黃河寧夏四排口河段截流后河道變形研究

張興凱　李春光　喬橋等

關(guān)鍵詞：水情分析;沖淤變化;泥沙粒徑分析;四排口河段;黃河寧夏段

中圖分類號：TV131.4;TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.010

引用格式：張興凱，李春光，喬橋，等.黃河寧夏四排口河段截流后河道變形研究[J].人民黃河，2022，44（3）：48-52.

1背景介紹

1.1項目背景

黃河寧夏段二期防洪工程是國務(wù)院確立的172項重大水利工程之一，也是寧夏回族自治區(qū)人民政府和水利部確定開工建設(shè)的重大民生工程之一。平羅四排口工程是該項目的建設(shè)內(nèi)容之一，該段屬于多年老險工段，也是寧夏境內(nèi)最后一個控制性險工工程。黃河四排口河段位于寧夏石嘴山市平羅縣境內(nèi)，原河道為彎道，該河段為粉細砂河床，屬典型游蕩性河道，雖然經(jīng)多年河道治理先后建成15道壩垛，取得了一定的效果，但河勢下挫，左岸不斷沖刷，致使主流頂沖堤防，險情不斷發(fā)生。為了從根本上消除險情，實施了平羅段四排口河道整治工程，在該河段進行裁彎取直，并在河道左岸修建丁壩群截流，在右岸灘地開挖引河導(dǎo)流以配合主體工程實施。該工程的實施歸順了河道來流，穩(wěn)定了黃河河道，解除了黃河險工防洪隱患，實現(xiàn)以“以壩護彎，以彎導(dǎo)流，彎彎相扣”的治河理念，為黃河砂質(zhì)河床治理積累了經(jīng)驗[1]。

該工程順利截流，但是在工程建設(shè)后可能會出現(xiàn)一系列問題，諸如壩前沖刷、管涌現(xiàn)象、潰壩、截流后主流走向變化等，都有待深入研究。因此，本研究對該河段的水流運動、泥沙運移和河床變形等進行實測分析，為該河段河道整治提供理論依據(jù)，并為河段治理提出建設(shè)性意見和建議，供有關(guān)部門參考[2]。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早期針對丁壩的研究主要集中在水槽試驗等物理模型，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進行驗證和進一步推導(dǎo)。Ahmed[3]進行了第一個關(guān)于丁壩近體水流流動的試驗，成功記錄了丁壩附近水面高程變化;孫志禹等[4]對三峽工程截流技術(shù)進行了分析對比;韓玉芳等[5]根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果和水槽試驗數(shù)據(jù)，重點分析了丁壩回流長度隨丁壩附近河床發(fā)展而變化，以及相對回流長度與相對河寬的關(guān)系;顧杰等[6]采用超聲波水位和PIV流速測量技術(shù)，在U形水槽中保持進口流量和尾門水位不變，在彎道進口前布置丁壩，通過改變丁壩壩寬和距彎道進口斷面的距離研究了丁壩對彎道水流特性的影響;王海陽[7]采用2D水流數(shù)值模擬方法進行計算分析，結(jié)合河道引水和洪水工況，計算分析河道裁彎取直并新建工程對整體河道水流流態(tài)的影響;黃凌霄等[8]為提高河流數(shù)值模擬過程中的地形處理效率，以黃河大柳樹河段為研究對象，通過圖像拼接算法得到寬視野河道圖像。

2測量儀器及斷面設(shè)置

2.1主要測量儀器

美國SonTek公司的聲學(xué)多普勒流速剖面儀（M9），俗稱“河貓”，是一部完整的河水流量測量裝置，由聲學(xué)多普勒三聲束水流斷面流量測量儀主機、集成電子控制器等硬件設(shè)備和RiverSurveyorLive測量軟件、定點測流軟件等組成?！昂迂垺毕到y(tǒng)可以用于測量斷面流量、水深、面積和三維水流流速等數(shù)據(jù)，簡單快捷[9]。

南方測繪有限公司的靈銳S86RTK測量方案作業(yè)方式簡捷、靈活，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定、高效，是國內(nèi)同類產(chǎn)品中第一款采用四饋點雙頻雙星天線的GPS接收機，可有效防止多路徑效應(yīng)，擁有更強的接收信號能力。

Bettersize 2000激光粒度分布儀是一種采用單光束雙鏡頭技術(shù)的智能型激光粒度儀，其中測試范圍為0.02～2000μm，所有操作全部在電腦控制下自動完成，并具有自動測試、自動光路校準、自動進水、自動排水、自動消除氣泡、自動清洗、自動打印和自動保存等特殊功能。該儀器具有測試范圍寬、測試速度快、結(jié)果準確可靠、重復(fù)性好、操作簡便等特點。

2.2斷面設(shè)置

為了實時監(jiān)測四排口河道的水流特征、河床演變規(guī)律與丁壩影響下河道主流的變化情況，需要根據(jù)所研究河道的實際地形與水流運動情況布設(shè)典型實測斷面，用于獲取第一手實測資料。圖1為施工后四排口河段河岸航拍圖（藍色箭頭為水流方向）。2018年3—5月，項目組多次趕赴四排口河道實地考察周圍地形，進行了周密測量和討論，設(shè)置了一些典型斷面的樁號，并利用高精度GPS對所設(shè)樁號進行測量，沿來流方向共設(shè)置13個斷面，其中斷面CS6、CS5、CS4分別位于27#、25#、22#丁壩附近，見圖2。

3部分實測資料

斷面測量結(jié)果見表1。

由表1可知，四排口河段水位從上游到下游呈現(xiàn)沿程下降的趨勢。所開挖引河寬度相對于原始河道而言較小，當水流從上游流入引河時，因過流斷面減小而出現(xiàn)水面壅高現(xiàn)象。斷面CS7比較窄深，最大水深為20.870m，河寬為338.420m，與其他斷面相比水面寬度較小，水流湍急，平均流速達1.905m/s。斷面CS2比較寬淺，最大水深為5.700m，河寬為822.033m，相比其他斷面最大水深較小，斷面平均流速僅有0.840m/s。

4實測結(jié)果分析

4.1實測河床高程及垂線平均流速

由所測水位減去水深即可得到斷面河床高程。將典型斷面2018年10月21日的河床高程與垂線平均流速套繪在一起[10-11]，見圖3。

斷面CS3靠近21#丁壩，左岸附近水深最大約為9m，右岸最深處水深4.6m左右。CS5沿25#丁壩軸線垂直流向設(shè)置，左岸為凹岸，右岸為凸岸，靠近凹岸水深較大，流速較大，近左岸水流因受丁壩阻擋而較為湍急，對岸坡的沖刷能力較強，河底地形表現(xiàn)為左低右高，符合一般水沙運動規(guī)律，即凹岸沖刷、凸岸淤積。斷面CS7位于丁壩末端，同樣位于導(dǎo)流所開挖的引河進口處，其斷面形狀較為規(guī)則，流速分布也比較均勻，中間大，兩側(cè)小。CS7斷面下游河床左岸將不再受到丁壩的保護，在彎道水流作用下，垂線平均流速的最大值逐漸向左岸靠攏，至斷面CS10處河道主槽已完全偏向左岸。斷面CS13在引河下游區(qū)域，左、右岸附近水深較大，河道中心處水深較小，平均流速集中分布在1.0～1.5m/s之間，相較前期流速減小。

4.2實測河床高程演變變形

為了進一步描述四排口河段水沙運移過程，把握其河道演變規(guī)律，運用水力學(xué)、河流動力學(xué)相關(guān)知識及部分實測資料編寫了相關(guān)的MATLAB程序[10-11]，將2018年7月、2018年10月、2018年11月共3次的實測河床高程資料套繪在一起，見圖4。表2給出了部分斷面左、右岸移動距離，其中左岸正值為河岸向左移動距離、右岸正值為河岸向右移動距離。

典型監(jiān)測斷面CS3為21#丁壩附近垂直流向斷面，左右岸變化微弱，岸線基本保持穩(wěn)定，只是上游來流在岸邊丁壩的挑流作用下，河道主流向右岸偏移，造成河道主槽劇烈沖刷，10月以后，隨著流量減小而逐漸淤積。斷面CS3的岸邊灘地有沖有淤，總體變化不大。典型監(jiān)測斷面CS7位于丁壩群之后，7月河道主槽大致位于河道中央，隨著汛期來臨，過流量不斷增大，上游來流運動形態(tài)在丁壩群的調(diào)整下，主流逐漸向右岸偏移，造成河床右岸劇烈沖刷，岸線崩退110m左右，而10月以后，隨著流量減小，水流挾沙力降低，丁壩對水流的調(diào)整作用減弱，主流逐漸回歸左岸，造成左岸沖刷、右岸淤積，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷挏\式河道。典型監(jiān)測斷面CS8、CS9、CS10位于引河所處位置，7月河床形態(tài)還維持著人為開挖所保留的形態(tài)，隨著流量不斷增大，壩后回流作用持續(xù)增強，且壩后回流區(qū)流速較大，河道主槽逐漸向左岸偏移，造成左岸持續(xù)沖刷、右岸不斷淤積。典型監(jiān)測斷面CS11、CS12、CS13位于開挖引河與原始河道相接的位置，除了位于引河末端的CS11斷面河床形態(tài)變化劇烈、主槽從右岸完全移動到左岸外，CS12、CS13斷面河道水面寬度變化甚微，只是原來橫在河床中部的灘地被完全沖刷掉，主槽從原來的河道兩岸逐漸偏移到河道中央。10月以后隨著過流量減小，河床右岸開始淤積，斷面CS12和CS13的主槽又開始向左岸轉(zhuǎn)移。

4.3懸移質(zhì)泥沙粒度分析

2018年11月對每個實測斷面分左岸、右岸分別進行懸移質(zhì)泥沙取樣，利用激光粒度分析儀進行粒徑分析，得到各斷面不同位置處的懸移質(zhì)泥沙中值粒徑，見表3。

通過分析各斷面懸移質(zhì)泥沙粒徑分布可以發(fā)現(xiàn)：斷面CS5至斷面CS9，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑逐漸減小，從最高的19.99μm逐漸減小到13.22μm，其原因是CS5斷面附近岸邊丁壩限制了河流的橫向展寬，而當水流流出斷面CS5后，由于河岸不再受丁壩的保護，因此在高流速作用下，造成邊岸沖刷，水面寬逐漸增長，斷面平均流速呈現(xiàn)減小的趨勢;斷面CS9至斷面CS10，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑突增，其原因是水面寬大幅度縮減，從原來的371.516m減小到290.318m，導(dǎo)致斷面平均流速激增，水流挾沙能力增大。簡單來說，泥沙粒徑的分布和斷面平均流速有關(guān)，斷面平均流速減小，使得水流挾沙力減小，造成粗顆粒泥沙下沉，從而導(dǎo)致懸移質(zhì)泥沙中值粒徑減小，河床表面開始出現(xiàn)淤積。

通過對各斷面懸移質(zhì)泥沙的橫向分布進行分析，發(fā)現(xiàn)流速較大處，一般懸移質(zhì)泥沙中值粒徑也較大，反之若流速較小，則懸移質(zhì)泥沙中值粒徑也較小，由此可見，垂線平均流速對懸移質(zhì)粒徑分布影響較大。為了對四排口河段泥沙分布規(guī)律有更深層次的認識，選取斷面CS10左岸附近、中心處以及右岸附近的懸移質(zhì)泥沙粒徑數(shù)據(jù)繪制了泥沙粒徑級配曲線，見圖5。

由圖5可以看出，斷面CS10的懸移質(zhì)泥沙粒徑分布近似呈正態(tài)分布。

5結(jié)論

利用聲學(xué)多普勒流速剖面儀、南方測繪靈銳S86RTK、激光粒度分析儀等測量儀器，對黃河四排口河段13個典型斷面的水深、垂線平均流速、河床高程、懸移質(zhì)泥沙粒徑等進行了實測，對比分析典型斷面不同時期左右岸及河寬的變化情況，得出以下結(jié)論。

（1）從河床高程來看，從斷面CS1至斷面CS5主槽位置從靠近左岸處逐漸向右岸過渡，從斷面CS7至斷面CS11河道主槽從靠近右岸處回到左岸，符合彎道水沙運動的一般規(guī)律，即凹岸沖刷、凸岸淤積。

（2）由流速分布圖可以看出，隨著河道中彎道曲率的變化，彎道中流速的最大值在河道的凹、凸岸不斷進行轉(zhuǎn)換，流速變化的趨勢大致為拋物線分布，即河道中心處的流速較大，而兩岸流速相對較小。

（3）該段河道（斷面CS1至斷面CS13）懸移質(zhì)泥沙中值粒徑沿流程并非單一遞增或遞減，而是呈現(xiàn)出一種起伏不定的變化趨勢，表明該段河道水流處于一種十分復(fù)雜的運動狀態(tài)，導(dǎo)致水流挾沙力沿程變化幅度較大。

【責(zé)任編輯 許立新】