游蕩型河道控導(dǎo)整治方案研究

王克強(qiáng)

(阿克蘇塔河源勘測設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

河道控導(dǎo)整治是在總體規(guī)劃下，調(diào)整局部河床形態(tài)和水流結(jié)構(gòu)，以控制河床朝有利方向發(fā)展[1]。游蕩型河道在水流頂沖的作用下經(jīng)常出現(xiàn)畸形河灣，造成部分河段脫河或半脫河。出現(xiàn)此種情況除了工程不完善外，整治流量、工程間距、彎道半徑等設(shè)計(jì)參數(shù)不合理均是導(dǎo)致工程對河勢控制不力的主因[2]。因此，河道整治的根本任務(wù)是控導(dǎo)河勢，其也是河道整治的出發(fā)點(diǎn)和回歸點(diǎn)。

塔里木河屬典型的游蕩型河道，頻繁變化的主流沖刷、頂沖河岸，造成岸上耕地、連隊(duì)基礎(chǔ)設(shè)施坍塌損失嚴(yán)重。通過控導(dǎo)治理，以有效控制主流游蕩范圍，盡量歸順河勢，減輕塌岸引起的損失。在確定控導(dǎo)線位置時，盡可能與現(xiàn)實(shí)的河道平面形態(tài)相協(xié)調(diào)，且上下游結(jié)合，左右岸兼顧，使治導(dǎo)工程有河岸等可靠的依托，避免過分對原河道水流的干涉，而加劇河道的演變。

1 河道概況

塔里木河(簡稱塔河)流域位于西北干旱內(nèi)陸盆地，新疆維吾爾自治區(qū)南部。流域包含塔里木盆地的九大水系和塔河干流、東部荒漠區(qū)和塔克拉瑪干沙漠，流域總面積102.6萬km2。塔河由阿克蘇河、葉爾羌河及和田河三條支流匯合而成，干流長1321 km，包括支流塔河全長2179 km，尾部注入臺特馬湖。塔河上游兩岸主要分布著第一師最大的灌區(qū)——塔里木灌區(qū)和阿拉爾市。塔里木灌區(qū)、阿拉爾市城區(qū)傍河而建，由于塔河河床及河岸土質(zhì)以粉砂為主，抗沖刷能力差、河水含沙量大，最大沖刷坑常達(dá)11.2 m，游蕩型特性表現(xiàn)為汛期河道主流擺動沖頂河岸，導(dǎo)致兩岸高灘隨處坍塌，嚴(yán)重威脅阿拉爾市及沿河團(tuán)場的生產(chǎn)經(jīng)營活動、人民群眾的正常生活和生命安全。塔里木河流域水系分布見圖1。

圖1 塔里木河流域水系圖

2 控導(dǎo)整治方案

按照以河道現(xiàn)行流路為基礎(chǔ)、中水整治、因勢利導(dǎo)、以彎導(dǎo)流的原則繪制治導(dǎo)線。河道整治的核心和前提是科學(xué)確定治導(dǎo)線，其關(guān)系到整治方案的合理性、防洪效益是否顯著。治導(dǎo)線以兩條曲直相連的平行線落地，在規(guī)劃過程中，應(yīng)深入研究設(shè)計(jì)造床流量、設(shè)計(jì)河寬、河灣要素和排洪河槽寬度等核心參數(shù)。

2.1 設(shè)計(jì)造床流量

設(shè)計(jì)造床流量深刻影響著洪水對河灣形態(tài)的塑造，也是河道整治過程中的重要指標(biāo)之一。造床流量目前還沒有嚴(yán)格的理論推導(dǎo)公式，通常采用馬卡維也夫法或平攤流量法，對于泥沙含量大的河流也可采用輸沙能力法計(jì)算。受水文觀測資料制約，塔河阿拉爾段擬采用馬卡維耶夫法計(jì)算造床流量，結(jié)合汛期平均流量法復(fù)核，力求造床流量的選用科學(xué)合理。

2.1.1 馬卡維也夫法

按照同一數(shù)量級將計(jì)算河段觀測的歷年流量分為不同的流量級，并繪制Q-QmJP關(guān)系曲線圖，見圖2。在圖中查詢Q-QmJP的最大值相對應(yīng)的最大流量Q值即為造床流量。其中Q表示所劃分各等級流量的均值，J為各級流量下相應(yīng)的比降。

根據(jù)觀測，塔河阿拉爾段洪水波峰沿著河道向下游傳遞的附加比降極小，加之河床漲沖落淤的水位變化抵消了附加比降影響，所以，洪水期各級流量的比降變化不大，統(tǒng)一按照1/4600取值。根據(jù)馬卡維也夫法計(jì)算出阿拉爾造床流量為1200 m3/s。

圖2 塔里木河阿拉爾站Q-QmJP關(guān)系曲線圖

2.1.2 汛期平均流量法

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表述[3]，在塑造河灣形態(tài)過程中，較平攤流量更小的流量其主要作用。采用長科院羅敏遜法計(jì)算年平均流量或者最大洪峰月份的平均流量，以復(fù)核造床流量。

Q造=5.7Q汛0.878

根據(jù)河段阿拉爾水文站歷年汛期的平均流量資料計(jì)算出阿拉爾造床流量1097 m3/s。

2.1.3 造床流量確定

根據(jù)馬卡維也夫法和汛期平均流量法核算出的造床流量成果見表1。

表1 塔里木河阿拉爾站斷面造床流量計(jì)算成果表

因此，通過上述綜合分析比較，本次設(shè)計(jì)采用Q=1000 m3/s作為設(shè)計(jì)造床流量較為合適。

2.2 直河段設(shè)計(jì)河寬B

鑒于微灣型河道的整治工程通常僅單岸布設(shè)，在大中型洪水時直河段和彎曲可以自由漫灘，造成河寬有較大變幅，因此設(shè)計(jì)河寬通常是一個虛擬值。采用關(guān)系式(1)計(jì)算設(shè)計(jì)河寬：

(1)

式中：A1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取15.6；X1為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，取0.39；Q為造床流量，為1000 m3/s；B為造床流量時的河段平均寬度m；J為河床縱比降，為1/4600；D為床沙中值粒徑，為0.0001 m；則根據(jù)上式計(jì)算出B=608 m。

為使設(shè)計(jì)河寬參數(shù)更加合理化，結(jié)合阿拉爾水文站歷年中與造床流量較為接近的洪水流量，實(shí)測其水面寬度，得到平槽河寬在260 m～980 m范圍內(nèi)變化，結(jié)合實(shí)測資料，本次塔里木河上游段直河段設(shè)計(jì)河寬B取600 m。

2.3 排洪河槽寬度B洪的確定

以防塌岸為主要目的的河道整治，在確定新建工程位置時，左右岸之間的最小垂直距離必須滿足排洪要求，也就是兩岸工程之間必須預(yù)留足夠的寬度，以便在大洪水時，河槽能宣泄大部分洪水，這個寬度稱為排洪河槽寬度，以B洪表示。

黃河下游河道整治過程中，確定排洪河槽寬度主要考慮滿足洪水通過要求、穩(wěn)定河勢要求及滿足沖淤調(diào)節(jié)能力等。在后期布設(shè)工程時，要求兩岸工程間的防洪寬度不得小于排洪河槽寬，且洪水不得引起河勢明顯變化?？紤]本工程河段的實(shí)際情況，通過統(tǒng)計(jì)阿拉爾水文站測流斷面歷年過大洪水時的實(shí)測水面寬度并參考黃河下游河道整治經(jīng)驗(yàn)，確定塔河上游段排洪河槽寬度B洪≥1500 m。

2.4 河彎要素的確定

河灣要素主要由中心角φ、彎曲半徑R、河彎間距L、直河段長l、河彎跨度T及彎曲幅度P組成，參數(shù)大小是設(shè)計(jì)河寬的函數(shù)。

依據(jù)護(hù)岸工程主流位置及河勢穩(wěn)定性，可判別河灣要素是否為較好的整治流路。參照黃河下游游蕩型河段的整治經(jīng)驗(yàn)，河灣要素按照如下關(guān)系確定：直河段長l=(1～3)B；彎曲半徑R=(3～5)B；河彎間距L=(5～8)B；河彎跨度T=(9～15)B；彎曲幅度P=(2～4)B；為了方便控制河勢，轉(zhuǎn)彎半徑取直河段河寬的3～5倍。

2.5 治導(dǎo)線擬定

確定設(shè)計(jì)河寬及各河彎要素變化范圍后，即可擬定治導(dǎo)線。從整治河段進(jìn)口開始逐段逐灣擬定，直至整治河段的末端。

整治河段治導(dǎo)線擬定后，通過對比分析天然河灣個數(shù)、彎曲系數(shù)、河灣形態(tài)、導(dǎo)流能力、已有工程利用程度等論證治導(dǎo)線的合理性，進(jìn)而依照治導(dǎo)線確定工程位置線及長度，計(jì)算工程量。由兩條曲直相間的平行線組成的治導(dǎo)線，其直河段設(shè)計(jì)河寬、設(shè)計(jì)造床流量、河灣要素及排洪河槽寬度等參見圖3、圖4。經(jīng)分析和計(jì)算，本工程河道整治流路主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

圖3 排洪河槽寬度示意

圖4 河灣要素示意圖

表2 塔里木河上游段河道整治流路主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 結(jié)語

塔河在對治導(dǎo)線設(shè)計(jì)的核心參數(shù)(設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)河寬、河槽過洪寬度以及河灣形態(tài)參數(shù)等)進(jìn)行計(jì)算后，在各整治段工程位置線繪制時除參照上述原則和參數(shù)外，還應(yīng)考慮結(jié)合河段的邊界條件、已有工程情況和社會經(jīng)濟(jì)因素綜合分析，統(tǒng)籌兼顧，盡量處理好繼承與發(fā)展的關(guān)系，來確定出經(jīng)濟(jì)合理的治導(dǎo)線。各整治段工程位置線與已有工程銜接后，根據(jù)“上平下緩中間陡”的形式在河道凹岸處布設(shè)成連續(xù)彎道，整治工程位置線與大洪水主流線大致平行，彎曲半徑基本控制在1500 m～3000 m之間。本文深入分析了滿足河床演變規(guī)律下塔河游蕩性河道的整治參數(shù)，同時對游蕩性河道控導(dǎo)線設(shè)計(jì)提出了考量因素，結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步布設(shè)防洪護(hù)岸工程奠定了基礎(chǔ)。