稳定河宽在白家河秦州段堤防治理中的分析与应用

陈超博

（天水市水利水电勘测设计研究院有限公司，甘肃 天水741000）

1 项目区概况

天水市秦州区白家河属长江流域嘉陵江水系永宁河上游干流，主流发源于秦州区娘娘坝镇大山坝，海拔1966m，流域面积2162km2，主流长111.8km，上下游落差820m，河床平均比降1/93，流域下垫面多为石山林，植被良好。白家河流经柳林、娘娘坝、李子园等乡（村），于麦积区马家坪附近汇入徽县境内。

本次工程位于白家河干流及部分支流上。流域多年平均气温在7-12℃之间，年均降水量531mm，多年平均蒸发量为1290.5mm，日照时数2032.1h，无霜期150-230d，最大风速21m/s，最大冻土深度61cm。

2 河道稳定分析

2.1 造床流量

所谓造床流量，是指其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量。这种流量对塑造河床形态所起的作用最大，它不等于最大洪水流量，因为尽管最大洪水流量的造床作用剧烈，但时间较短，所起的造床作用并不是最大；它又不等于枯水流量，因为尽管枯水流量作用时间较长，但流量较小，所起的造床作用也不是最大。因此，造床流量是一个比较大而又并非最大的洪水流量。

在实际工作中人们往往用平滩流量来代替造床流量。这一方法概念清楚，方法简易，因而应用较广泛。钱宁在《河床演变学》一书中提出，造床流量约相当于1.5年（P=66.7%）一遇的洪水流量，本次造床流量的确定根据治理段河道流域特征、基本资料情况及河道的实测断面采用2年一遇洪水设计洪峰流量法确定工程区造床流量。

2.2 河床稳定分析

河床在纵深方向的稳定性主要决定于泥沙抗拒运动的摩阻力与水流作用于泥沙的拖拽力的对比，根据河床物质的粒径特征及河床的深泓线纵坡坡降，纵向稳定系数φh按下式计算：

式中：φh为纵向稳定系数；d为床砂平均粒径（mm）；h为河流平滩水深（m）；J为纵比降。

研究表明，φh值越大，泥沙运动强度越弱，河床因沙波运动或因流路变化产生的变形越小，河床越稳定；反之，φh值越小，则河床越不稳定。

横向稳定系数与河岸稳定密切有关，计算公式如下：

式中：φb为横向稳定系数；Q为造床流量（m3/s）；J为纵比降；B为相当造床流量的平滩河床（m）。

研究表明，φb值越大，河身相对较窄，比降较少，水流平缓归顺，河岸越稳定；反之，φb值越小，则河岸越不稳定。

根据表1数据分析结论如下：

表1 白家河沿程（各段落）纵、横向稳定计算成果表

白家河秦州段沿程横向稳定性差，一遇洪峰股流摆动较大，由于各段造床流量不同、床砂粒径不同、稳定性变化较大，横向稳定性沿程趋于稳定性好的方向发展。

白家河秦州段沿程纵向稳定性越来越差，分析原因为由于纵比降越来越小，加之下游河床漫滩淤积较上游严重，一般下游河床漫滩砂卵砾石粒径较上游变小，河床糙率减小，因此对水流的阻力减小而造成水流速度加快，一遇洪水流速持续作用，极易造成河床漫滩纵向较大冲刷，严重影响河床纵向稳定性。

1.2.2 评价方法。课程结束后，对两组学生统一进行理论和读片技能考核，并对实验组学生发放无记名的问卷调查。理论考试内容为教学大纲规定的知识点，读片技能考核主要从评价考核库中选取不同难度系数的病例，包括X线、CT及MRI图像，重点考察学生对常见病及多发病的阅片能力。2项考核总分均为100分。问卷调查旨在了解学生对新型示教模式的效果评价，评价内容包括激发学习兴趣和热情；增强自主学习能力；提高分析问题、解决问题能力；锻炼学生语言表达能力；训练临床思维，提高阅片能力；加强师生交流，融洽师生关系；是否值得推广。发放问卷66份，收回有效问卷66份，有效问卷回收率100%。

2.3 河相关系

河相关系是指在相对平衡状态下河流河槽的纵横断面形态与流域来水、来沙及周界条件等因素之间的某种定量关系，反映河段的河槽纵横断面形态，横断面取决于来水来沙条件及河床地质组成，其横断面尺寸受河相关系控制，中水河槽的河相关系按下式确定：

式中：ξ为河相系数；B为造床流量下的水面宽（m）；H为造床流量下的平均水深（m）。

当ξ为2～4时，河道属蜿蜒型河道；ξ为8～12时，河道属顺直型河道；ξ为20～30时，河道属游荡型河道。

通过表2分析计算可知，白家河秦州区工程治理段介于蜿蜒型-顺直型河段过渡段。

表2 白家河沿程（各段落）河相系数计算成果表

2.4 堤距的确定

河道治理以整治洪水河槽为依据，因此河道宽度的确定主要考虑以下因素：一是满足防洪要求；二是满足稳定河宽的要求；三是适应现有河槽实际行洪宽度。

2.4.1 稳定河宽

白家河天然河床较窄，河槽高差较小、河床计算稳定河宽的目的是依据稳定河宽与治理河宽的关系，确定整治河宽。

方法1：三式联解法

水流连续公式：

河相关系式：

三式联解可得：

式中：n为综合糙率，取0.035～0.038；R为为水力半径；Q为造床流量（m3/s）；B为平滩水面宽（m）；H为平滩水深（m）；ξ-河相系数；J为河床比降（‰）。

方法2：阿尔图宁公式法

式中：B为稳定河宽（m）；A为稳定河宽系数，本工程流域属中游河段，变化系数在1.1～1.7之间，本次计算取1.4；Q为造床流量（m3/s）；J为河床比降（‰）。

计算结果见表3。

表3

由计算结果可知，三式联解法与阿尔图宁公式法所得结果相近，表明参数取值合理，两种方法均适用本段河道稳定河宽计算。

2.4.2 治理河宽确定

本次工程治理河宽主要依据工程区河道现状及河道两岸现状河床宽度，结合稳定河宽的计算，使得最小堤距不小于计算的稳定河宽，尽量不缩窄河道。确定治理各工程段落治理河宽如下，大南峪以上段40m，大南峪-董水沟段40～60m，董水沟-河口村段60m，河口村-望天沟段60～75m，望天沟～白音峡段75～85m，白音峡-张家庄段85～100m。

3 结论

（1）钱宁在《河床演变学》一书中提出，造床流量约相当于1.5年（P=66.7%）一遇的洪水流量，本次造床流量的确定根据天水地区多年河道整治经验、治理段河道流域特征、基本资料情况及河道的实测断面采用2年一遇洪水设计洪峰流量法确定工程区造床流量。在实际应用中常采用平滩流量来代替造床流量，这一方法概念清楚，方法简易，因而应用较广泛。

（2）河床在纵深方向的稳定性主要取决于泥沙抗拒运动的摩阻力与水流作用于泥沙的拖拽力，根据河床物质的粒径特征及河床的深泓线纵坡坡降，工程治理段由于纵比降越来越小，河床漫滩砂卵砾石粒径变小，河床糙率减小，水流速度加快，遇洪水持续作用，极易造成河床漫滩纵向冲刷，严重影响河床纵向稳定性。故在防洪规划治理中应沿程逐步加大纵向安全埋深。

（3）横向稳定系数与河岸稳定密切有关，由于横向环流的作用，表层含沙量小的水流流向并冲刷凹岸，加之纵向水流对凹岸的顶冲，造成凹岸不断的坍塌后退形成深槽陡岸；坍塌造成凸岸不断淤积前进形成平缓的滩地。在治理工程中应对凹岸采用加大转弯半径，减小水流作用，重点固岸治理。

（4）三式联解法与阿尔图宁公式法所得结果相近，表明两种方法均适用本段河道稳定河宽计算。稳定河宽的计算是规划治理河宽的依据，对规划治理河宽的确定有较强的指导和现实意义。