黄河下游陆集滩“二级悬河”治理模型试验研究

万强　张建煜　李军华

摘要：在以往研究的基础上，根据试验研究河段的水文、泥沙特点，合理设计物理模型比尺，并对模型进行水位过程率定和验证，对黄河下游“二级悬河”试验河段淤填堤河治理措施进行物理模型效果检验。实体模型试验表明，通过“二级悬河”治理，當遇到较大上滩洪水时，滩地顺堤行洪流速降低，堤根水位下降、水深减小，洪峰期滩区分流比减小，滩区断面形态得到一定改善，滩地横比降大幅减小，“二级悬河”形势发生明显改善，堤防的安全性大幅提高。

关键词：“二级悬河”;实体模型试验;滩区洪水特性;黄河下游

中图分类号：TV85;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.006

1 前言

20世纪80年代中期之后，黄河下游河道持续萎缩，河槽逐渐高于临河滩地，形成“槽高、滩低、堤根洼”的。二级悬河”局面。2002年以来，黄河下游经历多次调水调沙，使得下游“二级悬河”形势得到一定缓解。但由于河槽持续过流小水，未经历大洪水的冲刷塑造，滩地没有洪水漫滩和淤积抬升，因此下游河道“二级悬河”的局面并未得到根本扭转。目前河南黄河白鹤以下长464 km的河段，形成“二级悬河”的河段长280 km，占河段全长的60%.尤其东坝头以下河段，全河段均呈”二级悬河”态势[1]。“二级悬河”形势的不断加剧，增大了黄河下游的防洪负担。黄河下游一旦发生较大洪水，漫滩水流极易形成滩区集中过流，造成重大河势变化，主流顶冲堤防、顺堤行洪，严重威胁下游堤防的安全[2]。

“二级悬河”治理作为黄河下游治理面临的主要问题之一，受到了广泛重视。综合考虑“二级悬河”的发展程度，黄委将近期“二级悬河”治理重点放在东坝头一陶城铺河段[3]。本试验针对形势最严峻且河势变化剧烈的陆集滩河段（邢庙一孙楼），开展“二级悬河”治理效果试验，以分析大洪水条件下该河段治理对“二级悬河”形势的改善情况。

2“二级悬河”治理工程情况

“二级悬河”是指河槽平均河底高程高于滩地平均河底高程的河流（或河段）。图1为“二级悬河”横断面示意图。

“二级悬河”治理工程位于史楼一于庄陆集滩，基本方案为从河道主河槽内抽取泥沙淤填大堤内侧的堤河，以达到减小滩地横比降、降低顺堤行洪风险的目的。淤填堤河段相应左岸临黄堤公里桩号为126+ 000-139+ 400。堤河淤填总长13.4 km，需土方816.24万m。淤填土料来自主河槽，取土河槽长11.58 km。堤河淤填体以现状堤河控制淤填宽度，最大不超过500 m，淤填外缘高于临近滩面1m左右，治理工程完工后将还耕群众[4]。淤填区沿堤线布置在临河侧，淤填区外布置围堤，围堤外侧布置退水渠，见图2。

3 模型比尺设计、验证及试验安排

根据原型河床条件、对黄河下游冲积性多沙动床模型比尺及变率问题的前期研究结果[3]，确定该模型水平比尺A= 600，垂直比尺A=60，模型几何变率D= 10。试验河段布置见图3。根据模型比尺计算悬沙粒径比尺为0.81，此次用于模型的悬移质泥沙中值粒径为0.010-0.025 mm，选用郑州热电厂粉煤灰作为动床模型的模型沙。模型设计主要遵循的相似条件有几何相似、水流运动相似、泥沙运动相似，见表1。

模型经过水位验证，流量为1 000 m/s的沿程水位和原型实测值基本吻合（见图4），说明实体模型的设计能够满足河道阻力相似准则。

试验水沙条件采用孙口站“82·8”修正型洪水过程，即针对原型1982年8月1-12日孙口站洪水过程，保证含沙量与原型一致条件下，流量过程按20%同倍比缩小。孙口站总水量为74亿m，总沙量为1.8亿t，最大流量为8 080 m/s。“82·8”洪水是一场典型的丰水少沙型洪水，为1949年以来黄河下游出现的第二大洪峰，来水区间为三门峡至小浪底，是典型的下大型洪水。在目前小浪底水库发挥防洪调控作用的条件下，仍有较大发生概率。

试验共开展2个组次：第1组试验，研究陆集滩现状边界条件下洪水演进漫滩情况、“二级悬河”的发展对滩区及堤防所造成的影响和危害：第2组试验，对河槽开挖并按设计部位淤填堤根后的地形施放与第1组试验相同的漫滩洪水，将试验结果与第1组试验对比，分析堤河淤填后顺堤行洪流场、水文要素变化、断面冲淤量、滩槽分流比等的变化情况，研究该河段“二级悬河”的改善情况。

初始边界条件均采用近期现状河道地形，河道整治工程、生产堤、村庄等地物地貌都按现状情况布设。

4 模型试验结果

4.1“二级悬河”治理对顺堤行洪状况的改善

在两组试验中，堤河低凹的地形为顺堤行洪提供了基本的边界条件。因滩地横比降较大，故当洪水开始漫滩后，漫滩水流即冲毁生产堤的薄弱地带，斜向冲击大堤，并在堤河低凹地带顺堤行洪，现状条件下堤河的最大流速达到2.01 m/s。显然，这样大的流速对堤防工程的安全构成了极大威胁。

堤河淤填体的修筑如同在大堤与漫滩洪水间设置了一道屏障。两组试验堤河流速对比见表2、表3，可以看出在洪水过程的各个阶段，经过堤河的淤填治理，治理堤段堤河流速明显降低。

对于桩号126+800、129+600、134+200位置3个测点，经过淤填堤河治理，“82·8”型洪水过程中最大顺堤行洪流速从1.23 - 1.65 m/s下降到0.81-0.98 m/s。

4.2“二级悬河”治理对堤防偎水状况的改善

对比两组试验的堤河水位变化（见表4），经过淤填堤河，河槽被挖深，主槽过流能力增大，洪水上滩的流量比现状条件要小，因此相应治理后的堤河水位有所降低。

通过试验过程中对堤根水深的测量可知，堤根低洼、坑洼多.堤河在未淤填治理的条件下，其最大水深达到4.39 m（见表5）。大堤在高水位、大水深的洪水浸泡下，增大了堤防发生溃决的可能性。对比两组试验堤河水深测验结果可以看出，经过堤河淤填治理，同流量下治理堤段的水深明显小于未治理堤段的水深。

4.3 “二级悬河”治理对陆集滩分流情况的影响

对比两组试验陆集滩的分流情况（见表6）可知，位于陆集滩最上端的史楼断面流量没有明显变化。但是，各流量级现状条件的滩地分流量均比治理后高，現状滩地总分流比也高于治理后。其原因是一方面“二级悬河”治理后，滩地横比降减小削弱了漫滩洪水的运行动力和流速，另一方面挖河淤填造成主槽的过水断面扩大，使得洪水能够更为顺畅地沿主槽下泄。

4.4“二级悬河”治理对滩地横比降的改变

通过两组试验滩地横比降的对比（见表7）可见，“二级悬河”堤河淤填治理使陆集滩主要断面的横比降计算值大为降低。对比两组试验洪水后的断面横比降变化，总趋势是洪水后的比降略大于洪水前的初始比降，其原因是洪水漫滩形成了一定的滩唇淤高，顺堤行洪使得近堤滩面有部分冲刷。

5 结论

通过黄河下游“二级悬河”治理工程效果验证试验可以看出，在滩区开展堤河淤填工程进行“二级悬河”治理的条件下，当遇到较大上滩洪水时，滩地顺堤行洪流速明显降低：堤根水位有一定程度的下降，水深减小：洪峰期试验滩区洪水上滩分流比减小：滩区断面形态得到一定改善，滩区横比降因淤填而大幅减小，“二级悬河”形势发生明显改善，堤防的安全性大幅提高。

参考文献：

[1]廖义伟，黄河下游“二级悬河”成因及治理对策[M].郑州：黄河水利出版社，2003：35-44.

[2] 江恩慧，曹永涛，李军华，等，黄河下游游荡性河段河势演变机理及河道整治若干关键技术问题研究[R].郑州：黄河水利科学研究院，2005：80-120.

[3] 张红武，江恩慧，张清，等，黄河高含沙洪水模型的相似律[M].郑州：河南科学技术出版社，1994：21-28.

[4] 陈懋平，王凤群，马乐，等，黄河下游“驼峰”河段及“二级悬河”治理试验工程可行性研究[R].郑州：河南黄河勘测设计研究院，2009：67-99.

【责任编辑许立新】