宁夏黄河游荡型河段泥沙冲淤及河床变形计算

2020-12-14周跃华顾靖超张红武

人民黄河 2020年11期

关键词：泥沙

周跃华顾靖超张红武

摘要：选取游荡型河段的汊河区域设置 24 个实测横断面开展水下根石、泥沙粒度与含沙量监测，分析研究区域的河床变形及根石移动情况。结果表明：水下投放格宾石笼后，右岸受到了保护，水下根石保存基本完整;左岸河床较低，水深和流速较大，出现了崩岸现象，2018年6月28日至11月11日河道向左岸展宽 20～80 m;右岸河床较高，水深和平均流速较小，沿横向基本没有变化;整体断面左岸冲刷，其余位置均出现程度不同的淤积，深泓线逐渐从靠近右岸移动到左岸，平均淤积厚度为1.06 m，总淤积量为5.088万m3，从上游到下游，淤积量和平均淤积厚度呈先上升、后下降的趋势。

關键词：护岸工程;泥沙;冲淤;河床变形;黄河宁夏段

中图分类号：TV871;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.007

Abstract：In this paper， 24 measured cross sections were set up to monitor the grain size and sediment content of underwater root stone， and the deformation and movement of root stone were analyzed. The results show that the right bank is protected after the gabion is put into water and the root stone is preserved in water. The river bed on the left bank is relatively lower， the water depth and flow rate are relatively larger and there is a phenomenon of bank collapse. The width of the river is about 20-80 m to the left bank. The riverbed on the right bank is relatively higher and the water depth and average flow rate are relatively smaller. The overall section shows the left bank erosion and the rest of the positions all show different degrees of siltation. The deep line gradually moves from the right bank to the left bank. The average siltation thickness is 1.06 m and the total siltation volume is 50，888 m3. The siltation volume and average siltation thickness are increased first and then decreased from upstream to downstream.

Key words： revetment works; sand; scratching; riverbed deformation; Ningxia section of Yellow River

黄河宁夏段二期防洪工程是国务院确定的172项重大水利项目之一，通过堤防工程和河道整治工程建设，对进一步完善宁夏黄河防洪工程体系，保障沿黄地区防洪（凌）安全和宁蒙地区经济社会的稳定发展具有十分重要的意义[1]。

本研究选取宁夏银川市滨河新区黄河外滩河段，对黄河宁夏段二期防洪工程水下根石情况进行监测，根据监测结果对所研究区域的河床变形及根石移动情况进行计算，探索防洪工程对河岸及河床的影响，对防洪工程建设后出现的河岸变化及河床演变情况进行合理预测，给出加固河岸的合理建议，供有关部门参考。

1 2018年黄河宁夏段夏秋洪水基本情况

2018年汛期，受黄河河源地区降雨和融雪影响，黄河上游干支流来水较多，自7月13日黄河1号洪峰进入宁夏境内，下河沿入境流量骤增到2 250 m3/s，之后持续在2 000 m3/s左右。8月27日之后，下河沿入境流量逐步加大到2 500 m3/s，瞬时最大洪峰流量达到3 540 m3/s。10月13日，黄河防总终止上游防汛Ⅳ级应急响应，下河沿入境流量回落至2 000 m3/s。截至10月16日，黄河宁夏段入境流量大于2 000 m3/s运行74 d，大于3 000 m3/s运行19 d，沿河水位较6月底普遍上涨2.0～3.5 m，洪峰量值之大、洪水历时之长均创1981年以来之最。

2 研究区域地形及断面布置情况

宁夏银川市滨河新区黄河外滩河段属典型游荡型河段，主流摆动频繁[1]。图1中红色标识区域为具体研究区域，长为 500 m，河宽为1 200～1 500 m。研究区域靠近右岸200～250 m处有连续河心滩，将黄河分为左岸主河和右岸汊河，本研究实际研究对象为河心滩至右岸护岸工程这一区域内的右岸汊河。

研究区域设置24个横断面，断面SH1与SH2相距40 m，其余相邻断面间距均为20 m。根据预设横断面桩号坐标，利用3次样条插值方法进行插值，可以得到河道两岸岸线，把设置的24个断面套绘在同一张图中，如图2所示。其中：SH1位于研究河段入口处，SH24位于研究河段出口处。可以看出，右岸因布设了格宾石笼，故河岸没有冲刷，基本成一条直线，而左岸为河心滩，为一条不规则曲线。

3 研究区域现场实测数据及分析

两次实测时间为 2018年 6 月 28 日和 11 月11日。测量时，用快艇载声学多普勒流速剖面仪沿横断面从断面一侧行到另一侧。该仪器每隔1 s自动采集数据一次，每次测得流速和水深，将该处的水位减去水深，即得河床高程。为减少测量误差，每个断面来回测两遍，取两次中数据较好的一次或进行平均。将断面不同位置处的河床高程与平均流速点绘在同一图中，即得到断面形态及流速分布（见图3）。

3.1 6月28日实测数据及分析

河段流量为 842 m3/s，平均水深为3.3 m，最大水深為5.1 m，平均流速为 1.45 m/s，平均断面面积为580 m2，详细数据见表1。由于研究区域范围较小，因此不同断面平均流速变化幅度较小。

由于断面SH1、SH2左岸为浅滩，水深较小，快艇无法到达岸边，因此这两个断面左岸附近约100 m范围无法进行测量，河床高程可利用线性插值法得出，而水流流速值没有给出。这两个断面靠近右岸处水深较大，平均流速较大。

从断面SH3 至断面SH9，河道地形基本相同，呈两边高中间低的开口向上抛物线，而最大流速即主流线位于河道中心处，断面流速基本呈开口向下的抛物线分布。这些断面除两岸附近及河道中心个别位置外，河床沿横断面较为水平，水流垂线平均流速较为均匀。

从断面SH10开始，最大水深逐渐向左岸靠拢，河床高程呈左低右高的形态，而且越往下游，河床横比降越大。至断面SH24处，主槽已经完全靠近左岸，而右岸为浅滩。也就是说，深泓线从上游到下游，逐渐偏离右岸，向左岸靠拢。从流速分布来看，断面SH10至断面SH16主流线（最大流速）忽左忽右，不太稳定;从断面SH17开始，主流线逐渐向左岸靠拢，至断面SH24，主流线已经靠近左岸。

从以上分析可以看出，在右岸沿线布置护岸工程后，右岸较为稳定，河床呈现淤积状态，主流偏离河道中心，向左岸偏离，对左岸附近河床造成较大冲刷，左岸附近河床高程降低，水流流速变大。

3.2 11月11日实测数据及分析

该河段流量为 743 m3/s，平均河宽为226 m，断面平均流速为1.2 m/s，详细数据见表2。

图4为各断面实测河床高程及垂线平均流速的套绘。可以看出，河床高程及垂线平均流速分布情况与6月28日实测数据基本一致。上游区域（从断面SH1到断面SH9），河床高程呈开口向上抛物线分布，深泓线位于河道中心附近，河床横比降较小。断面SH1至断面SH4，流速沿横向分布较为均匀，主流线位于河道中心线附近;断面 SH5至断面SH9，最大流速靠近左岸;从断面SH10开始，深泓线逐渐向左岸偏移，主流线也同样向左岸靠拢。

两次实测从时间上来说间隔4个半月，从实测的结果来看，第二次实测时流量及断面平均流速均小于第一次实测结果，各断面右岸附近河床高程第二次实测值普遍高于第一次实测值，说明在布置水下根石后，根石附近区域河床淤积较为严重。

3.3 两次实测水下地形比较及分析

为了得到银川市滨河新区黄河外滩河段河床冲刷情况，将部分断面的两次实测结果套绘在一起（见图5）。可以看出，研究区域横断面整体呈淤积形态。一般而言，左岸呈冲刷状态，而右岸呈淤积状态，其原因是右岸采用格宾石笼护坡护脚，而左岸没有任何保护措施。在上游来流较大时，左岸受到了冲刷，甚至产生了崩岸现象，河宽变大，但是右岸附近出现了淤积。

断面SH3靠近研究区域上游，左岸附近出现冲刷，且左岸向左迁移 20 m左右，右岸附近河床淤积。其原因主要是7—9 月的汛期洪水流量较大（2 000～3 500 m3/s），水流挟沙力较大，河床冲刷较为严重，但因右岸布设了格宾石笼、无法冲刷，而左岸没有任何护岸工程、土质较软，故河底及左岸附近出现了较大幅度的冲刷，甚至产生了崩岸，而右岸附近没有冲刷。当流量变小后，因水流挟沙力减小，故右岸附近区域出现了一定程度的淤积，而左岸附近仍以冲刷为主。其他断面也和断面SH3类似，出现了不同程度的冲淤现象。断面SH4靠近河道中心淤积较为严重，最大淤积厚度达1 m，但左右两岸附近出现了一定的冲刷。断面SH5和断面SH6左岸冲刷，其余位置均出现程度不同的淤积。断面SH7左岸有微弱的冲刷，其余位置均出现程度不同的淤积，尤其是靠近河道中心处，淤积最为严重，淤积厚度为 1 m 左右。断面SH8最大水深位于左岸附近，左岸出现了明显的崩岸现象，右岸泥沙淤积较为严重，最大淤积厚度1.5 m，其余位置均出现了程度不同的淤积。断面SH9、SH10左岸附近同样出现了较大幅度的冲刷，出现了崩岸现象，断面其余位置都有不同程度的淤积，淤积厚度最大的区域发生在断面中心处，为1 m左右，右岸水深较小。从断面SH11至断面SH24，左岸附近均出现程度不同的崩岸现象，冲刷较为严重，而其余位置均出现了一定的淤积。

总体来说，通过对以上部分断面地形比较分析可知，在上游附近区域，左岸出现一定冲刷，河道中心附近河床淤积;在研究区域中下游，左岸出现崩岸，河道向左展宽20～80 m，其余位置均出现程度不同的泥沙淤积，尤其是河道中心泥沙淤积较为严重。河底地形逐渐发展变为左深右浅，右岸附近泥沙淤积也较为严重，覆盖了水下格宾石笼。

4 河床冲淤计算及分析

4.1 含沙量及泥沙粒度分析

11月利用深水取样器在6个典型断面的左岸、右岸和河道中心附近分别取样一次，泥沙粒度分析结果见表3。通过分析各断面悬移质泥沙粒径分布可以发现，靠近左岸处泥沙中值粒径偏大，均值约为15 μm，而河道中心和右岸附近泥沙中值粒径偏小，约为12 μm，研究河段泥沙平均中值粒径约为13 μm。

4.2 河床冲淤分析

4.2.1 河床冲淤量计算方法[3-5]

4.2.2 河床冲淤计算分析

根据两次测量的实测断面，将研究区域划分为23个单元，其中：断面SH1到断面SH2为第一单元，记为SH1-SH2;最后一个单元为断面SH23到断面SH24，记为SH23-SH24。为了计算方便，设定每个断面长度均为100 m，从右岸开始计算。每个单元的淤积量、占总淤积量比例及平均淤积厚度见表4。

从表4可以看出， 2018年6月28日至11月11日，经过了4个半月的发展，总淤积量约为 5.088万m3，平均淤积厚度为1.06 m。最大的单元淤积量在SH1-SH2，淤积量为0.451 4万m3。此位置正好在河道上游区域，而且断面之间的距离为40 m，计算的单元面积也大于其他的单元，故该单元的淤积量最大。淤积量和平均淤积厚度最小的是最后4个单元。

图7为研究区域不同位置淤积量和平均淤积厚度。可以看出，除单元SH1-SH2外，淤积量和淤积厚度在上游区域先增加，到断面SH4到达最大，然后再逐渐减小。

5 结论与建议

（1）靠近右岸投放的格宾石笼有效防止了右岸的冲刷，保护了景区的环境。通过以上研究可以得知，为了保护景区而投放的格宾石笼发挥了相应作用，在汛期没有被水流冲走。

（2）研究区域右岸出现了较为严重的淤积。

（3）对于投掷的格宾石笼，清除淤泥后，建议进一步加高加固，增高1 m以上，以免以后汛期景区出现险情。

（4）建议对宁夏银川市滨河新区黄河外滩河段进行持续的监测和数值模拟研究，研究该河段河床及河岸的变形情况，以便及时采取有效措施，保护景区安全。

参考文献：

[1] 顾靖超，周跃华，陆立国，等.高强度塑钢板桩在黄河护岸工程中的应用[J].人民黄河， 2019，41（11）：22-25.

[2] 宁夏水利科学研究院.黄河宁夏段二期防洪工程高强度塑钢组合板桩引进与试验研究[R].银川：宁夏水利科学研究院，2019：116-128.

[3] 黄河勘测规划设计研究院有限公司.黄河宁夏河段二期防洪工程初步设计报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2017：174-181.

[4] 北方民族大学.黄河宁夏段二期防洪工程水下根石监测及计算[R].银川：北方民族大学，2018：18-79.

[5] 景何仿.黄河大柳树—沙坡头河段连续弯道水流运动及河床变形数值模拟研究[D].银川：宁夏大学，2011：66-81.