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(kù)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(lái)贛江水文情勢(shì)的改變對(duì)下游尾閭地區(qū)帶來(lái)一系列的問(wèn)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(zhǎng)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(shì)必造成上游的閘上淤積。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者建立河工模型[1-3]研究泥沙淤積演變過(guò)程；徐霖玉等[4]研究了無(wú)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(shì)見(jiàn)圖1)，干流段水沙條件改變勢(shì)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(shì)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(zhǎng)度約180 m，模型主要比尺見(jiàn)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(wú)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(guò)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(kāi)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(guò)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(wú)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(guò)程，在模型上將逐日流量過(guò)程概化為若干階梯(見(jiàn)圖2)，并按照流量概化區(qū)段將各支尾門水位過(guò)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(guò)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(guò)程見(jiàn)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(guò)程，繪出沖淤地形圖，與原型2009年5月實(shí)測(cè)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(guò)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(shì)和間斷位置與長(zhǎng)度均與實(shí)測(cè)地形相近。6 m深槽在八一橋附近貼靠左側(cè)邊岸，經(jīng)過(guò)昌北碼頭和水泥廠后逐漸過(guò)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(shì)、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(shì)與原型2009年5月實(shí)測(cè)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(jiàn)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(jiàn)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(wàn)安水庫(kù)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(lái)選擇典型年。經(jīng)過(guò)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(wàn)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(wàn)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(guò)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(cè)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(guò)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(guò)分析典型斷面上的淤積分布情況來(lái)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(shì)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(shì)，淤積深度在逐年增加(見(jiàn)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(guò)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(guò)分析典型斷面上的淤積分布情況來(lái)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(jiàn)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(cè)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(guò)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(guò)分析典型斷面上的淤積分布情況來(lái)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(shì)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(guò)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(shì)，局部調(diào)整了河道岸線和深泓線，但是總體上河勢(shì)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(shì)。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(shì)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(shì)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(shì)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(shì)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(lái)看淤積河段有著緩慢向下游移動(dòng)的趨勢(shì)，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。