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。

工程起點為南營水庫下游泄洪洞出口,末點為連霍高速橋。工程區(qū)河道長度為14.5 km。南營水庫位于武威市走廊南山山前,距武威市20 km,項目區(qū)臨近縣道151、國道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 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)50 個村427 個組、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、實測斷面等資料采用1.5 年一遇洪水設(shè)計洪峰流量法和平攤流量法計算造床流量。

（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)計洪峰流量法,南營水庫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)河槽的實測斷面,南營水庫至連霍高速橋段造床流量為88.7 m3/s。

將以上兩種計算方法算出的造床流量進行對比分析,再根據(jù)河流特征及現(xiàn)狀調(diào)查情況,確定采用1.5 年一遇洪水法計算的成果,因此,南營水庫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)與流域來水、來沙等因素之間的關(guān)系,河相關(guān)系按下式確定：

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

計算得河相系數(shù)ζ=8.1。對工程治理段河道斷面進行分析計算,河段屬蜿蜒型河道和順直型河道之間的過渡性河段（蜿蜒型河道ζ約為2～4,較為順直的過渡性河段約為8～12,游蕩型河道ζ約為20～30）。通過以上河床演變分析可知,治理河段河勢總體穩(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,而過渡段則相反。年內(nèi)輸沙量雖然不能達到完全的平衡,但就較長時期平均輸沙量而言,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)計算表

根據(jù)以上計算結(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

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及其走向和河岸土壤抗沖能力。按下式計算：

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 為平攤水位時河寬。

表2 河床橫向穩(wěn)定系數(shù)計算表

根據(jù)以上計算結(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,可按下式計算：

計算得φ=0.33,說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,河床縱向變形為強烈沖刷和淤積,橫向變形為大幅平面擺動。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)通常從以下幾個方面進行描述：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動的原因；另一類統(tǒng)計流域因素影響包括：地理環(huán)境、河床的土質(zhì)組成及其結(jié)構(gòu)對塌岸的強弱。河段床沙質(zhì)和輸沙基本平衡,有利于蜿蜒性河段的形成,從來水條件看,流量是影響河勢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程由于某種原因,如河岸組成不均勻,成份不一致時,往往出現(xiàn)S 形河彎,這種S 形河彎,同一岸相鄰兩個彎頂之間的距離逐漸縮短,形成河環(huán),河環(huán)的起點和終點（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,對河道良性發(fā)育不利；第二,局部彎道頂沖防洪堤,護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,影響水文觀測斷面設(shè)立及水文測驗；第五,彎道變化移動使臨時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變遷,防止了護岸沖決發(fā)生的條件,降低了河道順堤行洪的風(fēng)險,穩(wěn)定了排洪輸沙的主槽,遏制了不利河勢的發(fā)展,提高了防洪安全。但是,河流是動態(tài)的,來水來沙是隨機的,生態(tài)防洪治理工程體系不會一勞永逸,修建好的防洪護岸還要常檢查常維護,及時發(fā)現(xiàn)、解決新問題。

（1）治導(dǎo)線。布置治導(dǎo)線時必須滿足安全、經(jīng)濟、通暢泄洪的要求,同時考慮河相關(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)實性和經(jīng)濟合理性的要求出發(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)計標(biāo)準(zhǔn),以洪水整治線確定水庫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算。根據(jù)河床走勢,取一個典型斷面縱坡進行計算,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)定河寬計算表

根據(jù)兩種公式計算,結(jié)合現(xiàn)場勘查可知,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,治理河段的河勢總體上是穩(wěn)定的,不會發(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。