穩(wěn)定河寬在白家河秦州段堤防治理中的分析與應(yīng)用

陳超博

（天水市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 天水741000）

1 項(xiàng)目區(qū)概況

天水市秦州區(qū)白家河屬長江流域嘉陵江水系永寧河上游干流，主流發(fā)源于秦州區(qū)娘娘壩鎮(zhèn)大山壩，海拔1966m，流域面積2162km2，主流長111.8km，上下游落差820m，河床平均比降1/93，流域下墊面多為石山林，植被良好。白家河流經(jīng)柳林、娘娘壩、李子園等鄉(xiāng)（村），于麥積區(qū)馬家坪附近匯入徽縣境內(nèi)。

本次工程位于白家河干流及部分支流上。流域多年平均氣溫在7-12℃之間，年均降水量531mm，多年平均蒸發(fā)量為1290.5mm，日照時(shí)數(shù)2032.1h，無霜期150-230d，最大風(fēng)速21m/s，最大凍土深度61cm。

2 河道穩(wěn)定分析

2.1 造床流量

所謂造床流量，是指其造床作用與多年流量過程的綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪骋环N流量。這種流量對塑造河床形態(tài)所起的作用最大，它不等于最大洪水流量，因?yàn)楸M管最大洪水流量的造床作用劇烈，但時(shí)間較短，所起的造床作用并不是最大；它又不等于枯水流量，因?yàn)楸M管枯水流量作用時(shí)間較長，但流量較小，所起的造床作用也不是最大。因此，造床流量是一個(gè)比較大而又并非最大的洪水流量。

在實(shí)際工作中人們往往用平灘流量來代替造床流量。這一方法概念清楚，方法簡易，因而應(yīng)用較廣泛。錢寧在《河床演變學(xué)》一書中提出，造床流量約相當(dāng)于1.5年（P=66.7%）一遇的洪水流量，本次造床流量的確定根據(jù)治理段河道流域特征、基本資料情況及河道的實(shí)測斷面采用2年一遇洪水設(shè)計(jì)洪峰流量法確定工程區(qū)造床流量。

2.2 河床穩(wěn)定分析

河床在縱深方向的穩(wěn)定性主要決定于泥沙抗拒運(yùn)動的摩阻力與水流作用于泥沙的拖拽力的對比，根據(jù)河床物質(zhì)的粒徑特征及河床的深泓線縱坡坡降，縱向穩(wěn)定系數(shù)φh按下式計(jì)算：

式中：φh為縱向穩(wěn)定系數(shù)；d為床砂平均粒徑（mm）；h為河流平灘水深（m）；J為縱比降。

研究表明，φh值越大，泥沙運(yùn)動強(qiáng)度越弱，河床因沙波運(yùn)動或因流路變化產(chǎn)生的變形越小，河床越穩(wěn)定；反之，φh值越小，則河床越不穩(wěn)定。

橫向穩(wěn)定系數(shù)與河岸穩(wěn)定密切有關(guān)，計(jì)算公式如下：

式中：φb為橫向穩(wěn)定系數(shù)；Q為造床流量（m3/s）；J為縱比降；B為相當(dāng)造床流量的平灘河床（m）。

研究表明，φb值越大，河身相對較窄，比降較少，水流平緩歸順，河岸越穩(wěn)定；反之，φb值越小，則河岸越不穩(wěn)定。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析結(jié)論如下：

表1 白家河沿程（各段落）縱、橫向穩(wěn)定計(jì)算成果表

白家河秦州段沿程橫向穩(wěn)定性差，一遇洪峰股流擺動較大，由于各段造床流量不同、床砂粒徑不同、穩(wěn)定性變化較大，橫向穩(wěn)定性沿程趨于穩(wěn)定性好的方向發(fā)展。

白家河秦州段沿程縱向穩(wěn)定性越來越差，分析原因?yàn)橛捎诳v比降越來越小，加之下游河床漫灘淤積較上游嚴(yán)重，一般下游河床漫灘砂卵礫石粒徑較上游變小，河床糙率減小，因此對水流的阻力減小而造成水流速度加快，一遇洪水流速持續(xù)作用，極易造成河床漫灘縱向較大沖刷，嚴(yán)重影響河床縱向穩(wěn)定性。

1.2.2 評價(jià)方法。課程結(jié)束后，對兩組學(xué)生統(tǒng)一進(jìn)行理論和讀片技能考核，并對實(shí)驗(yàn)組學(xué)生發(fā)放無記名的問卷調(diào)查。理論考試內(nèi)容為教學(xué)大綱規(guī)定的知識點(diǎn)，讀片技能考核主要從評價(jià)考核庫中選取不同難度系數(shù)的病例，包括X線、CT及MRI圖像，重點(diǎn)考察學(xué)生對常見病及多發(fā)病的閱片能力。2項(xiàng)考核總分均為100分。問卷調(diào)查旨在了解學(xué)生對新型示教模式的效果評價(jià)，評價(jià)內(nèi)容包括激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和熱情；增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力；提高分析問題、解決問題能力；鍛煉學(xué)生語言表達(dá)能力；訓(xùn)練臨床思維，提高閱片能力；加強(qiáng)師生交流，融洽師生關(guān)系；是否值得推廣。發(fā)放問卷66份，收回有效問卷66份，有效問卷回收率100%。

2.3 河相關(guān)系

河相關(guān)系是指在相對平衡狀態(tài)下河流河槽的縱橫斷面形態(tài)與流域來水、來沙及周界條件等因素之間的某種定量關(guān)系，反映河段的河槽縱橫斷面形態(tài)，橫斷面取決于來水來沙條件及河床地質(zhì)組成，其橫斷面尺寸受河相關(guān)系控制，中水河槽的河相關(guān)系按下式確定：

式中：ξ為河相系數(shù)；B為造床流量下的水面寬（m）；H為造床流量下的平均水深（m）。

當(dāng)ξ為2～4時(shí)，河道屬蜿蜒型河道；ξ為8～12時(shí)，河道屬順直型河道；ξ為20～30時(shí)，河道屬游蕩型河道。

通過表2分析計(jì)算可知，白家河秦州區(qū)工程治理段介于蜿蜒型-順直型河段過渡段。

表2 白家河沿程（各段落）河相系數(shù)計(jì)算成果表

2.4 堤距的確定

河道治理以整治洪水河槽為依據(jù)，因此河道寬度的確定主要考慮以下因素：一是滿足防洪要求；二是滿足穩(wěn)定河寬的要求；三是適應(yīng)現(xiàn)有河槽實(shí)際行洪寬度。

2.4.1 穩(wěn)定河寬

白家河天然河床較窄，河槽高差較小、河床計(jì)算穩(wěn)定河寬的目的是依據(jù)穩(wěn)定河寬與治理河寬的關(guān)系，確定整治河寬。

方法1：三式聯(lián)解法

水流連續(xù)公式：

河相關(guān)系式：

三式聯(lián)解可得：

式中：n為綜合糙率，取0.035～0.038；R為為水力半徑；Q為造床流量（m3/s）；B為平灘水面寬（m）；H為平灘水深（m）；ξ-河相系數(shù)；J為河床比降（‰）。

方法2：阿爾圖寧公式法

式中：B為穩(wěn)定河寬（m）；A為穩(wěn)定河寬系數(shù)，本工程流域?qū)僦杏魏佣?，變化系?shù)在1.1～1.7之間，本次計(jì)算取1.4；Q為造床流量（m3/s）；J為河床比降（‰）。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3

由計(jì)算結(jié)果可知，三式聯(lián)解法與阿爾圖寧公式法所得結(jié)果相近，表明參數(shù)取值合理，兩種方法均適用本段河道穩(wěn)定河寬計(jì)算。

2.4.2 治理河寬確定

本次工程治理河寬主要依據(jù)工程區(qū)河道現(xiàn)狀及河道兩岸現(xiàn)狀河床寬度，結(jié)合穩(wěn)定河寬的計(jì)算，使得最小堤距不小于計(jì)算的穩(wěn)定河寬，盡量不縮窄河道。確定治理各工程段落治理河寬如下，大南峪以上段40m，大南峪-董水溝段40～60m，董水溝-河口村段60m，河口村-望天溝段60～75m，望天溝～白音峽段75～85m，白音峽-張家莊段85～100m。

3 結(jié)論

（1）錢寧在《河床演變學(xué)》一書中提出，造床流量約相當(dāng)于1.5年（P=66.7%）一遇的洪水流量，本次造床流量的確定根據(jù)天水地區(qū)多年河道整治經(jīng)驗(yàn)、治理段河道流域特征、基本資料情況及河道的實(shí)測斷面采用2年一遇洪水設(shè)計(jì)洪峰流量法確定工程區(qū)造床流量。在實(shí)際應(yīng)用中常采用平灘流量來代替造床流量，這一方法概念清楚，方法簡易，因而應(yīng)用較廣泛。

（2）河床在縱深方向的穩(wěn)定性主要取決于泥沙抗拒運(yùn)動的摩阻力與水流作用于泥沙的拖拽力，根據(jù)河床物質(zhì)的粒徑特征及河床的深泓線縱坡坡降，工程治理段由于縱比降越來越小，河床漫灘砂卵礫石粒徑變小，河床糙率減小，水流速度加快，遇洪水持續(xù)作用，極易造成河床漫灘縱向沖刷，嚴(yán)重影響河床縱向穩(wěn)定性。故在防洪規(guī)劃治理中應(yīng)沿程逐步加大縱向安全埋深。

（3）橫向穩(wěn)定系數(shù)與河岸穩(wěn)定密切有關(guān)，由于橫向環(huán)流的作用，表層含沙量小的水流流向并沖刷凹岸，加之縱向水流對凹岸的頂沖，造成凹岸不斷的坍塌后退形成深槽陡岸；坍塌造成凸岸不斷淤積前進(jìn)形成平緩的灘地。在治理工程中應(yīng)對凹岸采用加大轉(zhuǎn)彎半徑，減小水流作用，重點(diǎn)固岸治理。

（4）三式聯(lián)解法與阿爾圖寧公式法所得結(jié)果相近，表明兩種方法均適用本段河道穩(wěn)定河寬計(jì)算。穩(wěn)定河寬的計(jì)算是規(guī)劃治理河寬的依據(jù)，對規(guī)劃治理河寬的確定有較強(qiáng)的指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義。