對口丁壩整治游蕩性河道探究論文

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摘要摘要：在小浪底水庫投入運用后，黃河下游花園口站百年一遇洪水為15700m3/s。即使發生1958年型22300m3/s的洪水，經小浪底水庫調節后花園口站洪峰流量也會小于10000m3/s[1。小浪底水庫投入運用不僅削減了洪峰，同時也使進入下游的水沙條件發生較大變化。

摘要：對口丁壩整治游蕩性河道

引言

在小浪底水庫投入運用后，黃河下游花園口站百年一遇洪水為15700m3/s。即使發生1958年型22300m3/s的洪水，經小浪底水庫調節后花園口站洪峰流量也會小于10000m3/s[1。小浪底水庫投入運用不僅削減了洪峰，同時也使進入下游的水沙條件發生較大變化。在運用初期3～5年內水庫將下泄清水[2[3，高村以上河段將產生大量沖刷，河道的泄洪能力將逐漸增大。在以后的相機排沙運用期，平、枯水年水庫仍將蓄水攔沙運用，只有在中游產生大洪水時才有排沙機會。因此小水挾沙過多對下游河槽造成嚴重淤積新問題在這一時期基本上不會出現。洪峰流量的減小和水沙搭配條件的變化，為游蕩性河道整治創造了新的條件，水庫的調水調沙運用需要游蕩性河道整治配合，從而充分發揮小浪底水庫調水調沙的功能，進一步把高村以上河段治理好。

游蕩性河槽的整治寬度受多方面控制，即泄洪輸沙的需求和控導河勢的要求。其中輸沙的需求和控導河勢要求大體上是一致的。過寬雖然利于排洪，但輸沙和控導河勢的能力較差，因此，必須綜合考慮泄洪、排沙和控導河勢不同需求，確定合理的整治寬度。

一、不同歷史時期對游蕩性河槽整治寬度的建議

早在1922年美國水利工程師費禮門[4認為黃河下游堤距過寬是治理困難的主要原因，他根據京杭運河和黃河匯口石洼、位山、姜溝三處洪水期，洪峰流量8000～10000m3/s，最大含沙量9%～10%，實測河道斷面自行刷深的情況，提出整治河寬為1/3英里(約為538m)的設想。

1946年在嚴愷院士主持下制定了黃河下游治理初步規劃[5，下游河道整治寬度定為500m，其主要理由是，黃河山東河道雖然比降小，河寬小，但水深大。認為比降1的窄河段的過洪寬度，在比降2的游蕩性河道足夠用，建議采用對口丁壩為主的工程辦法縮窄游蕩性河段，并作了全下游河道整治規劃圖。

葛羅同、薩丹奇、雷巴特[4對上述治理黃河下游河道初步報告中提出的整治河寬500m表示贊同，認為河寬500m，深5m，盡可能取直的河道具有能輸送含沙量達20%河水的能力。

50年代后期[6，認為三門峽水庫建成后下游防洪新問題基本解決，今后的主要任務就是興利，是在下游梯級開發修建攔河樞紐控制縱向的沖刷和整治河道，以利于引水航運。設計流量為6000m3/s，位山以上河道的整治槽寬定為600m，位山以下定為400～450m。由于三門峽水庫改建和下游攔河樞紐破壩，河道整治工程未能實現。

1966年張瑞瑾先生提出把黃河下游河道治理成“寬灘窄槽”的設想，并具體的論述這個方針的合理性、實用性。利用窄槽輸水輸沙，利用寬灘滯洪滯沙，久而久之形成高灘深槽。

以上建議由于受歷史條件的限制，在當時無法實現，現在小浪底水庫建成后，為實施這些建議提供了可能。

二、對現行河道整治寬度的評價及窄深河槽過洪能力

1.現行設計整治槽寬數值偏大

現行黃河下游河道整治規劃[8，系根據洪水期主槽平均單寬流量為10m3/s-m，泄量22000m3/s確定的，過洪寬度為2.5～3km

若采用實測平均值，則計算出的B也為實測平均值，在游蕩性河段，同一流量的水面寬變化很大，反映河床的不穩定。由于游蕩性河道的比降陡，河槽極不穩定，不同來水來沙條件塑造了不同的水面寬，且經常處于變化中，如高含沙洪水塑造的河寬窄，低含沙洪水形成的河寬大，隨著水沙條件的變化，河槽寬度經常變化。其二，由于河槽極為寬淺，水深在斷面上分布極不均勻，漫灘后水面寬會迅速增加。因此形成游蕩性河段，流量和水面寬關系散亂是必然的，不作具體分析采用平均值，確定的整治河寬不盡合理。游蕩性河道整治的目的是縮窄河寬、規順河勢，故其寬度應小于自然條件形成的平均水面寬，應是主槽寬度。東壩頭以上1200m，東壩頭至高村1000m明顯偏大。

2.窄深河槽具有極大的過洪能力

從公式可知，Q和R高次方有關，在B、n、J不變的情況下，水深增大對河道的過洪能力影響最大。

表1給出艾山站、濼口站1958年、1976年、1982年實測窄槽的過流能力表明，艾山站在1958年7月21日、22日，在河寬476m、468m，平均水深8.9m和10.6m的條件下，分別宣泄12300m3/s和12500m3/s洪水；濼口水文站在1958年7月22日、23日主槽寬295m，平均水深10.6m和13.1m的條件下，通過的洪峰流分別為10100m3/s和11100m3/s。

3.游蕩性河道的洪水主要通過主槽排泄

同樣由可知，在河寬、水深，n值相同的條件下，比降由1增加到2，河槽的過流能力增加40%；若泄量控制不變，則水深可減少23%。但由于比降陡的游蕩性河道，同流量水面寬遠大于窄河道，因此窄深河槽的過洪能力常不引人注重。在寬達幾公里的水面中主流帶的寬度常只有幾百米。表2給出花園口站1958年，主槽寬600m、1000m過流量可達到10000m3/s以上，最大達15022m3/s。占過流總量的70～90%，甚至達到98%。

江恩惠等對游蕩性河道主槽進行具體探究，認為目前所用河寬偏大[9。文獻[9給出的流量和水面寬的關系圖1表明，平均水面寬隨流量的增加而增寬，但水面寬的下限值，隨著流量的增大幾乎不變，均為500～600m。這表明主槽的寬度不隨流量變化。

從圖2給出的單寬流量沿河寬的變化情況可知，主槽的單寬流量可達20m3/s-m以上，灘地雖很寬但過流能力很小，單寬流量一般不足1m3/s-m。水流在寬淺河道上總是在一定寬度的主槽內集中輸送(詳見圖3)。尤其是高含沙洪水通過后，灘地大量淤積，主槽強烈沖刷，塑造出的窄深河槽同樣具有極強的輸水能力，表3為花園口站實測主槽的過流能力[10，表明，在1977年經過7月和8月兩場高含沙洪水塑造，在8月8日花園口站實測的主槽寬467、483m，相應水深為5.4、5.3m，平均流速3.85、3.73m/s。過流量達到8980m3/s和9540m3/s，由此可見，主槽的過流能力很大。只要能保持較大的水深，泄洪要求的河寬并不是很大。

4.窄深河槽泄洪機理

從圖4給出的花園口、濼口兩站洪水期，水沙過程和河床平均河底高程和最低點高程的變化可知，黃河窄深河槽在洪水期的輸水能力大的主要原因，是在漲水過程中主河槽不斷沖刷，最大洪峰稍后河床高程到達最低，水深達最大。1958年花園口站水位流量關系(見圖5-1)表明，流量從5000m3/s漲到15000m3/s，水位只升1m，而平均水深卻由1.99m增加到4.82m，增長2.81m(詳見表2)，水深增長的幅度遠大于水位的增幅。由于，泄量和水深的1.67次成正比，因此使得河槽的泄流能力迅速增大。洪峰前后5000m3/s水位下降2m(見圖5-1)，主槽河底高程下降近3m(見圖5-3)。

從圖5-2和表1可知，洛口水文站的流量和河床高程的變化，隨著洪峰流量的增大，平均和最低點高程不斷降低，最大洪峰后達到最低。流量從5000m3/s增長10000m3/s，水位升高2.95m，但平均水深由6.70m增加到13.1m，增加了6.4m，也遠大于水位的升高值。最大水深由8.9m增至18.1m，增加了9.2m。水深增大幅度遠大于水位升幅。水深迅速增加是河槽過流能力增大的主要原因。

三、利用對口丁壩整治游蕩性河道

目前黃河下游整治是采用單岸修建工程的彎曲性河道整治方案，取得了很多的成就。小浪底水庫投入運用后，下游水沙條件將發生很大變化,河道整治也將面臨新的新問題。在目前已建整治工程的基礎上,在某些河段采用對口丁壩方案整治,效果可能更好[11[12[13。其依據就在于該方法在利用窄深河槽滿足泄洪輸沙要求的情況下，還能更充分有效地控導河勢，這是其它方案所難以做到的。

在無小浪底水庫的條件下，由于小水挾沙過多，河槽嚴重淤積，游蕩性河段若按幾百米進行整治。主槽將迅速淤高，形成槽高灘低的不利局面，如目前的二級懸河。河道無法長期穩定。但在小浪底水庫投入運用后，來水來沙條件發生很大變化，初期下泄清水河床發生沖刷，水庫若是造峰沖刷下游河道，塌灘會更嚴重。根據三門峽水庫1960年9月～1964年10月下泄清水期高村以上斷面實測資料分析，游蕩性河道在主槽不斷的擺動中下切，造成灘地的塌灘、河道展寬。目前只在單岸修建工程，主流仍有一定的擺動范圍，有些工程常不能適應，尤其是中水整治、小水運行，矛盾突出，河勢會有較大變化，灘地坍塌不可避免。采用對口丁壩雙岸同時控制，無論大中小水主槽都能限制在較窄范圍，河勢會更穩定，可防止塌灘，使沖刷向縱深方面發展。在相機排沙運用期，平水、枯水年下泄清水和初期一樣，河槽也會發生沖刷，不會淤積抬高。水庫排沙期的流量均大于3000m3/s，整治后的河槽不應產生淤積，甚至還應發生些沖刷，對于漫灘洪水造成灘地淤積，則有利于高灘深槽的形成。

四、卡口槽寬為600、800、1000m時對洪水位的影響

實測資料分析表明，在洪峰上漲的過程中河床不斷沖深，在最大洪峰流量出現時間稍后河床高程達到最低，河槽的過洪能力達到最大。河寬的縮窄會影響過流范圍引起水位抬高，但主流的集中則使河槽沖刷加劇，兩者綜合功能，引起洪水位抬升。根據1958年花園口站實測資料，600、1000m河寬水位，泄量變化規律(詳見圖6)，推求河寬整治成600、800、1000m時，流量由5000m3/s漲到10000、15000m3/s時的水位壅高值，并和1999年防洪預告值進行了比較[15。

從表4給出的計算結果表明，隨著河槽整治寬度減小，流量由5000m3/s升至10000，15000m3/s的水位壅高值DH，在相同流量變幅的情況下，逐漸增加，但增加的幅度不大，整治河寬由1000m減少至600m，DH值僅增0.1～0.2m左右。由5000m3/s漲至10000m3/s，和由5000m3/s漲至15000m3/s相比，DH值只相差0.5m至0.6m。由此可見河槽整治寬度在600~1000m變化時，對水位升高的影響并不突出。

由表4給出的DH值還表明，河槽縮窄后對洪水位的影響和天然情況下相比，在流量由5000m3/s漲至10000m3/s時，各級整治槽寬的DH值和1999年相應流量變幅的預告值的河段平均僅差0.2~0.3m。相應流量由5000m3/s漲至15000m3/s時，整治和不整治的水位壅高值DH僅差0.3~0.4m。由此可見，河槽整治寬度縮窄到600~1000m時，對洪水位影響有限，不會對防洪造成重大影響。

五、有關對口丁壩的布置形式

據阿姆河下游游蕩性河道整治經驗[13，和我們對黃河游蕩性河道按微彎布置整治工程的分析，采用對口丁壩進一步整治河槽可能更有效。有關整治工程的高度，從有利于排洪考慮，以目前黃河下游河道整治工程超高標準為依據，修建對口丁壩后對泄洪影響不大，河道保持天然河道泄洪特性，工程的興建只起護灘功能，隨著河槽的沖刷，槽深的增加，河槽的過洪能力增加，深槽會自然形成。從施工防守方便上考慮，筑壩基較為有利。

若兩岸對口丁壩口門較寬，水流不經常靠壩頭，搶險只能以陸上為主，為了使河道在洪水期仍能漫灘，滯洪滯沙，丁壩間不修聯壩，壩間的交通只用道路聯結，路面可和當地二灘高出0.5m，若為防止大洪水河勢出現較大擺動，工程的高程可按10000m3/s洪水位齊平設計，若考慮百年一遇洪水，應按15000m3/s洪水位齊平設計壩頂高程。當平灘流量為5000m3/s時，堤高為1.3~1.4m。隨著平灘流量的增大，同樣的設防標準，堤高會逐漸減小。從以上分析可知，河槽縮窄后對排洪影響不大。

綜上所述，應根據不同河段不同情況選擇不同的布置形式，以滿足防洪生產等方面的要求。有關河槽的整治寬度在順直河段可以按600~800m設計，從有利于泄洪考慮，對彎曲段可按800~1000m槽寬整治河道。有關對口丁壩的間距，根據阿姆河實踐經驗，為800~2150m，合1.3~3.6倍的卡口寬度。

阿姆河年徑流量190～770億m3，年沙量2.46億t，Qmax=8000～9000m3/s，洪水期S=16～20kg/m3，4～8月洪水期沙量2.12億t，常見洪水流量3000～4000m3/s，枯水流量為400～900m3/s，河道比降為0.00016～0.00026，最大流速3～4m/s，河槽在3～5km范圍內擺動。按照土雅姆水利樞紐下游200km河段整治規劃，需要填筑255道橫堤，總長度250km，河道整治寬度600m，對口丁壩間距800～2150m，規劃的255道橫堤中在1986年報道中已建成130道，總長度達105km，在30道橫堤上完成了拋石。120km的河段已部分地得到了整治，整治工程修建后，在大洪水期間仍可漫灘。詳見圖7。

應根據黃河下游不同河段河勢可能的變化情況，緊密結合現有的河道整治工程，因地制宜的確定對口丁壩工程的間距和護岸的長度。

六有關選擇試驗河段的建議

我們建議盡快選擇一典型河段進行試點，為游蕩性河道的治理進一步積累經驗。為了使試點工作能順利進行，需要開展模型試驗，以便選定設計參數，確定最有利的布置形式。

經征求各方意見，推薦試驗河段有三段，一是鐵謝至大玉蘭河段，二是神堤至棗樹溝河段，三是趙口至黑崗口河段，經分析比較，趙口至黑崗口河段較長，現有整治工程較少，防洪新問題突出，進行試驗后對丁壩設計參數存在的新問題能得到較充分反映，故選取該河段作為試驗河段。