考慮河道演變影響河道治理寬度確定

嚴(yán)恒恒

（深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518000）

1 引言

河道綜合治理工程目的在于改善河道行洪情況,保障岸坡穩(wěn)定性。河道治理寬度是影響工程施工效果的重要參數(shù)[1-3]。因此,在工程實(shí)踐中需要結(jié)合河道具體情況,選取適宜的治理寬度,保障工程質(zhì)量。

工程起點(diǎn)為南營(yíng)水庫(kù)下游泄洪洞出口,末點(diǎn)為連霍高速橋。工程區(qū)河道長(zhǎng)度為14.5 km。南營(yíng)水庫(kù)位于武威市走廊南山山前,距武威市20 km,項(xiàng)目區(qū)臨近縣道151、國(guó)道312,交通十分便利。金塔河沿途兩岸涉及新華、金塔、和平、高壩4 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)50 個(gè)村427 個(gè)組、20334 戶、農(nóng)業(yè)人口85157 人、非農(nóng)業(yè)人口2375 人。本次治理的上游段兩岸大多是農(nóng)田、村莊,河道能否安全行洪不僅影響金塔河農(nóng)防段防洪安全,還直接影響城區(qū)的防洪安全,在流域整體防洪體系中占據(jù)重要的地位。

2 河道演變及河相分析

2.1 造床流量Q

根據(jù)金塔河流域特征、實(shí)測(cè)斷面等資料采用1.5 年一遇洪水設(shè)計(jì)洪峰流量法和平攤流量法計(jì)算造床流量。

（1）1.5 年一遇洪水法

根據(jù)金塔河流域特征及基本資料情況采用1.5 年一遇洪水設(shè)計(jì)洪峰流量法,南營(yíng)水庫(kù)至連霍高速橋段造床流量為91.5 m3/s。

（2）平灘流量法

根據(jù)工程區(qū)河槽的實(shí)測(cè)斷面,南營(yíng)水庫(kù)至連霍高速橋段造床流量為88.7 m3/s。

將以上兩種計(jì)算方法算出的造床流量進(jìn)行對(duì)比分析,再根據(jù)河流特征及現(xiàn)狀調(diào)查情況,確定采用1.5 年一遇洪水法計(jì)算的成果,因此,南營(yíng)水庫(kù)至連霍高速橋段的造床流量采用91.5 m3/s。

2.2 河相關(guān)系

河相關(guān)系是指河槽斷面形態(tài)與流域來(lái)水、來(lái)沙等因素之間的關(guān)系,河相關(guān)系按下式確定：

式中：ζ為河相系數(shù)；B 為平灘水位時(shí)河寬,m,取66m；h 為平灘水深,m,取1.05 m。

計(jì)算得河相系數(shù)ζ=8.1。對(duì)工程治理段河道斷面進(jìn)行分析計(jì)算,河段屬蜿蜒型河道和順直型河道之間的過(guò)渡性河段（蜿蜒型河道ζ約為2～4,較為順直的過(guò)渡性河段約為8～12,游蕩型河道ζ約為20～30）。通過(guò)以上河床演變分析可知,治理河段河勢(shì)總體穩(wěn)定,局部失穩(wěn)。河道凸岸淤積,凹岸沖刷。

3 河床的穩(wěn)定性分析

（1）洪沖枯淤

彎道縱向變形是洪水期沖刷、枯水期淤積,而過(guò)渡段則相反。年內(nèi)輸沙量雖然不能達(dá)到完全的平衡,但就較長(zhǎng)時(shí)期平均輸沙量而言,縱向輸沙量是基本平衡的。

河床縱向穩(wěn)定系數(shù)φh按下式計(jì)算：

式中：d 為床沙平均粒徑,m；h 為平攤水深,m；J 為河道縱比降。

表1 河床縱向穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料可知,縱向穩(wěn)定系數(shù)較大,河床愈穩(wěn)定,治理段河床縱向穩(wěn)定系數(shù)均較大,說(shuō)明河床縱向穩(wěn)定較穩(wěn)定,河道底坡可不做大的調(diào)整。

（2）凹岸崩退、凸岸淤長(zhǎng)

由于橫向環(huán)流作用,水流流向并沖刷凹岸,導(dǎo)致凹岸坍塌后退；坍塌下來(lái)的泥沙使凸岸不斷淤積。

橫向穩(wěn)定系數(shù)與河岸穩(wěn)定密切有關(guān),主要是主流頂沖地點(diǎn)及其走向和河岸土壤抗沖能力。按下式計(jì)算：

式中：Q 為平攤流量,m3/s,與造床流量相當(dāng)；J 為河道縱比降；B 為平攤水位時(shí)河寬。

表2 河床橫向穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料可知,本河段的河床橫向穩(wěn)定系數(shù)小于1,說(shuō)明河床橫向穩(wěn)定性較差,河岸不大穩(wěn)定,彎曲河岸（凹岸）易受水流沖刷,橫向變形較大。

（3）綜合穩(wěn)定系數(shù)

綜合穩(wěn)定系數(shù)可反映河道的整體穩(wěn)定性,可按下式計(jì)算：

計(jì)算得φ=0.33,說(shuō)明本工程治理段河床整體穩(wěn)定性較差,河床不穩(wěn)定。

4 河道演變及河勢(shì)分析

河床演變是水流與河床相互作用的結(jié)果。水流與河床處在不停的變化之中,當(dāng)修筑水工建筑物后,河床的變化才受到制約。根據(jù)調(diào)查,歷史上金塔河河床演變復(fù)雜,河床縱向變形為強(qiáng)烈沖刷和淤積,橫向變形為大幅平面擺動(dòng)。水流受坡降、河床寬窄等因素影響,沖刷河床和攜沙能力也不盡相同,從而就會(huì)使河道發(fā)生變化。

蜿蜒彎曲形河道成因。河道形態(tài)通常從以下幾個(gè)方面進(jìn)行描述：一是平面形態(tài),二是河床縱削面形態(tài),三是河床橫剖面形態(tài),四是河床地貌,五是造床流量,六是河床穩(wěn)定性系數(shù)。蜿蜒彎曲河型成因研究可歸結(jié)為兩類。一類純粹討論水流本身彎曲運(yùn)動(dòng)的原因；另一類統(tǒng)計(jì)流域因素影響包括：地理環(huán)境、河床的土質(zhì)組成及其結(jié)構(gòu)對(duì)塌岸的強(qiáng)弱。河段床沙質(zhì)和輸沙基本平衡,有利于蜿蜒性河段的形成,從來(lái)水條件看,流量是影響河勢(shì)演變的主要因素之一。洪水期比降平緩,灘面有植被,否則易于切灘,水流自然,不受邊界約束。

蜿蜒形河段的演變規(guī)律。蜿蜒形河段演變最本質(zhì)的問(wèn)題則是在環(huán)流作用下橫向輸沙不平衡。當(dāng)上下游河彎的這種演變過(guò)程由于某種原因,如河岸組成不均勻,成份不一致時(shí),往往出現(xiàn)S 形河彎,這種S 形河彎,同一岸相鄰兩個(gè)彎頂之間的距離逐漸縮短,形成河環(huán),河環(huán)的起點(diǎn)和終點(diǎn)（狹頸）兩端水位高差較大,一遇漫灘水流,就可能沖開發(fā)展成新河,這就是自然裁彎。

蜿蜒彎曲形河道的不利影響：第一,彎道減緩了水流的沖擊力,對(duì)河道良性發(fā)育不利；第二,局部彎道頂沖防洪堤,護(hù)岸安全受到威脅易發(fā)生決口；第三,下游灘地多為莊稼地,蜿蜒形河道占去了農(nóng)田；第四,影響水文觀測(cè)斷面設(shè)立及水文測(cè)驗(yàn)；第五,彎道變化移動(dòng)使臨時(shí)橋梁和灘地建筑物受到影響而被迫遷移。

蜿蜒彎曲形河道治理措施裁彎是裁去河道的彎曲部分,使水流順直。為防止自然裁彎所帶來(lái)的弊害,許多河流采用了人工措施河道裁彎取直；修建生態(tài)防洪治理工程體系是治理彎道的重要措施。河道生態(tài)防洪治理工程的修建,阻止了大范圍的河勢(shì)變遷,防止了護(hù)岸沖決發(fā)生的條件,降低了河道順堤行洪的風(fēng)險(xiǎn),穩(wěn)定了排洪輸沙的主槽,遏制了不利河勢(shì)的發(fā)展,提高了防洪安全。但是,河流是動(dòng)態(tài)的,來(lái)水來(lái)沙是隨機(jī)的,生態(tài)防洪治理工程體系不會(huì)一勞永逸,修建好的防洪護(hù)岸還要常檢查常維護(hù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決新問(wèn)題。

（1）治導(dǎo)線。布置治導(dǎo)線時(shí)必須滿足安全、經(jīng)濟(jì)、通暢泄洪的要求,同時(shí)考慮河相關(guān)系,不改變現(xiàn)有河型,并盡量顧及原有河岸線和枯水河槽的彎曲形態(tài),充分利用現(xiàn)有橋梁、河堤等工程,力求上、下游相互呼應(yīng)、平順銜接,與具有控制作用的河段相銜接,左、右岸兼顧,少占或盡量不占地,從安全性、現(xiàn)實(shí)性和經(jīng)濟(jì)合理性的要求出發(fā),確定合理的治導(dǎo)線。以20 年一遇洪水流量311 m3/s 作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),以洪水整治線確定水庫(kù)至連霍高速橋段的堤線。

（2）穩(wěn)定河寬確定穩(wěn)定河寬的確定可以采用兩種方法計(jì)算比較,第一種水流阻力公式,第二種為采用阿爾圖寧公式計(jì)算。根據(jù)河床走勢(shì),取一個(gè)典型斷面縱坡進(jìn)行計(jì)算,縱坡為0.02。造床流量為91.5 m3/s,糙率為0.045。

1）水流阻力公式：采用水流阻力公式、水流連續(xù)方程及河相關(guān)系聯(lián)立求解計(jì)算：

式中：A 為穩(wěn)定河寬系數(shù),取1.5；Q 為造床流量,m3/s；J 為河床比降,‰。

表3 穩(wěn)定河寬計(jì)算表

根據(jù)兩種公式計(jì)算,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查可知,該治理河段河床為沖洪積砂卵礫石,現(xiàn)狀河道主河槽寬度為88 m～320 m,結(jié)合金塔河現(xiàn)狀河岸地形條件,最終選定本工程治理河寬為不小于88 m。

5 結(jié)論

根據(jù)金塔河流域?qū)嶋H情況,治理河段的河勢(shì)總體上是穩(wěn)定的,不會(huì)發(fā)生大的河槽變遷,凸岸淤積,凹岸沖刷；河床縱向穩(wěn)定系數(shù)均較大,河床縱向較穩(wěn)定。治理河段河床為沖洪積砂卵礫石,現(xiàn)狀河道主河槽寬度為88 m～320 m,結(jié)合金塔河現(xiàn)狀河岸地形條件,最終選定本工程治理河寬為不小于88 m。