無采砂活動(dòng)、地形變化基本遵循天然演變的河段進(jìn)行試驗(yàn)。選擇贛江主支八一橋至熊家洲段，驗(yàn)證時(shí)段從2006年1月至2009年4月，用2005年12月地形作為起始地形，2009年5月地形作為驗(yàn)證地形。根據(jù)驗(yàn)證時(shí)段內(nèi)外洲水文站的逐日流量過程，在模型上將逐日流量過程概化為若干階梯(見圖2)，并按照流量概化區(qū)段將各支尾門水位過程也進(jìn)行概化，作為模型出口水位控制。

圖2 驗(yàn)證時(shí)段內(nèi)研究河段流量過程概化

輸沙量資料采用外洲站的逐日含沙量資料，計(jì)算出研究河段相應(yīng)的懸移質(zhì)輸沙率和各時(shí)段輸沙量，概化過程見圖3。

2.2 河床沖淤地形驗(yàn)證

在2005年12月地形基礎(chǔ)上，施放2006年1月至2009年4月的概化水沙過程，繪出沖淤地形圖，與原型2009年5月實(shí)測地形圖進(jìn)行對(duì)比,作為地形驗(yàn)證的主要依據(jù)。最終確定模型方案試驗(yàn)時(shí)取單寬輸沙率比尺，沖淤時(shí)間比尺。

圖3 驗(yàn)證時(shí)段內(nèi)含沙量過程概化

驗(yàn)證結(jié)束后，模型上7 m槽基本貫通，僅在西河鐵路橋上下游間斷約210 m，且沿程平均寬度與原型相差不大，走勢和間斷位置與長度均與實(shí)測地形相近。6 m深槽在八一橋附近貼靠左側(cè)邊岸，經(jīng)過昌北碼頭和水泥廠后逐漸過渡到右岸側(cè)，隨后折回左岸側(cè)，并緊貼左岸丁壩群壩頭沿線發(fā)展至鐵路橋上游約360 m處中斷，深槽的走勢、沿程寬度和間斷位置均與原型符合良好。模型上各主要等高線的位置和沿程變化趨勢與原型2009年5月實(shí)測地形相接近，沖淤部位與原型基本相似，符合相關(guān)規(guī)范的精度要求(見圖4)。

圖4 地形沖淤驗(yàn)證圖

為進(jìn)一步分析試驗(yàn)河段的橫斷面變化情況，對(duì)八一橋至鐵路橋區(qū)間的8個(gè)典型斷面的驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了分析，如圖5所示，可見模型沿程各典型斷面的地形沖淤變化與原型基本相符，較好地反映了原型河段的沖淤變化特征。

圖5 斷面沖淤變化

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 試驗(yàn)水沙條件

依據(jù)贛江外洲水文站歷年水文資料的統(tǒng)計(jì)分析，考慮到萬安水庫建成運(yùn)行后水沙條件發(fā)生了變化及采砂等人類活動(dòng)的影響，盡量采用近期的水文資料來選擇典型年。經(jīng)過分析，1957年—2016年的多年平均流量為2 175 m3/s，多年平均洪峰流量為1 1600 m3/s，多年平均懸沙輸沙量為795.3萬t，懸沙輸沙率為252.2 kg/s；其中2000年—2016年的年均懸沙輸沙量為294萬t，懸沙輸沙率為93.2 kg/s。選取2010年作為豐水典型年，2005年和2006年作為中水典型年，2007年作為枯水典型年，2003年作為枯水多沙特殊典型年份。

3.2 工程后河床變化分析

在典型水沙條件下順次進(jìn)行了水沙系列年的懸沙淤積試驗(yàn)，最終得到10 a、15 a和20 a年的贛江尾閭淤積試驗(yàn)結(jié)果，宏觀分析整治工程后河道的演變過程，以及尾閭河道淤積主要集中區(qū)域。

3.2.1 干流和西支演變分析

干流和西支淤積主要發(fā)生在贛江西支大橋(斷106面)上游區(qū)域，試驗(yàn)結(jié)果顯示該區(qū)域20 a間淤積范圍較為穩(wěn)定，淤積深度在逐年增加，如圖6所示。預(yù)計(jì)20 a后淤積深度較大的區(qū)域位于西河上游贛江大橋到泥家洲附近的河道(斷面45到斷面76之間)，淤積區(qū)域內(nèi)的平均淤積深度為1.10 m，最大淤積深度為4.57 m位于英雄大橋和贛江大橋之間的斷面48處。在贛江西支大橋下游局部區(qū)域也出現(xiàn)了輕微的淤積，10 a淤積范圍發(fā)展至象山樞紐處，但是該區(qū)域15 a～20 a間淤積范圍和深度的變化趨于穩(wěn)定，淤積區(qū)域平均淤積深度為0.24 m，最大淤積深度為1.47 m位于西河主支和北支的岔口區(qū)域(斷面125)。干流和西河試驗(yàn)測量區(qū)域內(nèi)淤積區(qū)域平均淤積深度為0.73 m。

圖6 工程后干流和西河淤積演變過程

在20 a淤積試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取若干典型淤積斷面，通過分析典型斷面上的淤積分布情況來研究贛江尾閭干流和西河泥沙淤積分布規(guī)律。選取典型淤積斷面39、斷面43、斷面56、斷面62，并將斷面原始地形與淤積試驗(yàn)20 a后地形進(jìn)行比較，如圖7所示。干流和西河的淤積主要集中在深槽區(qū)域，但是隨著河道走勢發(fā)生彎曲，在河道凸岸下游附近偏向河岸方向淤深較大。比如揚(yáng)子洲頭斷面39、斷面43和西河的斷面56、斷面62。干流和西河淤積試驗(yàn)結(jié)果中部分?jǐn)嗝娴纳钽l(fā)生偏移，比如20 a后干流斷面39、斷面43的深泓向河道中心的洲灘發(fā)展，西河斷面56、斷面62的深泓向河道凹岸頂沖區(qū)域發(fā)展。

圖7 工程后干流和西河典型淤積斷面地形

3.2.2 東河中支演變分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示20 a間淤積范圍有向下游發(fā)展的趨勢，淤積深度在逐年增加(見圖8)。20 a后中支淤積深度較大的區(qū)域位于中支贛江大橋到上房村之間的河道(斷面528—斷面552之間)，淤積區(qū)域平均淤積深度為1.48 m，最大淤積深度為4.54 m位于中支江心洲蛟溪村附近(斷面544)。上房村下游區(qū)域淤積情況較上游要少，淤積區(qū)域的平均淤積深度為0.43 m，最大淤積深度為1.89 m位于斷面526。中支淤積區(qū)域平均淤積深度為1.47 m。

圖8 工程后中支淤積演變過程

在20 a淤積試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取若干典型淤積斷面，通過分析典型斷面上的淤積分布情況來研究贛江尾閭中支泥沙淤積分布規(guī)律。選取典型淤積斷面533、斷面543、斷面546、斷面550進(jìn)行地形比較(見圖9),得出中支的淤積主要集中在上游的深槽區(qū)域，中支下游區(qū)域淤積量明顯減少。中支淤積試驗(yàn)結(jié)果中少部分?jǐn)嗝娴纳钽l(fā)生偏移，比如20 a后斷面543的深泓向中支江心洲的岸灘發(fā)展，中支斷面533、550的深泓向河道凹岸頂沖區(qū)域發(fā)展。中支下游斷面深泓未發(fā)現(xiàn)明顯的改變。

圖9 工程后中支典型淤積斷面地形

3.2.3 東河南支演變分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示南支20 a間淤積范圍和淤積深度在逐年增加，如圖10所示。淤積深度較大的區(qū)域位于南支入口的豫章大橋到洲頭村的河道(斷面553到斷面566之間)，淤積區(qū)域平均淤積深度為0.86 m，最大淤積深度為3.17 m位于豫章大橋上游大致300 m處的斷面553。洲頭村下游區(qū)域淤積情況較上游要少，淤積區(qū)域平均淤積深度為0.28 m，最大淤積深度為1.36 m位于贛江南支大橋上游約2.3 km處的斷面594處。南支試驗(yàn)測量區(qū)域內(nèi)淤積區(qū)域平均淤積深度為0.48 m。

圖10 工程后南支淤積演變過程

在20 a淤積試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取若干典型淤積斷面，通過分析典型斷面上的淤積分布情況來研究贛江尾閭南支泥沙淤積分布規(guī)律。選取典型淤積斷面553、斷面559、斷面565、斷面569、斷面578，并將斷面原始地形與淤積試驗(yàn)20 a后地形進(jìn)行比較，如圖11所示。南支的在深槽淤積主要集中在上游的深槽區(qū)域。但是隨著河道走勢發(fā)生彎曲，在河道凸岸下游附近偏向河岸方向淤積深度較大，比如斷面559、斷面565。南支下游區(qū)域淤積量逐漸減少，淤積主要還是集中在深槽區(qū)域。南支淤積試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過20 a的河道演變，南支相對(duì)穩(wěn)定并未發(fā)現(xiàn)深泓有明顯偏移的斷面。

3.3 對(duì)河道深泓線的影響分析

工程對(duì)河床演變的影響主要表現(xiàn)為改變了上游河床縱向沖刷、河床下切的趨勢，局部調(diào)整了河道岸線和深泓線，但是總體上河勢穩(wěn)定少變。由于左右岸的堤防限制，岸線相對(duì)穩(wěn)定。然而由于上游河段的淤積導(dǎo)致的河道斷面調(diào)整，使得中枯水時(shí)期上游岸線局部變化大。工程前中枯水期岸線變化主要是由斷面下切導(dǎo)致的岸線有向深泓縮窄的趨勢。而工程后則是由于淤積作用導(dǎo)致斷面深泓線抬高，岸線的變化趨勢由向深泓縮窄變成擴(kuò)張。河床演變主要集中在中、枯水期河床洲灘深泓線(主流線)的變化。贛江尾閭綜合整治工程實(shí)施后，由于河床斷面的淤積變化，尾閭上游區(qū)域深泓線在水平方向和垂向均有所調(diào)整，但是變化幅度不會(huì)超出原深槽范圍。此外河道頂沖段受到堤防的限制，尾閭河道的河勢總體基本穩(wěn)定。 其中工程后深泓線水平方向和垂向的變化情況如圖12所示。

圖11 工程后南支典型淤積斷面地形

圖12 20年后贛江尾閭深泓線變化

4 結(jié) 論

(1) 贛江尾閭綜合整治工程實(shí)施后，上游部分河道演變趨勢由沖轉(zhuǎn)淤。預(yù)計(jì)工程實(shí)施20 a后干流和西河主要淤積區(qū)域位于西河上游贛江大橋到泥家洲附近的河道，淤積區(qū)域內(nèi)的平均淤積深度為1.10 m。東河中支主要淤積區(qū)域位于中支贛江大橋到上房村之間的河道，淤積區(qū)域平均淤積深度為1.48 m。東河南支主要淤積區(qū)域位于豫章大橋到洲頭村的河道，淤積區(qū)域平均淤積深度為0.86 m。淤積主要還是集中的深槽以及河道凸岸下游區(qū)域，河道頂沖段受到堤防的限制，因此尾閭河道的河勢總體基本穩(wěn)定。

(2) 贛江尾閭綜合整治工程實(shí)施后，尾閭上游區(qū)域深泓線在水平方向和垂向均有所調(diào)整，但是變化幅度不會(huì)超出原深槽范圍。深泓線變化主要是垂向變化以抬高為主，水平方向的變化符合凹岸頂沖區(qū)沖刷，凸岸下游回流區(qū)淤積的一般規(guī)律。

(3) 從淤積試驗(yàn)結(jié)果來看淤積河段有著緩慢向下游移動(dòng)的趨勢，但是整體下移速度緩慢，泥沙淤積短期內(nèi)不會(huì)導(dǎo)致尾閭下游河床斷面發(fā)生較大的調(diào)整，對(duì)緩解尾閭下游斷面下切會(huì)起到一定的積極作用。