黃河寧夏典型彎道段河道整治試驗研究

劉丹丹， 呂歲菊， 呂陽川

(北方民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

丁壩具有導(dǎo)流、護(hù)岸、防沖和穩(wěn)定河勢的作用，是河道整治工程中常見的水工建筑物[1]，水流經(jīng)過彎道時所形成的螺旋流會改善彎道內(nèi)的水流流態(tài)，需在彎道內(nèi)布設(shè)丁壩[2].為此，許多學(xué)者對彎道水流特性以及在彎道內(nèi)布設(shè)丁壩后的水流流態(tài)進(jìn)行了大量研究,楊蘭等采用Flow-3D軟件，對上挑丁壩群附近流場及局部沖刷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得出了計算丁壩群的湍流模型和推移質(zhì)輸沙率模型[3].喻濤測量了丁壩橫向沖坑的發(fā)展過程[4].顧杰采用超聲波水位和PIV流速測量技術(shù)，在U形水槽中研究了丁壩對彎道水流特性的影響及壩后回流區(qū)長度與彎道進(jìn)口處凹岸平均流速之間的線性關(guān)系[5].楊旭亮建立了實際河道丁壩群中的雙丁壩三維數(shù)學(xué)模型，采用CFD 數(shù)值模擬方法對比分析了雙丁壩協(xié)同工作時的水沙運(yùn)動特性[6].蘇偉等通過不同形式的丁壩對水流的紊流特性及丁壩附近的沖刷程度進(jìn)行了試驗研究，得出紊動動能及紊動強(qiáng)度可以反映水流紊動對丁壩附近的沖刷情況[7].然而各種水工建筑物的興建，都能在一定程度上使河流的水流情況和河床情況發(fā)生相應(yīng)的變化，因此在河道整治、興建河工建筑物后，需要對可能發(fā)生的水流結(jié)構(gòu)改變、河床變形等做定性和定量研究.目前，對河道整治中丁壩的研究大多是數(shù)值模擬和物理模型試驗，而非實際工程中復(fù)雜的天然河道.本文主要基于黃河平羅四排口彎曲河段(圖1)上布設(shè)11座水工丁壩(圖2)的工程實踐，對河道水流流速、河床變化、懸移質(zhì)泥沙粒徑、含沙量及沖淤等情況進(jìn)行現(xiàn)場勘察、數(shù)據(jù)分析、二維地形圖繪制，從而對比枯水期前、后河道的變化規(guī)律及泥沙淤積等情況.以期通過上述分析為實際工程及河道截流和整治提供一定的參考[8—9].

圖1 黃河平羅四排口河段河岸衛(wèi)星圖

1 現(xiàn)場觀測

1.1 主要儀器設(shè)備

美國SonTek公司的走航式聲學(xué)多普勒測流儀(M9)，俗稱“河貓”，是一套完整的河水流量測量數(shù)據(jù)裝置，由ADCP主機(jī)、無線擴(kuò)頻電臺、可拖拽式三體船以及操作軟件組成.該設(shè)備流速測量范圍為±20 m/s，精度為±0.25%，具有獨立的垂直波束測深，可測水深范圍0.2～80 m，測量誤差小、精度較高[10].

Bettersize 2000激光粒度分布儀，依據(jù)米氏散射理論，采用單光束雙鏡頭技術(shù)，測量粒徑范圍為0.02～2 000 μm，采用計算機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)測試、清洗、保存等自動化操作.

圖2 黃河平羅四排口河段新增丁壩示意圖

1.2 斷面布置

以整治后的河道為研究對象，對水流及河床進(jìn)行實測，沿河道縱向共設(shè)置了12個典型斷面，布置位置見圖3.

圖3 黃河平羅四排口河段河岸及斷面示意圖

2 實測數(shù)據(jù)分析

2018年11月21日，對研究區(qū)域(C01～C12)共12個典型斷面進(jìn)行實地勘測，測量了各斷面水位、河床高程、斷面面積、懸移質(zhì)泥沙級配及不同水深處的三維流速等數(shù)據(jù).表1給出了12個典型斷面的水位、流量、最大水深、平均水深、河寬、平均流速、最大流速等數(shù)據(jù).

表1 2018年11月21日實測數(shù)據(jù)匯總表

由表1可知：11月處于枯水期，平均流量683.364 5 m3/s，平均水深4.736 m，平均流速0.937 m/s，水位從上游至下游呈現(xiàn)沿程遞減的趨勢，水面寬最高達(dá)372.26 m.由于丁壩集中在C02～C05，水流對左岸的沖刷作用較大，因而C05的平均流速最大.此外，河道右岸灘地開挖引河寬度相對原始河道較小，當(dāng)水流由上游流入引河時，由于過流斷面減少,出現(xiàn)水面壅高的現(xiàn)象，C06的水深最大.

2.1 實測河床高程及垂線平均流速

圖4給出了典型斷面河床高程及斷面平均流速分布情況.

圖4 典型斷面處垂線平均流速與河床高程套匯圖

圖4中所有斷面左岸為凹岸，右岸為凸岸，從圖4可以看出：斷面C01位于研究區(qū)域的上游，屬于原始河道，流速分布較為均勻，左、右岸略有沖刷，中間出現(xiàn)淺灘；斷面C02～C05布置在4#、5#、6#、7#、8#、9#丁壩附近處，最大水深靠近左岸，最深可達(dá)6 m，且左岸流速較大，左岸沖刷；斷面C06位于11#丁壩的末端，斷面河床高程和水流流速分布均勻，河床基本呈“V”形分布，流速中間大兩邊小，最大水深達(dá)8.35 m；斷面C07～C11處于引河中下游位置，屬于水流調(diào)整的過渡段，最大水深呈現(xiàn)出向右岸偏移的趨勢，最大流速也逐漸向右岸調(diào)整；C12處于引河下游，水流匯入原始河道，水工裁彎取直成功，水流順直，河槽呈“V”形.

2.2 懸移質(zhì)泥沙分布

2018年11月對12個典型斷面靠近左岸、右岸及中心位置進(jìn)行取樣，利用激光粒度分析儀分別進(jìn)行粒度分析，得到了各斷面不同位置處的懸移質(zhì)泥沙[11—12]，(表2).由于篇幅所限，圖5只給出了斷面C02，C03，C04，C05泥沙的顆粒級配曲線，圖6給出了所有斷面懸移質(zhì)泥沙中值粒徑、含沙量與平均流速對比圖.圖7為兩次實測斷面河床變化.

表2 2018年各斷面懸移質(zhì)泥沙粒徑及含沙量

圖5 四排口懸移質(zhì)泥沙粒徑級配曲線

圖6 各斷面平均流速與中值粒徑、含沙量套匯圖

圖7 典型斷面實測地形對比圖

由表2可以看出，河道左岸、河道中心、河道右岸的泥沙顆粒平均中值粒徑分別為16.748， 15.196，13.442 μm.整體上，左岸中值粒徑大于斷面中心和右岸的中值粒徑，說明水流主流靠近左岸，左岸流速較大，造成左岸出現(xiàn)沖刷、右岸出現(xiàn)淤積的趨勢.

通過分析各個斷面懸移質(zhì)泥沙的分布和各斷面平均流速，由圖6可知：流速較大時，增大水流挾沙力，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑隨之增大，水中含沙量增大[13]；反之，流速較小時，水流挾沙力減弱，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑隨之較小，水中含沙量減小.由此可見，垂線平均流速是懸移質(zhì)泥沙粒徑分布及含沙量的主要影響因素[14].

2.3 實測河床高程比較

基于水力學(xué)、河流動力學(xué)相關(guān)知識，并采用MATLAB模擬計算，圖7給出了2018年10月和2018年11月的實測河床高程變化過程.圖7進(jìn)一步描述了黃河寧夏四排口河段水沙運(yùn)動過程及河床變化規(guī)律.

從圖7可以看出：斷面C01位于研究河段的上游，河道較寬，約為278 m，平均流速為0.917 m/s，2018年10月至11月河道主槽向左岸偏移約50 m，水深變淺，左岸沖刷、右岸淤積；斷面C02,C03,C04緊靠丁壩左岸，在流量變小的情況下，河寬變窄，河道主槽依然向左岸發(fā)展，右岸出現(xiàn)大面積淺灘，淤積嚴(yán)重；斷面C06,C07,C08位于引河中游段，水流主流逐漸向右岸發(fā)展，河道主槽呈現(xiàn)向右岸發(fā)展的趨勢；斷面C10,C11,C12位于引河下游，與原始河道銜接，河道主槽仍在左岸附近.

圖8給出了12個斷面的深泓點，通過插值的方法得到了所研究河道的深泓線[15—16].

圖8 河岸深泓線示意圖

由河道深泓線分布(圖8)可以看出，該河段經(jīng)過河道整治后，河道主槽靠近左岸.斷面C06，C07段受上游段丁壩的頂沖作用，主槽呈現(xiàn)出向右岸發(fā)展的趨勢，而失去丁壩的作用后，主槽依然會向左岸發(fā)展.

3 結(jié)論

黃河寧夏典型彎曲河段經(jīng)過河道整治后，于2018年10月、11月對該河段12個典型斷面的水深、流速、懸移質(zhì)泥沙粒徑及含沙量等進(jìn)行了實測和分析，得出以下結(jié)論：

1)斷面C01流速分布較為均勻，左、右岸都略有沖刷，中間出現(xiàn)淺灘；斷面C02～C05最大水深靠近左岸處，最大水深可達(dá)6 m，且左岸流速較大，左岸沖刷；斷面C06水流流速分布均勻，河床基本呈“V”形分布，最大水深達(dá)8.35 m；斷面C07～C11最大水深呈現(xiàn)出向右岸偏移的趨勢；斷面C12匯入原始河道，水工裁彎取直成功，水流順直.

2)靠近河道左岸、中心、右岸的平均中值粒徑分別為16.748，15.196，13.442 μm.靠近左岸的中值粒徑大于斷面中心和右岸的中值粒徑，說明左岸流速較大，水中含沙量較大，左岸呈現(xiàn)出沖刷的趨勢.

3)該河段經(jīng)過河道整治后，河道主槽靠近左岸，2018年10月至11月，河道主槽向左岸偏移約50 m.斷面C06,C07段受上游段丁壩的頂沖作用，主槽呈現(xiàn)出向右岸發(fā)展的趨勢，在失去丁壩的作用后，主槽依然會向左岸發(fā)展.