河道裁弯取直影响因素试验研究

万强，等：河道裁弯取直影响因素试验研究 437 河道裁弯取直影响因素试验研究 万强，张林忠 (黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州450003) 摘要：本文运用动床模型的手段，模拟概化的黄河下游典型河段在不同影响因素下裁弯取直的过程，分析各项水力要素 的变化规律．研究各种影响因素对于人工裁弯所起的作用，进而可以在工程和实施中采取必要措施以保证裁弯的 成功。 关键词：裁弯取直；模型试验；裁弯比 蜿蜒性河流，其流路蜿蜒曲折，凹岸冲刷， 凸岸淤积，整个河段一般向下游缓慢蠕移。河 段蜿蜒曲折使流程增大，河段上游洪水位显著 壅高、行洪不畅，为解决河道的防洪、通航问， 国内外常采用人工裁弯措施进行整治。为了研 究人工裁弯是否可以在黄河下游游荡性河段实 施，以解决局部河段畸形河湾发展问题，黄科院 开展了黄河下游宽河道挖河机理及研究， 并利用物理模型进行了河道裁弯取直试验。以 此为基础，为黄河下游河段人工裁弯提供可靠 的技术支撑。 1 试验目的 典型河段在不同影响因素下裁弯取直的过程，分 析裁弯分流后，新河冲开老河淤死的过程中，各 项水力要素(流量、水位、比降、流速、河宽、水深、 含沙量)等的变化规律。通过各水力要素的变 化，研究在裁弯过程中各种影响因素对于裁弯效 果所起的作用，进而可以在工程设计和实施中采 取必要措施以保证裁弯的成功。 2试验过程 试验前，首先进行了验证和复演性试验，水 沙条件、河床河岸边界条件以2005年10月19日 大宫切滩导流工程为原型。验证试验结果见表 l。实验结果与原型裁弯过程实测吻合良好，该 运用动床模型的手段模拟概化的黄河下游 模型对原型有良好的匹配性。 表1验证试验引河试验结果(括号内为原型实测资料) 时间 10．19 10．20 lO．2l 10．22 10．26 10．27 10．28 河宽／m 80 120(120)180(225)279(300)305 流量／(m3／s)450(320)844(639)1 107(917)1741(1600) 1233 1344 l 00l 总流量／(m3／s) 1850 2170 2260 2300 1530 1450 l070 本次裁弯取直试验以概化的黄河下游游荡 性河道王庵至贯台的典型畸形河湾为试验区段， 先后共进行了6个组次的局部裁弯试验。试验 以王庵至贯台河段的水位、边界条件进行概化， 分别按照不同的裁弯比、引河尺寸、人流角进行 裁弯试验。 模拟的原型河道比降为1．4‰，采用D，。= 0．04mm的热电厂粉煤灰作模型沙，床沙比 尺。其水平比尺A。．=800，垂直比尺A。=60。 试验着重考察畸形河湾裁弯过程中，新河与老 河各项水力要素的发展和变化情况。 裁弯工程选用内裁法，根据国内外裁弯经 验，蜿蜒性河流的裁弯比一般控制在3～7。黄河 下游过渡型和游荡型河流发生自然裁弯的裁弯 比为1．6—6．9，与上述3～7基本接近。因此本 次试验裁弯比分别选3、7。引河截面与老河截面 面积比分别取1／4、1／10、1／30。试验组次安排及 各项影响因素见表2。 本次试验的流量过程，是依据小浪底水库调 水调沙运用过程经适当调整得到。流量过程原 型前后共12d，最初2d为预备期，而后10d的 洪水阶段，包括8d的2600m3／s，ld的 4000m3／s、1d的3192m3／s，最后是ld河道恢 复为800m’／s小水过程。 438 第七届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集 表2裁弯试验试验组次及影响因素 裁弯比 引河截面面积比 引河断面尺寸(原型)／m 人流角／(。) 验证试验6．5 为主河槽的1／6 (150+80)×4X0．5 为主河槽的1／10 155×1．2 15 为主河槽的1／30 78×0．8 15 3．2 为主河槽的1／4 (150+80)X4X0．5 15 为主河槽的1／4 (150+80)x4×0．5 25 7．14 为主河槽的1／10 155X1．2 25 7．25 为主河槽的1／30 78×0．8 15 3试验结果 3．1流量(分流比)变化 在试验过程中，着重测量了各级流量下的流 速与断面形态，从而得到引河随时间的改变流量 变化情况。以引河分流比(引河流量与总流量之 响因素之间的关系。 引河分流比与时间关系如图1所示。在引 河成功裁弯的试验组次中，总的来看引河过流 后，其分流比整体上呈上升趋势。在洪水过程到 达4000m3／s洪峰时达到极大值，而后随洪水减 小分流比亦减小，最后随洪水消退，老河道淤积， 比)作为判别指标来研究引河流量变化与裁弯影 分流比再次上升并达到最大值。 表3试验最次及试验结果 组次 裁弯比 人流角 断面比 结果 最终分流比 最终河宽 最终河深 1 7 250 1／10 成功 100％ l280m 7m 2 7 150 1／30 成功 95％ l040m 6．3m 3 3 150 1／4 成功 80％ 600m 5．4m 4 3 150 l／10 成功 60％ 480m 4．4m 5 3 25。 l／4 失败 20％一30％ 320m 6 3 150 1／30 失败 淤死 O 8：52 9：2l 9：50 10：1910：48ll：16lI：45 历时 图1 引河分流比与洪水过程关系 对于每一组次试验，从引河发展过程上看，裁 弯比7，引河过流面积与主河槽比为1／10，人流角 250组次的引河分流比增长最快，且在同一时刻分 流比均比其他各组次试验结果大。按引河分流比 发展速度由快到慢同一时刻分流比从大到小的顺 序，试验组次依次是：裁弯比7、引河面积比1／10、 人流角250——裁弯比7、引河面积比1／4、人流角 150——裁弯比3、引河面积比1／10、入流角150。 小结： (1)裁弯比是裁弯工程引河能否顺利开通达 到分流要求的最关键因素。在一定范围内，裁弯 比愈大，引河过流发展愈快，最终分流效果愈好。 (2)引河的截面面积、截面形态也是引河分流 成败的关键因素。在裁弯比一致、挖河位置路线相 同的前提下，引河的截面面积越大，引河河槽窄深， 引河发展速度越快，最终分流效果越好。 3．2断面变化 由引河中部横断面图，可以更直观地反映出 各种条件下引河发展的情况。从整体上讲，凡裁 弯成功的引河，其断面向宽深两个方向均有发 展，且在引河发展的初始阶段变化的强度较大， 而后发展相对缓慢。而裁弯失败的引河断面虽 然有所展宽，但引河河床却比初始阶段有了较大 的抬升。从截面比较小的引河断面看，引河首先 冲刷河床，而后横向发展展宽河槽，河岸在水流 的冲击下塌落入水中。截面比较大的似乎冲深 并不明显。引河横向展宽除两岸均向水中塌落 外，凹岸的变形更为显著。从最终的发展结果上 流Ⅲ流⋯洫∽洫Ⅲ入比入比入比入比卜=可玉1日九1日五面嵩：嘶秕Ⅷ靴懈毗啪裁”裁：2裁筋裁坫 E一一一[|寸 2 ● 8 6 4 2 O弘 ” 。 瞄 ¨ ¨ 们 。弘 丑斌求窿而 万强，等：河道裁弯取直影响因素试验研究 439 看，同一裁弯比下横断面大的，引河最终发展得 更充分(如图2对比)，裁弯比如果较小，引河初 始横断面甚至影响裁弯工程的成败(如图2对 比)；同一裁弯比同一断面形态人流角度小的引 133 132 131 l30 吕129 贮128 谊】27 126 125 123 124 裁比7、截比1／10 ． ．．．以． 弋／h』 1一^√R ▲ I‘＼／。m r f I／‘ l-．?h丑● J 1．笛1{．1‘ )_九‘1L』n／1， +第4天 一～l●"TTr IT +第9天 o y 工一 起点距／m 裁比3、截比1／10 ▲、、 I＼．． ，一”删仃＼从∥广。 、 ⅪJ／ 。八／‘ -Ll∥ ，一 Y、取 、 +第2天【一 _、弘 +第4大-一 叫 +第9大L一 起点跚m 裁弯比3、截 河，发展更为充分，裁弯取直成功，人流角大的， 裁弯失败(如图2对比)。两种情况下的引河位 置如图3。这也说明，引河出、入口的选取非常重 要，入口选取靠河湾的下部较好。 133 132 131 130 E129 裂128 惶127 126 125 124 123 k ． ．． ． ：．t r 厂、 删 j ＼孤 J／ o、 “ ～ ．Ⅲ J+镶2*l 、me'／- ；荔芙l 型E+第9大I X 1325 嚣㈨132， 13l 裁比3、截比1／30 、 色厶， ，。可-k挝彤吐遍尹．趴／ 矿’ ．+第2天 ．，r +第4天 ’ l一弗V六f 6 6．5 7 75 8 85 9 起点距／m 裁比3、截1：151／4、入流角l5。 图2各组试验引河中部断面变化对比 图3引河不同入流角位置 对于老河道，引河分流初期，引河进出口高 程差降低迅速，老河比降减小，流速、流量相应减 小，而且老河泥沙浓度较大，颗粒较粗。随着分 流比的进一步扩大，老河呈现淤积，尤其在老河 入口处淤积更为严重，如图4(裁弯比7、引河面 积比1／10、入流角250)。 小结： 在引河过流初期，由于引河河床高于主河道 河床，所以一般是上层水流进入引河，泥沙浓度 较低，夹沙力较大，同时引河水面比降较大。随 着进口水位的剧降，水流的势能快速转化为动 能，流速较老河大得多。所以引河发生剧烈冲 133 132 131 。130 蜷 126 125 老河道入口 ^＼＼S》、力r 。一＼＼氏—＼。，∥ V”謦。l 。x*。／所 一’疆^． √ ▲Jfl +初始老河道 №—一V。√● +破【1第l天 、i、1．户1曩K．7_／+第4天 —*槽o； 1矿’ V ] _，^ 440 第七届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集 杂，首先前者含沙量增速比较高，即在最初两级 2600rn3／s洪水时出121含沙量曲线较陡且高于裁 比7、截比1／30的组次，这主要是截面比大于后 者，初始流量小，水流对边壁的影响较小造成的。 但在而后发展中，后者的出口含沙量则逐渐高于 前者。 I●婺豁煅l厂＼ j—m“，、11juI ＼ ，，I+裁比3、1／10lJ＼憾l心 妒＼／飞2＼ <彰 。‘ J力时 图5引河出口含沙量变化 在试验含沙量量测过程中发现，引河进口含 沙量一般稳定在3—6kg／m3(换算为原型)，根据 出口含沙量曲线图可以看出，引河出口含沙量要 大于进口含沙量，引河河槽整体上处于冲刷状 态。进而可以判断，引河含沙量的变化是由引河 河槽冲刷造成的。出口含沙量越高，说明引河河 槽冲刷得越剧烈。 小结： (1)引河出121含沙量高低变化情况与引河冲 刷情况相互关联，含沙量高，引河发展的就快；含 沙量越低，引河发展的就越慢。 (2)从出口含沙量角度来看，裁弯比仍然是 引河的冲刷发展大的最关键因素，裁弯比越大， 出口含沙量就越高，引河的冲刷就越显著。在裁 弯比一致的情况下，引河断面尺寸对引河的发展 也起着重要作用。引河初始断面尺寸大，河型窄 深，则引河的出口含沙量越大，引河在破口初始 阶段发展速度就越快，反之则越慢。 3．4水位变化 试验中，对于引河进口和出口的水位变化 进行了观测。根据各试验组次引河进出口水 位差的变化曲线图，可以清楚地看出，裁弯试 验取得成功的组次水位差均是下降的，而失败 的组次水位差呈上升趋势。具体来说，裁比7、 截比l／10的情况下，水位差下降最快，经过 3 d的调整就进入相对稳定的阶段。裁比7、截 比l／30的情况下，水位差下降速度就降低了 参考文献： 一些；裁比3、截比1／10的情况下，水位差下降 的速度就更慢些。对于裁比3、截比1／30的情 况，宏观上，裁弯试验失败，新河道最终淤死， 对应的水位差呈上升趋势。 小结： 引河的进出口的水位差变化与引河过流 发展存在一定联系，引河水位差有逐渐降低的 趋势，则引河就会逐渐扩大，裁弯向成功方向 发展。水位差变化速度越快，引河的冲刷就越 剧烈。 裁弯比越大，水位差下降就越快，引河水面 比降下降就越快，对应引河水流挟沙力越大，冲 刷越剧烈；引河截面比越大，水位差下降就越快。 7 ＼ 。 ～＼＼，一 台交=>’‘q■—＼ ．|’—、V l +裁比7、截+E 矧＼．．一 ／—一裁比7，截：E莉I一＼／+裁I．V3，截，E }—一敬比3，截七 ／30I 8：52 9．2l 9：50101910：48ll：16ll：45 历时 图6引河进出口水位差 4结论 通过试验可以得到以下认识： (1)裁弯比是裁弯工程引河能否顺利开通达 到分流要求的最关键因素。在一定范围内，裁弯 比与引河分流比成正比。而当裁弯比超过7之 后，则引河河势可能会发生不利于裁弯的改变甚 至形成新的畸形河湾。引河裁弯比大致控制在 3—7左右。 (2)对于引河的断面，其面积不能太小，太小 河床冲刷会受到河床抗冲性、洪峰流量及持续时 间的限制；引河断面积也不能太大，太大则工程 量较大，费用较高。结合本次试验，建议引河断 面积采用最终断面的1／10～1／30。 (3)新河规划成微弯河道，新河轴线与老河 上下河段的轴线应平顺衔接，选择口门位置应符 合进口满足正面引水、侧面排沙，出口与下游河 道平顺衔接。采用内裁形式时，进口布置在上游 弯道顶点稍下方，交角应控制在20o以下。 [1]江恩惠，张红武，张林忠，等．黄河下游大张庄至柳园口河段挖河固堤模型试验．黄科技第Zh9802025号， 万强，等：河道裁弯取直影响因素试验研究 441 [2] [3] [4] 1998．5． 张红武，江恩惠，陈书奎，等．小浪底枢纽拦沙期游荡性河段河道整治模型试验研究．“八五”国家重点科技攻关项 目，黄河水利科学研究院，1995．12． 江恩惠，陈书奎，张林忠，等．2000年河南王庵至古城河段挖河模型试验报告． 熊绍隆．裁弯工程设计∥第八届全国海岸工程学术讨论会暨1997年海峡两岸港口及海岸开发研讨会论文集 (下册)．北京：海洋出版社，1997．3．