黃河下游陸集灘“二級懸河”治理模型試驗研究

萬強　張建煜　李軍華

摘要：在以往研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗研究河段的水文、泥沙特點，合理設(shè)計物理模型比尺，并對模型進行水位過程率定和驗證，對黃河下游“二級懸河”試驗河段淤填堤河治理措施進行物理模型效果檢驗。實體模型試驗表明，通過“二級懸河”治理，當(dāng)遇到較大上灘洪水時，灘地順堤行洪流速降低，堤根水位下降、水深減小，洪峰期灘區(qū)分流比減小，灘區(qū)斷面形態(tài)得到一定改善，灘地橫比降大幅減小，“二級懸河”形勢發(fā)生明顯改善，堤防的安全性大幅提高。

關(guān)鍵詞：“二級懸河”;實體模型試驗;灘區(qū)洪水特性;黃河下游

中圖分類號：TV85;TV882.1

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.006

1 前言

20世紀80年代中期之后，黃河下游河道持續(xù)萎縮，河槽逐漸高于臨河灘地，形成“槽高、灘低、堤根洼”的。二級懸河”局面。2002年以來，黃河下游經(jīng)歷多次調(diào)水調(diào)沙，使得下游“二級懸河”形勢得到一定緩解。但由于河槽持續(xù)過流小水，未經(jīng)歷大洪水的沖刷塑造，灘地沒有洪水漫灘和淤積抬升，因此下游河道“二級懸河”的局面并未得到根本扭轉(zhuǎn)。目前河南黃河白鶴以下長464 km的河段，形成“二級懸河”的河段長280 km，占河段全長的60%.尤其東壩頭以下河段，全河段均呈”二級懸河”態(tài)勢[1]。“二級懸河”形勢的不斷加劇，增大了黃河下游的防洪負擔(dān)。黃河下游一旦發(fā)生較大洪水，漫灘水流極易形成灘區(qū)集中過流，造成重大河勢變化，主流頂沖堤防、順堤行洪，嚴重威脅下游堤防的安全[2]。

“二級懸河”治理作為黃河下游治理面臨的主要問題之一，受到了廣泛重視。綜合考慮“二級懸河”的發(fā)展程度，黃委將近期“二級懸河”治理重點放在東壩頭一陶城鋪河段[3]。本試驗針對形勢最嚴峻且河勢變化劇烈的陸集灘河段（邢廟一孫樓），開展“二級懸河”治理效果試驗，以分析大洪水條件下該河段治理對“二級懸河”形勢的改善情況。

2“二級懸河”治理工程情況

“二級懸河”是指河槽平均河底高程高于灘地平均河底高程的河流（或河段）。圖1為“二級懸河”橫斷面示意圖。

“二級懸河”治理工程位于史樓一于莊陸集灘，基本方案為從河道主河槽內(nèi)抽取泥沙淤填大堤內(nèi)側(cè)的堤河，以達到減小灘地橫比降、降低順堤行洪風(fēng)險的目的。淤填堤河段相應(yīng)左岸臨黃堤公里樁號為126+ 000-139+ 400。堤河淤填總長13.4 km，需土方816.24萬m。淤填土料來自主河槽，取土河槽長11.58 km。堤河淤填體以現(xiàn)狀堤河控制淤填寬度，最大不超過500 m，淤填外緣高于臨近灘面1m左右，治理工程完工后將還耕群眾[4]。淤填區(qū)沿堤線布置在臨河側(cè)，淤填區(qū)外布置圍堤，圍堤外側(cè)布置退水渠，見圖2。

3 模型比尺設(shè)計、驗證及試驗安排

根據(jù)原型河床條件、對黃河下游沖積性多沙動床模型比尺及變率問題的前期研究結(jié)果[3]，確定該模型水平比尺A= 600，垂直比尺A=60，模型幾何變率D= 10。試驗河段布置見圖3。根據(jù)模型比尺計算懸沙粒徑比尺為0.81，此次用于模型的懸移質(zhì)泥沙中值粒徑為0.010-0.025 mm，選用鄭州熱電廠粉煤灰作為動床模型的模型沙。模型設(shè)計主要遵循的相似條件有幾何相似、水流運動相似、泥沙運動相似，見表1。

模型經(jīng)過水位驗證，流量為1 000 m/s的沿程水位和原型實測值基本吻合（見圖4），說明實體模型的設(shè)計能夠滿足河道阻力相似準則。

試驗水沙條件采用孫口站“82·8”修正型洪水過程，即針對原型1982年8月1-12日孫口站洪水過程，保證含沙量與原型一致條件下，流量過程按20%同倍比縮小。孫口站總水量為74億m，總沙量為1.8億t，最大流量為8 080 m/s。“82·8”洪水是一場典型的豐水少沙型洪水，為1949年以來黃河下游出現(xiàn)的第二大洪峰，來水區(qū)間為三門峽至小浪底，是典型的下大型洪水。在目前小浪底水庫發(fā)揮防洪調(diào)控作用的條件下，仍有較大發(fā)生概率。

試驗共開展2個組次：第1組試驗，研究陸集灘現(xiàn)狀邊界條件下洪水演進漫灘情況、“二級懸河”的發(fā)展對灘區(qū)及堤防所造成的影響和危害：第2組試驗，對河槽開挖并按設(shè)計部位淤填堤根后的地形施放與第1組試驗相同的漫灘洪水，將試驗結(jié)果與第1組試驗對比，分析堤河淤填后順堤行洪流場、水文要素變化、斷面沖淤量、灘槽分流比等的變化情況，研究該河段“二級懸河”的改善情況。

初始邊界條件均采用近期現(xiàn)狀河道地形，河道整治工程、生產(chǎn)堤、村莊等地物地貌都按現(xiàn)狀情況布設(shè)。

4 模型試驗結(jié)果

4.1“二級懸河”治理對順堤行洪狀況的改善

在兩組試驗中，堤河低凹的地形為順堤行洪提供了基本的邊界條件。因灘地橫比降較大，故當(dāng)洪水開始漫灘后，漫灘水流即沖毀生產(chǎn)堤的薄弱地帶，斜向沖擊大堤，并在堤河低凹地帶順堤行洪，現(xiàn)狀條件下堤河的最大流速達到2.01 m/s。顯然，這樣大的流速對堤防工程的安全構(gòu)成了極大威脅。

堤河淤填體的修筑如同在大堤與漫灘洪水間設(shè)置了一道屏障。兩組試驗堤河流速對比見表2、表3，可以看出在洪水過程的各個階段，經(jīng)過堤河的淤填治理，治理堤段堤河流速明顯降低。

對于樁號126+800、129+600、134+200位置3個測點，經(jīng)過淤填堤河治理，“82·8”型洪水過程中最大順堤行洪流速從1.23 - 1.65 m/s下降到0.81-0.98 m/s。

4.2“二級懸河”治理對堤防偎水狀況的改善

對比兩組試驗的堤河水位變化（見表4），經(jīng)過淤填堤河，河槽被挖深，主槽過流能力增大，洪水上灘的流量比現(xiàn)狀條件要小，因此相應(yīng)治理后的堤河水位有所降低。

通過試驗過程中對堤根水深的測量可知，堤根低洼、坑洼多.堤河在未淤填治理的條件下，其最大水深達到4.39 m（見表5）。大堤在高水位、大水深的洪水浸泡下，增大了堤防發(fā)生潰決的可能性。對比兩組試驗堤河水深測驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過堤河淤填治理，同流量下治理堤段的水深明顯小于未治理堤段的水深。

4.3 “二級懸河”治理對陸集灘分流情況的影響

對比兩組試驗陸集灘的分流情況（見表6）可知，位于陸集灘最上端的史樓斷面流量沒有明顯變化。但是，各流量級現(xiàn)狀條件的灘地分流量均比治理后高，現(xiàn)狀灘地總分流比也高于治理后。其原因是一方面“二級懸河”治理后，灘地橫比降減小削弱了漫灘洪水的運行動力和流速，另一方面挖河淤填造成主槽的過水?dāng)嗝鏀U大，使得洪水能夠更為順暢地沿主槽下泄。

4.4“二級懸河”治理對灘地橫比降的改變

通過兩組試驗灘地橫比降的對比（見表7）可見，“二級懸河”堤河淤填治理使陸集灘主要斷面的橫比降計算值大為降低。對比兩組試驗洪水后的斷面橫比降變化，總趨勢是洪水后的比降略大于洪水前的初始比降，其原因是洪水漫灘形成了一定的灘唇淤高，順堤行洪使得近堤灘面有部分沖刷。

5 結(jié)論

通過黃河下游“二級懸河”治理工程效果驗證試驗可以看出，在灘區(qū)開展堤河淤填工程進行“二級懸河”治理的條件下，當(dāng)遇到較大上灘洪水時，灘地順堤行洪流速明顯降低：堤根水位有一定程度的下降，水深減小：洪峰期試驗灘區(qū)洪水上灘分流比減小：灘區(qū)斷面形態(tài)得到一定改善，灘區(qū)橫比降因淤填而大幅減小，“二級懸河”形勢發(fā)生明顯改善，堤防的安全性大幅提高。

參考文獻：

[1]廖義偉，黃河下游“二級懸河”成因及治理對策[M].鄭州：黃河水利出版社，2003：35-44.

[2] 江恩慧，曹永濤，李軍華，等，黃河下游游蕩性河段河勢演變機理及河道整治若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究[R].鄭州：黃河水利科學(xué)研究院，2005：80-120.

[3] 張紅武，江恩慧，張清，等，黃河高含沙洪水模型的相似律[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，1994：21-28.

[4] 陳懋平，王鳳群，馬樂，等，黃河下游“駝峰”河段及“二級懸河”治理試驗工程可行性研究[R].鄭州：河南黃河勘測設(shè)計研究院，2009：67-99.

【責(zé)任編輯許立新】