考虑河道演变影响河道治理宽度确定

2023-12-19严恒恒

陕西水利 2023年12期

严恒恒

（深圳市广汇源环境水务有限公司,广东深圳 518000）

1 引言

河道综合治理工程目的在于改善河道行洪情况,保障岸坡稳定性。河道治理宽度是影响工程施工效果的重要参数[1-3]。因此,在工程实践中需要结合河道具体情况,选取适宜的治理宽度,保障工程质量。

工程起点为南营水库下游泄洪洞出口,末点为连霍高速桥。工程区河道长度为14.5 km。南营水库位于武威市走廊南山山前,距武威市20 km,项目区临近县道151、国道312,交通十分便利。金塔河沿途两岸涉及新华、金塔、和平、高坝4 个乡镇50 个村427 个组、20334 户、农业人口85157 人、非农业人口2375 人。本次治理的上游段两岸大多是农田、村庄,河道能否安全行洪不仅影响金塔河农防段防洪安全,还直接影响城区的防洪安全,在流域整体防洪体系中占据重要的地位。

2 河道演变及河相分析

2.1 造床流量Q

根据金塔河流域特征、实测断面等资料采用1.5 年一遇洪水设计洪峰流量法和平摊流量法计算造床流量。

（1）1.5 年一遇洪水法

根据金塔河流域特征及基本资料情况采用1.5 年一遇洪水设计洪峰流量法,南营水库至连霍高速桥段造床流量为91.5 m3/s。

（2）平滩流量法

根据工程区河槽的实测断面,南营水库至连霍高速桥段造床流量为88.7 m3/s。

将以上两种计算方法算出的造床流量进行对比分析,再根据河流特征及现状调查情况,确定采用1.5 年一遇洪水法计算的成果,因此,南营水库至连霍高速桥段的造床流量采用91.5 m3/s。

2.2 河相关系

河相关系是指河槽断面形态与流域来水、来沙等因素之间的关系,河相关系按下式确定：

式中：ζ为河相系数；B 为平滩水位时河宽,m,取66m；h 为平滩水深,m,取1.05 m。

计算得河相系数ζ=8.1。对工程治理段河道断面进行分析计算,河段属蜿蜒型河道和顺直型河道之间的过渡性河段（蜿蜒型河道ζ约为2～4,较为顺直的过渡性河段约为8～12,游荡型河道ζ约为20～30）。通过以上河床演变分析可知,治理河段河势总体稳定,局部失稳。河道凸岸淤积,凹岸冲刷。

3 河床的稳定性分析

（1）洪冲枯淤

弯道纵向变形是洪水期冲刷、枯水期淤积,而过渡段则相反。年内输沙量虽然不能达到完全的平衡,但就较长时期平均输沙量而言,纵向输沙量是基本平衡的。

河床纵向稳定系数φh按下式计算：

式中：d 为床沙平均粒径,m；h 为平摊水深,m；J 为河道纵比降。

表1 河床纵向稳定系数计算表

根据以上计算结果并结合地质资料可知,纵向稳定系数较大,河床愈稳定,治理段河床纵向稳定系数均较大,说明河床纵向稳定较稳定,河道底坡可不做大的调整。

（2）凹岸崩退、凸岸淤长

由于横向环流作用,水流流向并冲刷凹岸,导致凹岸坍塌后退；坍塌下来的泥沙使凸岸不断淤积。

横向稳定系数与河岸稳定密切有关,主要是主流顶冲地点及其走向和河岸土壤抗冲能力。按下式计算：

式中：Q 为平摊流量,m3/s,与造床流量相当；J 为河道纵比降；B 为平摊水位时河宽。

表2 河床横向稳定系数计算表

根据以上计算结果并结合地质资料可知,本河段的河床横向稳定系数小于1,说明河床横向稳定性较差,河岸不大稳定,弯曲河岸（凹岸）易受水流冲刷,横向变形较大。

（3）综合稳定系数

综合稳定系数可反映河道的整体稳定性,可按下式计算：

计算得φ=0.33,说明本工程治理段河床整体稳定性较差,河床不稳定。

4 河道演变及河势分析

河床演变是水流与河床相互作用的结果。水流与河床处在不停的变化之中,当修筑水工建筑物后,河床的变化才受到制约。根据调查,历史上金塔河河床演变复杂,河床纵向变形为强烈冲刷和淤积,横向变形为大幅平面摆动。水流受坡降、河床宽窄等因素影响,冲刷河床和携沙能力也不尽相同,从而就会使河道发生变化。

蜿蜒弯曲形河道成因。河道形态通常从以下几个方面进行描述：一是平面形态,二是河床纵削面形态,三是河床横剖面形态,四是河床地貌,五是造床流量,六是河床稳定性系数。蜿蜒弯曲河型成因研究可归结为两类。一类纯粹讨论水流本身弯曲运动的原因；另一类统计流域因素影响包括：地理环境、河床的土质组成及其结构对塌岸的强弱。河段床沙质和输沙基本平衡,有利于蜿蜒性河段的形成,从来水条件看,流量是影响河势演变的主要因素之一。洪水期比降平缓,滩面有植被,否则易于切滩,水流自然,不受边界约束。

蜿蜒形河段的演变规律。蜿蜒形河段演变最本质的问题则是在环流作用下横向输沙不平衡。当上下游河弯的这种演变过程由于某种原因,如河岸组成不均匀,成份不一致时,往往出现S 形河弯,这种S 形河弯,同一岸相邻两个弯顶之间的距离逐渐缩短,形成河环,河环的起点和终点（狭颈）两端水位高差较大,一遇漫滩水流,就可能冲开发展成新河,这就是自然裁弯。

蜿蜒弯曲形河道的不利影响：第一,弯道减缓了水流的冲击力,对河道良性发育不利；第二,局部弯道顶冲防洪堤,护岸安全受到威胁易发生决口；第三,下游滩地多为庄稼地,蜿蜒形河道占去了农田；第四,影响水文观测断面设立及水文测验；第五,弯道变化移动使临时桥梁和滩地建筑物受到影响而被迫迁移。

蜿蜒弯曲形河道治理措施裁弯是裁去河道的弯曲部分,使水流顺直。为防止自然裁弯所带来的弊害,许多河流采用了人工措施河道裁弯取直；修建生态防洪治理工程体系是治理弯道的重要措施。河道生态防洪治理工程的修建,阻止了大范围的河势变迁,防止了护岸冲决发生的条件,降低了河道顺堤行洪的风险,稳定了排洪输沙的主槽,遏制了不利河势的发展,提高了防洪安全。但是,河流是动态的,来水来沙是随机的,生态防洪治理工程体系不会一劳永逸,修建好的防洪护岸还要常检查常维护,及时发现、解决新问题。

（1）治导线。布置治导线时必须满足安全、经济、通畅泄洪的要求,同时考虑河相关系,不改变现有河型,并尽量顾及原有河岸线和枯水河槽的弯曲形态,充分利用现有桥梁、河堤等工程,力求上、下游相互呼应、平顺衔接,与具有控制作用的河段相衔接,左、右岸兼顾,少占或尽量不占地,从安全性、现实性和经济合理性的要求出发,确定合理的治导线。以20 年一遇洪水流量311 m3/s 作为设计标准,以洪水整治线确定水库至连霍高速桥段的堤线。

（2）稳定河宽确定稳定河宽的确定可以采用两种方法计算比较,第一种水流阻力公式,第二种为采用阿尔图宁公式计算。根据河床走势,取一个典型断面纵坡进行计算,纵坡为0.02。造床流量为91.5 m3/s,糙率为0.045。

1）水流阻力公式：采用水流阻力公式、水流连续方程及河相关系联立求解计算：

式中：A 为稳定河宽系数,取1.5；Q 为造床流量,m3/s；J 为河床比降,‰。