冲积河流整治水位与整治线宽度关系研究

张玮，雷潘

0 引言

在进行冲积河流航道整治设计时，整治水位和整治线宽度是十分重要的两个基本参数，对整治效果和工程造价起决定性作用。尽管航道整治通常都是基于低水整治理念，不过整治水位一般位于设计最低通航水位之上，具有一定的超高值，可能与河道防洪控制产生一定程度的矛盾。必要时，需要对整治水位进行适当调整，以便同时满足防洪与通航的要求。因此，合理确定整治水位与整治线宽度，并根据需要加以调整一直以来都是人们关注的焦点。

在航道整治设计时，整治水位通常是独立确定的。整治水位的确定方法主要有超高设计水位法、平边滩水位法和临界水位法等，实质都是经验方法；整治线宽度的确定方法主要有经验方法、水力学方法和河流动力学方法等，均是在整治水位给定的基础上再行确定。几十年来的工程实践也证明上述方法是行之有效的，能够基本满足航道整治工程的需要。至于整治水位与整治线宽度之间的关系则研究成果相对较少。1995年，李贞儒[1]利用一维数学模型，对不同流量过程多种整治水位与整治线宽度组合下浅滩整治效果进行分析，确定各种因素在河床冲刷中的作用和敏感度，取得了一定的成果；1999年，苏珏[2]针对拟定整治水位和整治线宽度的经验法和理论计算法的局限性，提出“断面流速控制图表解析法”来推求整治水位与整治线宽度最佳组合的新方法，并作了较详细的介绍；2002年，张幸农[3]从泥沙运动和河床演变理论出发，分析讨论了整治线宽度的几个概念问题，提出了浅滩“整治前后多年平均年内输沙总量相等”的观点，推导得到相应的整治线宽度公式，并根据概化水槽试验及多条天然河流的实测资料进行了验证；2007年，肖立敏[4]利用顺直微弯河段平面二维数学模型，分析研究了整治水位与整治线宽度的各种组合引起的航道冲刷过程，并探寻了整治水位、整治线宽度的变化对浅滩整治效果的影响，取得一定的研究成果；2009年，曹民雄等[5]通过对右汊为主年份的监利河段地形进行滩槽综合概化，研究了不同整治水位与整治线宽度组合对弯曲分汊河段航道整治效果的影响，并提出在整治效果及工程量相同的前提下，对防洪要求较高河段，应优先考虑采用整治线宽度较小、整治水位较低的整治参数。上述成果都对整治水位和整治线宽度之间的关系作了一定程度的探讨，但其主要适应于特定河段，普遍适用性不足。

本文从泥沙运动和河床演变的理论出发，根据冲刷总量相同原则，综合研究整治水位和整治线宽度，推导得出两者之间的关系公式，并利用已有资料对所推导的公式进行验证，在此基础上，就公式的应用进行初步探讨，期望对工程实践具有一定的参考作用。

1 公式推导

1.1 理论分析

在冲积河流中，浅滩是普遍存在的河床形态，也是碍航的主要原因。为改善航行条件，在整治碍航浅滩时，一般通过丁坝、顺坝等束水整治建筑物，束窄河面宽度，引导水流尽早归槽，增大浅滩的冲刷强度和冲刷时间，使得洪水期淤积的泥沙冲刷至下游，保证最低通航水位时的设计航深要求。

整治水位决定浅滩的冲刷时间，整治线宽度决定浅滩的冲刷强度，两者综合决定浅滩的整治效果。对于同一河段的同一浅滩，在整治效果相同的前提下，若整治水位定得较高，则整治线宽度可取得大一些，反之则可取得相对小一些。浅滩冲刷示意图如图1所示。

图1 浅滩冲刷示意图Fig.1 Schematic diagram of shoalscour

水位高于整治水位时，整治建筑物的束水作用甚小，水流的输沙能力与整治前基本相同，因此可以忽略整治水位以上的冲刷时段，而认为冲刷时间主要集中在整治水位降至设计水位的时段。在此时段内，洪水期淤积在浅滩上的泥沙与上游来沙需要输送至下游，两者数量之和用移GS表示，简称为需要冲刷总量，或者冲刷总量。其中，洪水期淤积的泥沙对于不同的整治水位而言是相同的，只是在此期间上游来沙有所不同。考虑到水位降至整治水位以后，上游来流输沙最剧烈时期已经过去，不同整治水位所对应的上游来沙虽有不同，但相差不大。因此可以假定：对于同一浅滩的不同整治水位，在降至设计水位期间的上游来沙相同。也就是说，对于不同整治水位，其所需冲刷泥沙总量相同。实际上，如果以较高的整治水位为基准，这样的假定是偏于安全的。

1.2 公式推导

以移GS1、移GS2表示两种不同整治参数组合下，水位由整治水位下降至设计水位期间水流所具有的泥沙输移能力，其量值等于在此期间上游来沙量以及洪水期浅滩上的泥沙淤积量之和。基于拟整治浅滩“冲刷总量相同”原则，则有：

由于式（1）等号左右的公式结构一样，为了推导过程更加简洁，先研究没有下标的水流输沙能力移GS，有：

式中：g为浅滩整治后的单宽输沙率；B为采取整治工程措施后的河宽；T为浅滩的冲刷时间。

取T为整治水位降至设计水位的历时时长，则式（2）可写为：式中：TZ、TS分别为整治水位和设计水位对应的时刻。

借用张幸农[3]的处理方法，认为：由于整治水位至设计水位的历时不长，水位随时间基本上呈线性变化关系，可假设k即为水位随时间的变化率，将式（3）积分换元，可得：

式中：ZZ、ZS分别为整治水位和设计水位高程。若又近似地认为g在此时段内也是线性变化的。那么，式（4）可写为：

式中：BZ、BS分别为对应整治水位和设计水位的河宽；驻Z=ZZ-ZS为整治水位超高值。

由于设计水位时浅滩无需冲刷，此时的断面则有：

式中：k、K为常系数；d为泥沙平均粒径；U为断面平均流速，U=Q/BH；H为断面的平均水深；BZ为整治水位对应的河面宽度；n为指数，一般为1/6~1/4；UH为止动流速，可采用沙莫夫公式UH=3.83d1/3H1/6；下标1、2分别代表不同整治参数组合对应的物理量。

为方便计算，将式（7）中则式（7）可以化简为：

式中：m为经验参数，应根据断面平均流速与止动流速的比值进行选取，根据以往的经验取值范围为1.26~5.36。

1.3 公式中相关物理量的确定

式（10）中，d1、d2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后河床推移质的平均泥沙粒径，可以近似地认为两者相同，也就是d1=d2。

Q1、Q2分别为不同整治水位时的流量，其为整治水位的函数Q=Q（Z），也就是整治水位超高的函数Q=Q（驻Z）。在具体确定时，可将拟整治浅滩的水位与水文站相关，然后根据水位流量关系曲线加以确定。

H1、H2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后的断面平均水深，其也是整治水位的函数H=H（Z），也就是整治水位超高的函数H=H（驻Z）。

综上，则式（10）可以化简为：

也就是，整治线宽度缩窄率是整治水位超高值 驻Z1、驻Z2的函数。

2 公式的验证

2.1 数学模型试验

肖立敏[3]通过建立顺直微弯河段平面二维水流泥沙数学模型，在取得模型相似验证的基础上，设计了3种整治水位和3种整治线宽度共9组整治参数组合的试验方案，其中整治水位分别为设计水位以上1m、2m以及3 m，整治线宽度分别为900 m、1 000 m以及1 100 m。研究了不同整治水位下整治线宽度变化对浅滩整治效果的影响，并绘制了不同整治水位下整治线宽度与浅滩平均冲刷深度之间的关系曲线。

基于浅滩“整治效果相同”原则，对肖立敏

2.2 物理模型试验

曹民雄、蔡国正[5]等人通过对右汊为主年份的监利河段地形进行滩槽综合概化，在概化模型验证基础上，设计了5种整治参数组合的动床试验方案，5种整治参数组合（Z，BZ）分别为（24.60 m，1 000 m），（24.65 m，800 m），（24.70 m，600 m），（23.65 m，800 m），（22.70 m，600 m），试验得到了不同整治参数组合下工程区浅滩断面的平均冲刷深度。

同样的，基于浅滩“整治效果相同”原则，对该物理模型的试验数据进行处理选用，获取不同浅滩冲刷深度对应的不同整治参数组合（驻Z1，BZ1）和（驻Z2，BZ2），最后也得到多组试验值硕士论文[3]中9组方案的试验数据进行处理选用，获取不同浅滩冲刷深度对应的不同整治参数组合（驻Z1，BZ1） 和 （驻Z2，BZ2），最后得到多组试验值

2.3 公式验证

肖立敏数学模型试验取的整治流量较小，整治断面的平均流速与止动流速的比值U/UH也就较小，对应m值取为5.36，确定相关物理量并代入到式（10）中，求出理论计算值BZ2/BZ1；而南京水利科学研究院物理模型试验中的流量为中水流量，整治断面的平均流速与止动流速的比值U/UH适中，对应m值取为2.22，确定相关物理量并代入到式（10）中，求出理论计算值BZ2/BZ1。

将上述BZ2/BZ1的理论计算值与试验值进行比较，绘于图2。由图2可知，公式的理论计算值与试验值吻合较好。

图2 B Z2/B Z1理论计算值与试验值的比较Fig.2 Com parison between theoreticaland experimental valuesof B Z2/B Z1

3 关于公式的讨论

3.1 公式的具体应用

在具体应用时，整治参数的确定可以按照以下步骤进行：

1）整治参数的初步确定。按照传统方法确定整治参数，对于整治水位，可以运用经验取值法、平滩水位法或者临界水位法等加以确定，在此基础上，进一步利用经验法、水力学方法或河流动力学方法确定整治线宽度，获得第1组整治参数组合（驻Z1，BZ1）。

2）运用式（10）确定同时满足防洪与通航需求的整治参数。在步骤1）的基础上，按照河道防洪控制要求调整整治水位得到新的整治水位超高值驻Z2，确定相关物理量Q2、H2和经验参数m并代入到式（10）中，求得新的整治线宽度BZ2，整治参数组合（驻Z2，BZ2）将同时满足防洪与通航的需求。

3.2 关于整治线宽度与整治水位关系

针对文献[4]的工况，可分别求出不同整治线宽度与整治水位之间的关系，见图3。图3中横坐标驻Z2/驻Z1为整治水位差之比，纵坐标BZ2/BZ1为整治线宽度比。由图3可知：若驻Z2/驻Z1减小，BZ2/BZ1也会减小，也就是在降低整治水位时，通过缩窄整治线宽度可以达到相同的浅滩整治效果；反之，若驻Z2/驻Z1增大，BZ2/BZ1也会增大，也就是在提高整治水位的同时，可以适当放宽整治线宽度。因此，在浅滩整治效果相同的前提下，可以选取多种不同整治参数组合。

图 3 公式理论值（B Z2/B Z1）-（驻Z2/驻Z1）关系曲线Fig.3 The relation graph between formula value B Z2/B Z1 and驻Z2/驻Z1

4 结语

1）整治水位决定浅滩的冲刷时间，整治线宽度决定浅滩的冲刷强度，两者综合决定浅滩的整治效果。对于同一河段的同一浅滩，在整治效果相同的前提下，若整治水位定得较高，则整治线宽度可取得大一些，反之则可取得相对小一些。

2）为确保浅滩在设计最低通航水位时达到设计航深要求，需将洪水期淤积的泥沙与冲刷时段内的上游来沙输送至下游，两者之和简称为需要冲刷总量。对同一浅滩而言，洪水期淤积的泥沙是相同的，如忽略不同整治水位对上游来沙量的影响，则可以认为拟整治浅滩在由整治水位降低至设计最低通航水位期间所需要冲刷的泥沙总量是相同的。

3）根据拟整治浅滩“冲刷总量相同”原则，基于泥沙运动学和河床演变学原理，推导得出整治水位与整治线宽度之间的关系公式，并利用现有资料进行了验证，结果令人满意，表明所推导公式合理可信。

4）在公式具体应用时，可先采用普遍应用的航道整治方法初步确定满足通航需求的整治参数，在此基础上，根据河道防洪控制要求，再运用本公式确定同时满足防洪与通航需求的整治参数。

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[1]李贞儒. 整治水位与整治线宽度组合初探[J]. 泥沙研究，1995（3）：51-55.LI Zhen-ru. A preliminary study on regulated water stage and re-alignment width[J]. Journal of Sediment Research, 1995(3): 51-55.

[2]苏钰.整治水位与整治线宽度的最佳组合[J].水运工程，1999（9）：31-32，34.SU Yu.The best coordination of regulated water level and width of regulation line[J].Port&Waterway Engineering,1999(9):31-32,34.

[3] 张幸农，孙波. 冲积河流航道整治线宽度的研究[J]. 泥沙研究，2002（5）：48-53.ZHANG Xing-nong, SUN Bo. Research on the regulation width of waterway in alluvial rivers[J]. Journal of Sediment Research, 2002(5): 48-53.

[4]肖立敏.顺直微弯河段整治水位与整治线宽度对航道整治效果影响研究[D].南京：南京水利科学研究院，2007.XIAO Li-min. Research on the effects of regulation water level and regulation width on channel regulation in straight reach[D]. Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute, 2007.

[5]曹明雄，蔡国正.长江中游弯道段浅滩整治参数及方法研究[R].南京：南京水利科学研究院，2009.CAOMing-xiong,CAIGuo-zheng.Study on regulation parameters andmethods of shoal in bend section ofmiddle reaches of Yangtze River[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2009.