穩定河寬在白家河秦州段堤防治理中的分析與應用

陳超博

（天水市水利水電勘測設計研究院有限公司，甘肅 天水741000）

1 項目區概況

天水市秦州區白家河屬長江流域嘉陵江水系永寧河上游干流，主流發源于秦州區娘娘壩鎮大山壩，海拔1966m，流域面積2162km2，主流長111.8km，上下游落差820m，河床平均比降1/93，流域下墊面多為石山林，植被良好。白家河流經柳林、娘娘壩、李子園等鄉（村），于麥積區馬家坪附近匯入徽縣境內。

本次工程位于白家河干流及部分支流上。流域多年平均氣溫在7-12℃之間，年均降水量531mm，多年平均蒸發量為1290.5mm，日照時數2032.1h，無霜期150-230d，最大風速21m/s，最大凍土深度61cm。

2 河道穩定分析

2.1 造床流量

所謂造床流量，是指其造床作用與多年流量過程的綜合造床作用相當的某一種流量。這種流量對塑造河床形態所起的作用最大，它不等于最大洪水流量，因為盡管最大洪水流量的造床作用劇烈，但時間較短，所起的造床作用并不是最大；它又不等于枯水流量，因為盡管枯水流量作用時間較長，但流量較小，所起的造床作用也不是最大。因此，造床流量是一個比較大而又并非最大的洪水流量。

在實際工作中人們往往用平灘流量來代替造床流量。這一方法概念清楚，方法簡易，因而應用較廣泛。錢寧在《河床演變學》一書中提出，造床流量約相當于1.5年（P=66.7%）一遇的洪水流量，本次造床流量的確定根據治理段河道流域特征、基本資料情況及河道的實測斷面采用2年一遇洪水設計洪峰流量法確定工程區造床流量。

2.2 河床穩定分析

河床在縱深方向的穩定性主要決定于泥沙抗拒運動的摩阻力與水流作用于泥沙的拖拽力的對比，根據河床物質的粒徑特征及河床的深泓線縱坡坡降，縱向穩定系數φh按下式計算：

式中：φh為縱向穩定系數；d為床砂平均粒徑（mm）；h為河流平灘水深（m）；J為縱比降。

研究表明，φh值越大，泥沙運動強度越弱，河床因沙波運動或因流路變化產生的變形越小，河床越穩定；反之，φh值越小，則河床越不穩定。

橫向穩定系數與河岸穩定密切有關，計算公式如下：

式中：φb為橫向穩定系數；Q為造床流量（m3/s）；J為縱比降；B為相當造床流量的平灘河床（m）。

研究表明，φb值越大，河身相對較窄，比降較少，水流平緩歸順，河岸越穩定；反之，φb值越小，則河岸越不穩定。

根據表1數據分析結論如下：

表1 白家河沿程（各段落）縱、橫向穩定計算成果表

白家河秦州段沿程橫向穩定性差，一遇洪峰股流擺動較大，由于各段造床流量不同、床砂粒徑不同、穩定性變化較大，橫向穩定性沿程趨于穩定性好的方向發展。

白家河秦州段沿程縱向穩定性越來越差，分析原因為由于縱比降越來越小，加之下游河床漫灘淤積較上游嚴重，一般下游河床漫灘砂卵礫石粒徑較上游變小，河床糙率減小，因此對水流的阻力減小而造成水流速度加快，一遇洪水流速持續作用，極易造成河床漫灘縱向較大沖刷，嚴重影響河床縱向穩定性。

1.2.2 評價方法。課程結束后，對兩組學生統一進行理論和讀片技能考核，并對實驗組學生發放無記名的問卷調查。理論考試內容為教學大綱規定的知識點，讀片技能考核主要從評價考核庫中選取不同難度系數的病例，包括X線、CT及MRI圖像，重點考察學生對常見病及多發病的閱片能力。2項考核總分均為100分。問卷調查旨在了解學生對新型示教模式的效果評價，評價內容包括激發學習興趣和熱情；增強自主學習能力；提高分析問題、解決問題能力；鍛煉學生語言表達能力；訓練臨床思維，提高閱片能力；加強師生交流，融洽師生關系；是否值得推廣。發放問卷66份，收回有效問卷66份，有效問卷回收率100%。

2.3 河相關系

河相關系是指在相對平衡狀態下河流河槽的縱橫斷面形態與流域來水、來沙及周界條件等因素之間的某種定量關系，反映河段的河槽縱橫斷面形態，橫斷面取決于來水來沙條件及河床地質組成，其橫斷面尺寸受河相關系控制，中水河槽的河相關系按下式確定：

式中：ξ為河相系數；B為造床流量下的水面寬（m）；H為造床流量下的平均水深（m）。

當ξ為2～4時，河道屬蜿蜒型河道；ξ為8～12時，河道屬順直型河道；ξ為20～30時，河道屬游蕩型河道。

通過表2分析計算可知，白家河秦州區工程治理段介于蜿蜒型-順直型河段過渡段。

表2 白家河沿程（各段落）河相系數計算成果表

2.4 堤距的確定

河道治理以整治洪水河槽為依據，因此河道寬度的確定主要考慮以下因素：一是滿足防洪要求；二是滿足穩定河寬的要求；三是適應現有河槽實際行洪寬度。

2.4.1 穩定河寬

白家河天然河床較窄，河槽高差較小、河床計算穩定河寬的目的是依據穩定河寬與治理河寬的關系，確定整治河寬。

方法1：三式聯解法

水流連續公式：

河相關系式：

三式聯解可得：

式中：n為綜合糙率，取0.035～0.038；R為為水力半徑；Q為造床流量（m3/s）；B為平灘水面寬（m）；H為平灘水深（m）；ξ-河相系數；J為河床比降（‰）。

方法2：阿爾圖寧公式法

式中：B為穩定河寬（m）；A為穩定河寬系數，本工程流域屬中游河段，變化系數在1.1～1.7之間，本次計算取1.4；Q為造床流量（m3/s）；J為河床比降（‰）。

計算結果見表3。

表3

由計算結果可知，三式聯解法與阿爾圖寧公式法所得結果相近，表明參數取值合理，兩種方法均適用本段河道穩定河寬計算。

2.4.2 治理河寬確定

本次工程治理河寬主要依據工程區河道現狀及河道兩岸現狀河床寬度，結合穩定河寬的計算，使得最小堤距不小于計算的穩定河寬，盡量不縮窄河道。確定治理各工程段落治理河寬如下，大南峪以上段40m，大南峪-董水溝段40～60m，董水溝-河口村段60m，河口村-望天溝段60～75m，望天溝～白音峽段75～85m，白音峽-張家莊段85～100m。

3 結論

（1）錢寧在《河床演變學》一書中提出，造床流量約相當于1.5年（P=66.7%）一遇的洪水流量，本次造床流量的確定根據天水地區多年河道整治經驗、治理段河道流域特征、基本資料情況及河道的實測斷面采用2年一遇洪水設計洪峰流量法確定工程區造床流量。在實際應用中常采用平灘流量來代替造床流量，這一方法概念清楚，方法簡易，因而應用較廣泛。

（2）河床在縱深方向的穩定性主要取決于泥沙抗拒運動的摩阻力與水流作用于泥沙的拖拽力，根據河床物質的粒徑特征及河床的深泓線縱坡坡降，工程治理段由于縱比降越來越小，河床漫灘砂卵礫石粒徑變小，河床糙率減小，水流速度加快，遇洪水持續作用，極易造成河床漫灘縱向沖刷，嚴重影響河床縱向穩定性。故在防洪規劃治理中應沿程逐步加大縱向安全埋深。

（3）橫向穩定系數與河岸穩定密切有關，由于橫向環流的作用，表層含沙量小的水流流向并沖刷凹岸，加之縱向水流對凹岸的頂沖，造成凹岸不斷的坍塌后退形成深槽陡岸；坍塌造成凸岸不斷淤積前進形成平緩的灘地。在治理工程中應對凹岸采用加大轉彎半徑，減小水流作用，重點固岸治理。

（4）三式聯解法與阿爾圖寧公式法所得結果相近，表明兩種方法均適用本段河道穩定河寬計算。穩定河寬的計算是規劃治理河寬的依據，對規劃治理河寬的確定有較強的指導和現實意義。