水沙条件变化对渭河仓西工程安全的影响分析

包岁利 ，石长伟 ，，辛 琛

（1.陕西省河流工程技术研究中心，陕西 西安710018；2.陕西省江河水库管理局，陕西 西安710018）

1 仓西河段概况

渭河仓西控导工程位于大荔县韦林乡望仙村东南的渭河渭淤2断面左岸上下游，仓西湾所在河段是渭河下游的方山河～潼关入黄段，该河段长约58 km，属典型的弯曲性河段，枯水河床宽约400 m～600 m，河床局部摆动不定，河曲十分发育，平均弯曲系数约为1.43，河势变化较为剧烈，侵蚀塌岸时常发生，河床纵向平均比降为10/000左右；在仓西工程下游6.0 km左右渭河左岸有北洛河汇入渭河。

2 仓西工程与出险基本情况

2.1 仓西控导工程概况

仓西控导工程在《渭洛河下游河道整治初步设计》(下简称《初设》)中，工程布设起点在仓西湾上段，对应于沙苑围堤管理桩号为9+600，在仓西湾上段沿修正治导线与岸坎布置成直线，直线段布设12座雁翅坝垛抵御渭河洪水顶冲，中下段布设复合弯道，布置23座雁翅坝形成以坝护弯，以弯导流，并保护抽水站取水口和移民围堤。工程总长度2781 m，沿工程位置线共布置雁翅坝35座；其中水中进占雁翅翅坝11座，旱滩雁翅坝24座，加固1座。仓西控导工程从2003年汛前、2003年汛后、2005年、2008年、2011年5期建设，目前形成总长5934 m、雁翅坝 35（0#～34#）座的规模[1]。

2.2 工程历年出险基本情况

仓西控导工程2010年初次出险以来历次出险情况统计见表1。可以看出，出险集中在3～10#坝段；出险主要表现为坝垛墩蛰 (3-6#、9#坝)、坝裆后溃坍塌或土体坍塌 (2-3#、4-8#坝裆)、坝及裆笼石墩蛰或倒塌(8-10#坝裆)3种形式。针对仓西工程3种出险形式，分析研究仓西工程特殊出险类型的原因，提出科学合理的除险加固方案，并组织实施、确保工程与堤防安全，是十分必要、迫切的。

表1 仓西工程历年出险情况统计表

3 水沙条件变化及其对仓西工程出险的影响分析

仓西河段附近无水文站，上游在渭淤2下游615 m处的华阴水位站只有测水位，无法分析该河段的水沙情况，而华县水文站位于渭淤10下游约900 m处，故以华县水文站来分析苍西河段的水沙特征。

3.1 华县站水沙变化及其特征

1960年～2015年华县站水沙统计表见表2，历年水量变化见图1。

由表2可知：1960年～2015年该时期多年平均水量64.02亿m3，其中汛期水量38.60亿m3，非汛期水量25.4亿m3，分别占多年的60.3%、39.7%；年径流量集中于汛期，总体上呈减小趋势。1960年～2015年水量变化大致可分为3个阶段：一是1960年～1985年丰水期，平均水量80.78亿m3，占多年均64.02亿m3的126.2%；二是1986年～2002年的枯水期，平均水量45.73亿m3，占多年平均的71.4%；三是2003年～2015年的平水偏枯期，平均水量54.44亿m3，占多年平均的85.0%；四是2010年～2014年的平水期，平均水量61.34亿m3，占多年平均的95.8%,接近多年平均值。

图1 1960年～2015年渭河下游华县站历年水量变化过程线

1960年～2015年华县站沙量统计表见3，历年沙量变化见图2。由图表可知：1960年～2015年多年平均沙量2.795亿t，其中汛期沙量2.484亿t，非汛期沙量0.310亿t，分别占年的88.9%、11.1%；年输沙量集中于汛期更为突出，总体上呈减小趋势更为明显。该时期沙量变化大致可分为4个阶段：一是1960年～1978年丰沙期，平均输沙量4.270亿t，占多年均2.795亿t的152.8%；二是1979年～1996年平沙期，平均输沙量2.861亿t，占多年均的102.4%；三是1997年～2003年枯沙期，平均输沙量2.002亿t，占多年均的71.6%；四是2004年～2015年特枯沙期，平均输沙量0.821亿t，占多年均的29.4%。

表2 1960年以来华县站历年水量统计表

表3 1960年以来华县站历年水量统计表

图2 1960年～2015年渭河下游华县站沙量变化过程线

分析表明，渭河下游水、沙量变化在总体大致相同的情况下，还存在一定的差异：

一是水、沙量均集中于汛期，但沙量更为集中；二是水、沙量总体呈减小趋势，但沙量的减少更为持续与连续——由丰趋平、由平至枯、由枯减为特枯的明显特征；

三是变化过程有一定差异，如近期(2004年～2015年)呈现“水量平水偏枯、沙量为特枯”的明显差异。出险时段是2010年～2014年，该时期平均水量61.34亿m3，其中汛期水量37.86亿m3，非汛期水量23.47亿m3，分别占年的61.7%、38.3%；年径流量集中于汛期，总体上呈减小趋势。1960年～1985年平均水量80.78亿m3，占出险时段61.34亿m3的131.7%；1986年～2002年平均水量45.73亿m3，占出险时段的74.6%；2003年～2009年平均水量48.27亿m3，占出险时段的78.7%；2003年～2015年平均水量54.44亿m3，占出险时段的88.8%。出险时段水量较1960年～1985年偏枯，但较其它时段水量略多，属于平水期。

出险时间的平均沙量0.800亿t，其中汛期沙量0.754亿t，非汛期沙量0.046亿t，分别占年的94.2%、5.8%；年输沙量集中于汛期更为突出，总体上呈减小趋势更为明显。1960年～1978年平均输沙量4.270亿t，占出险时段的0.800亿t的533.5%；1979年～1996年平均输沙量 2.861亿 t，占出险时段的357.4%；1997年～2003年平均输沙量2.002亿t，占出险时段的250.1%；2004年～2015年平均输沙量0.821亿t，占多年均的102.6%。出险时段沙量相对其它时候来说是最枯、最小的时段，沙量急剧减少，洪水含沙量为各不同时候最小的时期，有利于洪水冲刷。

四是2010～2015时期洪量较1990年～2009年有所增加，沙量进一步减少，洪水含沙量为各不同时期最小的时期，有利于洪水冲刷。

3.2 场次洪水变化分析

1960年～2015年华县站洪峰流量Q≥1000 m3/s洪水的出现次数变化见图3。可以看出，洪峰流量Q≥1000 m3/s洪水场次1964年最多为14场，次多为1983年9次洪水，1984年、2005年、2013年出现了7次洪水；1970年～1989年年均4次，1990年～2015年年均2.7次，且1979年、2006年、2008年、2015年均未发生场次洪水洪峰流量大于1000 m3/s的洪水。

图3 1960年～2015年华县站洪峰流量1000m3/s以上洪水出现次数变化

1960年～2015年华县站洪峰Q≥1000 m3/s以上洪水过程洪水水沙量变化见图4。由图4可知：一是1964年、1981年大水大沙，1966年、1970年、1973年、1977年、1988年平水大沙与1975年、1983年、1984年、2003年等大水平沙年外，其它各年份洪量与洪水输沙量一般尚属协调；二是1985年～2002年期间，渭河华县站洪峰流量1000 m3/s以上各场次洪水过程洪水总量与输沙总量趋势是波动性减小的，2003年以来输沙量仍持续这种波动性减小，洪水洪量略有增加，水沙条件更有利于河道冲刷。

不同时期华县站洪峰Q≥1000 m3/s以上洪水过程洪水水沙量变化有较大差异：一是各时期年均洪量总体呈减小趋势，特别是上世纪90年代以来减小明显，洪水输沙量年均持续减小规律更为明显；二是年均洪量、输沙量不同时期差异较大，洪量最大时期均为上世纪60年代是90年代与本世纪初的年均洪量3倍多，洪水过程输沙量是本世纪以为的接近4倍，差异巨大；三是上世纪70、90年代总体水沙相对更不协调；四是2010年～2015时期洪量较1990年～2009年有所增加，沙量进一步减少，洪水含沙量为各不同时期最小的时期，有利于洪水冲刷。

近期(2003年～2015年)渭河下游华县站各场次洪水情况统计见表2。由表2可知，2003年～2015年华县站发生洪峰大于1000 m3/s或含沙量大于200 kg/m3的洪水共50场。含沙量大于200 kg/m3的高含沙洪水20场，其中洪峰小于1000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的高含沙小洪水13场，洪峰介于1000 m3/s～2000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的高含沙中小流量洪水7场，未发生洪峰大于2000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的较大流量高含沙洪水。

图4 华县站历年洪峰流量Q≥1000 m3/s各场次洪水总量与输沙总量变化过程

3.3 水沙条件变化对仓西工程出险的影响分析

出险时段的水量较1960年～1985年偏小，较其它各时段洪量略有增加，洪水含沙量为各不同时期最小的时期，大水小沙的水沙条件更有利于洪水冲刷河道。

近期（2003年～2015年）渭河下游华县站各场次洪水情况统计表见表4。由表4可知，2003年～2015年华县站发生洪峰大于1000 m3/s或含沙量大于200 kg/m3的洪水共50场。其中，洪峰流量大于 1000 m3/s、2000 m3/s、3000 m3/s、4000 m3/s、5000 m3/s以上的洪水分别有37场、14场、4场、2场、1场。含沙量大于200 kg/m3的高含沙洪水20场，其中洪峰小于1000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的高含沙小洪水13场，洪峰介于1000 m3/s～2000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的高含沙中小流量洪水7场，未发生洪峰大于2000 m3/s含沙量大于200 kg/m3的较大流量高含沙洪水。

2010年～2014年洪峰大于1000 m3/s、2000 m3/s洪水场次增加与高含沙洪水场次减少，为渭河下游仓西河段冲刷提供了充足的动力条件，各年该时期仓西河道冲刷泥沙0.1979亿m3分析亦充分证明了这一点。2010年7月下旬至9月中旬，华县站连续发生洪峰流量大于1000 m3/s洪水6场，该时段华县站洪水过程平均流量940 m3/s，这一流量对渭河下游河段是冲刷是有利的[3]。

年份 洪峰时间 最大洪峰流量 相应最大含沙量 相应水位 年份 洪峰时间 最大洪峰流量 相应最大含沙量 相应水位（m.d.h.m） （m3/s） （kg/m3） （m） （m.d.h.m） （m3/s） （kg/m3） （m）7.25.6：00 551 743 339.04 2009 2003 7.26.19：30 1980 458 341.15 9.8.11：06 2160 34.8 341.73 8.11.5：00 1270 566 339.54 9.21.16：00 3020 39.5 342.03 8.13.22：18 1130 248 338.30 10.2.6：00 2680 35.4 341.30 8.25.17：12 2170 42.8 341.19 10.13.5：00 2020 23.5 339.73 9.8.10：24 1100 37.4 339.21 2004 8.27.20：00 1050 812 339.10 9.11.7：00 1310 21.0 339.78 8.27.17：42 613 417 337.83 8.26.3：54 656 664 338.60 8.31.7：12 1120 34.2 339.83 8.29.16：48 1470 598 341.32 9.16.4：30 1010 19.3 339.55 9.1.9：48 3540 174 342.76 2010 9.11.10：12 2130 23.4 341.23 7.21.12：54 1150 551 338.72 9.17.11：30 2180 12.9 341.35 8.20.6：24 1360 40.0 339.51 9.27.20：00 5050 12.8 342.70 9.22.7：30 1490 72.3 338.61 2012 7.4.14：12 2060 180 340.67 2011 2005 5.30.19：48 1050 6.1 338.20 2006 7.17.16：00 555 724 336.82 7.11.2：36 1210 161 337.96 8.17.1：14 615 486 337.09 7.17.4：06 1180 491 337.57 7.26.8：00 6710 353 337.26 10.1.2：00 2540 37.7 340.84 8.20.9：18 1130 39.7 338.26 10.4.8：00 4850 21.8 342.32 9.3.2：18 2250 36.1 339.58 10.7.20：00 1720 17.0 339.70 2013 2007 7.27.7：18 662 296 337.94 7.20.5：54 1280 71.1 337.72 7.31.23：42 940 300 337.93 7.24.9：24 2470 99.3 340.27 8.11.7：30 1840 109 340.15 7.27.14：00 1520 94.5 338.92 9.1.18：48 1130 89.9 338.05 8.9.14：00 1020 26.1 337.57 2008 8.14.2：54 252 426 337.03 2014 8.22.20：00 312 385 336.01 8.21.7：30 409 358 337.27 9.17.16：18 1580 12.1 339.50 9.2.23：36 475 288 337.83 2015 8.14.11：00 558 350 336.85 Q≥1000m3/s的洪水场次 37场 Q≥2000m3/s的洪水场次 14场Q≥1000m3/s的洪水场次 4场 S≥200kg/m3的洪水场次 20场1000m3/s≥Q且S≥200kg/m3洪水场次 13场 1000＜Q≥2000m3/s且S≥200kg/m3洪水场次 7场

上述分析表明：2010年～2014年水沙条件特别是汛期洪水为仓西河段冲淤、河势弯化与工程出险等方面的河道变化提供了动力(或能量)条件与保障；但从洪水条件分析，除“11.9”洪水外，其它洪峰介于1000 m3/s～2500 m3/s，洪水流量小于仓西河段中水治导整治流量3000 m3/s，一般不会引起整治控导工程的破坏失稳。因此，尽管2010年～2014年水沙条件与汛期洪水为仓西工程出险担供了动力与条件，但不是仓西工程出险的主要原因，整体上在仓西工程出险的影响因素中居于从属地位。

4 结论与建议

4.1 结论

⑴在洪水量级不大的情况下仓西工程2010年～2014年连续5年出险；该时期水沙条件与汛期洪水相对与原设计条件水沙条件发生一定变化；因此，分析研究仓西工程特殊出险中水沙条件变化的影响，为未来相似工程设计时考虑不同水沙条件下的工程相关设计参数提供技术支撑，确保工程与堤防安全有着重要的意义，开展该项研究是十分必要的。

⑵出险时段的水量较1960年～1985年偏小，较其它各时段洪量略有增加，但洪水含沙量为各不同时期最小的时期，水沙条件更有利于洪水冲刷河道。

⑶2003年～2015的水量平水偏枯期、沙量持续特枯是近期渭河下游水沙过程的主要特点；不同时期华县站洪峰Q≥1000 m3/s以上洪水过程洪水水沙量变化有较大差异：一是各时期年均洪量总体呈减小趋势，特别是上世纪90年代以来减小明显，洪水输沙量年均持续减小规律更为明显；二是年均洪量、输沙量不同时期差异较大；三是上世纪70、90年代总体水沙相对更不协调；四是2010年～2015时期洪量较1990年～2009年有所增加，沙量进一步减少，洪水含沙量为各不同时期最小的时期，水沙条件更有利于河道冲刷。

⑷从洪水条件分析，除“11.9”洪水外，其它洪峰介于1000 m3/s～2500 m3/s，洪水流量小于仓西河段中水治导整治流量3000 m3/s，一般不会引起整治控导工程的破坏失稳。因此，尽管2010年～2014年水沙条件与汛期洪水为仓西工程出险担供了动力与条件，但不是仓西工程出险的主要原因，整体上在仓西工程出险的影响因素中居于从属地位。

4.2 建议

从仓西出险情况分析可以看出，在今后类似河弯设计修建防护工程，在考虑水流平均流速外，还应增加河段水流最大流速时坝头局部冲刷深度的分析计算，并作为坝头抗冲设计的重要依据与参考，确保工程稳定，实现控导河势、理顺流路，保障防护对象安全的目标。