游蕩型河道控導整治方案研究

王克強

(阿克蘇塔河源勘測設計院有限公司，新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

河道控導整治是在總體規劃下，調整局部河床形態和水流結構，以控制河床朝有利方向發展[1]。游蕩型河道在水流頂沖的作用下經常出現畸形河灣，造成部分河段脫河或半脫河。出現此種情況除了工程不完善外，整治流量、工程間距、彎道半徑等設計參數不合理均是導致工程對河勢控制不力的主因[2]。因此，河道整治的根本任務是控導河勢，其也是河道整治的出發點和回歸點。

塔里木河屬典型的游蕩型河道，頻繁變化的主流沖刷、頂沖河岸，造成岸上耕地、連隊基礎設施坍塌損失嚴重。通過控導治理，以有效控制主流游蕩范圍，盡量歸順河勢，減輕塌岸引起的損失。在確定控導線位置時，盡可能與現實的河道平面形態相協調，且上下游結合，左右岸兼顧，使治導工程有河岸等可靠的依托，避免過分對原河道水流的干涉，而加劇河道的演變。

1 河道概況

塔里木河(簡稱塔河)流域位于西北干旱內陸盆地，新疆維吾爾自治區南部。流域包含塔里木盆地的九大水系和塔河干流、東部荒漠區和塔克拉瑪干沙漠，流域總面積102.6萬km2。塔河由阿克蘇河、葉爾羌河及和田河三條支流匯合而成，干流長1321 km，包括支流塔河全長2179 km，尾部注入臺特馬湖。塔河上游兩岸主要分布著第一師最大的灌區——塔里木灌區和阿拉爾市。塔里木灌區、阿拉爾市城區傍河而建，由于塔河河床及河岸土質以粉砂為主，抗沖刷能力差、河水含沙量大，最大沖刷坑常達11.2 m，游蕩型特性表現為汛期河道主流擺動沖頂河岸，導致兩岸高灘隨處坍塌，嚴重威脅阿拉爾市及沿河團場的生產經營活動、人民群眾的正常生活和生命安全。塔里木河流域水系分布見圖1。

圖1 塔里木河流域水系圖

2 控導整治方案

按照以河道現行流路為基礎、中水整治、因勢利導、以彎導流的原則繪制治導線。河道整治的核心和前提是科學確定治導線，其關系到整治方案的合理性、防洪效益是否顯著。治導線以兩條曲直相連的平行線落地，在規劃過程中，應深入研究設計造床流量、設計河寬、河灣要素和排洪河槽寬度等核心參數。

2.1 設計造床流量

設計造床流量深刻影響著洪水對河灣形態的塑造，也是河道整治過程中的重要指標之一。造床流量目前還沒有嚴格的理論推導公式，通常采用馬卡維也夫法或平攤流量法，對于泥沙含量大的河流也可采用輸沙能力法計算。受水文觀測資料制約，塔河阿拉爾段擬采用馬卡維耶夫法計算造床流量，結合汛期平均流量法復核，力求造床流量的選用科學合理。

2.1.1 馬卡維也夫法

按照同一數量級將計算河段觀測的歷年流量分為不同的流量級，并繪制Q-QmJP關系曲線圖，見圖2。在圖中查詢Q-QmJP的最大值相對應的最大流量Q值即為造床流量。其中Q表示所劃分各等級流量的均值，J為各級流量下相應的比降。

根據觀測，塔河阿拉爾段洪水波峰沿著河道向下游傳遞的附加比降極小，加之河床漲沖落淤的水位變化抵消了附加比降影響，所以，洪水期各級流量的比降變化不大，統一按照1/4600取值。根據馬卡維也夫法計算出阿拉爾造床流量為1200 m3/s。

圖2 塔里木河阿拉爾站Q-QmJP關系曲線圖

2.1.2 汛期平均流量法

根據相關文獻表述[3]，在塑造河灣形態過程中，較平攤流量更小的流量其主要作用。采用長科院羅敏遜法計算年平均流量或者最大洪峰月份的平均流量，以復核造床流量。

Q造=5.7Q汛0.878

根據河段阿拉爾水文站歷年汛期的平均流量資料計算出阿拉爾造床流量1097 m3/s。

2.1.3 造床流量確定

根據馬卡維也夫法和汛期平均流量法核算出的造床流量成果見表1。

表1 塔里木河阿拉爾站斷面造床流量計算成果表

因此，通過上述綜合分析比較，本次設計采用Q=1000 m3/s作為設計造床流量較為合適。

2.2 直河段設計河寬B

鑒于微灣型河道的整治工程通常僅單岸布設，在大中型洪水時直河段和彎曲可以自由漫灘，造成河寬有較大變幅，因此設計河寬通常是一個虛擬值。采用關系式(1)計算設計河寬：

(1)

式中：A1為經驗系數，取15.6；X1為經驗指數，取0.39；Q為造床流量，為1000 m3/s；B為造床流量時的河段平均寬度m；J為河床縱比降，為1/4600；D為床沙中值粒徑，為0.0001 m；則根據上式計算出B=608 m。

為使設計河寬參數更加合理化，結合阿拉爾水文站歷年中與造床流量較為接近的洪水流量，實測其水面寬度，得到平槽河寬在260 m～980 m范圍內變化，結合實測資料，本次塔里木河上游段直河段設計河寬B取600 m。

2.3 排洪河槽寬度B洪的確定

以防塌岸為主要目的的河道整治，在確定新建工程位置時，左右岸之間的最小垂直距離必須滿足排洪要求，也就是兩岸工程之間必須預留足夠的寬度，以便在大洪水時，河槽能宣泄大部分洪水，這個寬度稱為排洪河槽寬度，以B洪表示。

黃河下游河道整治過程中，確定排洪河槽寬度主要考慮滿足洪水通過要求、穩定河勢要求及滿足沖淤調節能力等。在后期布設工程時，要求兩岸工程間的防洪寬度不得小于排洪河槽寬，且洪水不得引起河勢明顯變化。考慮本工程河段的實際情況，通過統計阿拉爾水文站測流斷面歷年過大洪水時的實測水面寬度并參考黃河下游河道整治經驗，確定塔河上游段排洪河槽寬度B洪≥1500 m。

2.4 河彎要素的確定

河灣要素主要由中心角φ、彎曲半徑R、河彎間距L、直河段長l、河彎跨度T及彎曲幅度P組成，參數大小是設計河寬的函數。

依據護岸工程主流位置及河勢穩定性，可判別河灣要素是否為較好的整治流路。參照黃河下游游蕩型河段的整治經驗，河灣要素按照如下關系確定：直河段長l=(1～3)B；彎曲半徑R=(3～5)B；河彎間距L=(5～8)B；河彎跨度T=(9～15)B；彎曲幅度P=(2～4)B；為了方便控制河勢，轉彎半徑取直河段河寬的3～5倍。

2.5 治導線擬定

確定設計河寬及各河彎要素變化范圍后，即可擬定治導線。從整治河段進口開始逐段逐灣擬定，直至整治河段的末端。

整治河段治導線擬定后，通過對比分析天然河灣個數、彎曲系數、河灣形態、導流能力、已有工程利用程度等論證治導線的合理性，進而依照治導線確定工程位置線及長度，計算工程量。由兩條曲直相間的平行線組成的治導線，其直河段設計河寬、設計造床流量、河灣要素及排洪河槽寬度等參見圖3、圖4。經分析和計算，本工程河道整治流路主要設計參數見表2。

圖3 排洪河槽寬度示意

圖4 河灣要素示意圖

表2 塔里木河上游段河道整治流路主要設計參數

3 結語

塔河在對治導線設計的核心參數(設計流量、設計水位、設計河寬、河槽過洪寬度以及河灣形態參數等)進行計算后，在各整治段工程位置線繪制時除參照上述原則和參數外，還應考慮結合河段的邊界條件、已有工程情況和社會經濟因素綜合分析，統籌兼顧，盡量處理好繼承與發展的關系，來確定出經濟合理的治導線。各整治段工程位置線與已有工程銜接后，根據“上平下緩中間陡”的形式在河道凹岸處布設成連續彎道，整治工程位置線與大洪水主流線大致平行，彎曲半徑基本控制在1500 m～3000 m之間。本文深入分析了滿足河床演變規律下塔河游蕩性河道的整治參數，同時對游蕩性河道控導線設計提出了考量因素，結果為后續進一步布設防洪護岸工程奠定了基礎。