洪水對黃河下游淤灘刷槽影響試驗研究

姜 波 陳 建 戴軍利

（1.德州市水利事業發展中心 德州 253014 2.德州市潘莊灌區運行維護中心 德州 253014 3.德州市河道管理服務中心 德州 253014）

1 研究目的

眾所周知，黃河下游河道尤其灘區邊界條件復雜，導致漫灘洪水的演進過程和沖淤演變規律難以確定。多數漫灘洪水具有“淤灘刷槽”的特性，洪水過后主槽排洪輸沙能力將顯著提高，與此同時“二級懸河”程度降低；然而也有部分含沙量較高的漫灘洪水，會造成主槽的嚴重淤積、降低主槽排洪輸沙能力。研究發現，灘唇附近的灘區是漫灘程度較小的洪水淤積主要集中地，增大了“二級懸河”的程度；然而也有一部分漫灘洪水灘地淤積并不多，但塌灘現象嚴重，從而導致灘地總體上是沖刷的。因此，需要對漫灘洪水“淤灘刷槽”特性及其相應機理進行深入的分析和研究。

本項目主要是通過實體模型試驗，以“82·8”洪水為依據，保持現狀地形條件和水沙量不變，僅改變洪峰量級的情況下，以水流、泥沙實際過程為基礎，以河道邊界為控制范圍，通過河流模擬知識進行模型試驗設計。并借助設計的模型進行試驗，研究黃河下游的淤灘刷槽特性。

2 試驗過程及數據分析

2.1 試驗模型

本試驗選取黃河下游東壩頭至高村段作為試驗河段，并采用河工動床模型進行研究。模型設計著重考慮懸移質泥沙沖淤相似，對重要比尺采用原型實測資料予以驗證，對該河段河床沖淤積規律開展模擬研究。

根據典型河段特點，制作以懸移質運動為主的動床模型，根據多年來在動床模型試驗方面的實踐經驗，本試驗選取新型模型沙材料—擬焦沙。其容重γs=2.10tf/m3，若取天然γs＝2.65tf/m3，其水下容重比尺λγs-γ=1.5。

鑒于原型河道為游蕩型河道，動床模型設計必須有更高的要求。因此，按照河工模型相似律，同時參考游蕩型河流模擬的研究成果，進行模型設計。設計中采用的模型比尺分別列于表1。

表1 模型設計比尺匯總表

本試驗以“82·8”洪水為依據，在保證相同洪峰以上水量相同條件下，將其概化為5 個量級洪峰，概化后各方案最大洪峰流量分別6000m3/s、8000m3/s、10000m3/s、12000m3/s 和14000m3/s。具體方案見圖1。

圖1 各方案進口流量概化圖

2.2 .各量級洪水洪峰前后水位變化

圖2～圖6為黃河東壩頭到高村河段6000m3/s、8000m3/s、10000m3/s、12000m3/s 和14000m3/s 流量級下峰前峰后水位的變化圖。

通過對比圖2～圖6可以看出，五次試驗最大洪峰量級不同，但每次試驗洪峰前后8000m3/s 流量下的水位比4000m3/s 流量下的水位高，4000m3/s 流量下的水位比1500m3/s 流量下的水位高，即流量大，水位高，相同流量下峰后水位比峰前高。

圖2 6000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

圖3 8000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

圖4 10000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

圖5 12000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

圖6 14000m3/s 流量級峰前峰后水位變化圖

3 不同量級洪水峰后各流量水位變化

洪水對河段的淤灘刷槽的影響可以由主槽的深泓點的變化和主槽深泓線的平均沖刷深度來體現。在試驗河段內分別選取東壩頭、楊莊、禪房、雙井、青莊、高村等測點進行相關數據的采集。為便于對試驗進行分析，將主槽的深泓點的變化和主槽深泓線的平均沖刷深度的相關數據整理后得到的結論為，洪峰為6000m3/s 和8000m3/s 流量時，除個別斷面外，洪峰過后試驗河段主槽的沖刷幅度整體比較穩定，深泓點下降不多；洪峰為10000m3/s 和12000m3/s 流量時，洪峰過后整個試驗河段主槽的沖刷都較嚴重，深泓點下降較多；而洪峰為14000m3/s 流量時，洪峰過后試驗河段上游主槽沖刷稍嚴重，而中下游影響較小。

排除試驗誤差的影響，6000m3/s 和8000m3/s 時，整個試驗過程中的水流大部分均在主槽運動，主槽流量變化不大，深泓點下降較少；而10000m3/s 和12000m3/s 時，可能有較多洪水上灘，灘區分流水量較多，當流量逐漸增大時，由于有灘區分流，灘區進口處主槽流量下降，對主槽的沖刷能力也減弱，后來由于灘區出水，主槽流量增大，對主槽的沖刷能力增強，深泓點下降較多。

通過計算不同洪峰量級下主槽深泓線的平均沖刷深度，從整體可以看出，主槽的河底平均沖刷深度隨距離的增加而增大，也表明洪水過后河道縱比降增大，流速增加，水流挾沙力增大，主槽沖深，而洪水流量大，導致水流漫灘，挾帶的泥沙在灘地沿程淤積，主槽窄深加劇，主槽過水斷面面積大幅度減小，因此在峰前峰后相同流量下，峰后水位上升。

4 結論

本試驗根據模型相似理論對黃河下游東壩頭～高村河段進行模型設計，模擬出黃河下游實際地形及水沙條件，在此試驗模型的基礎上對黃河下游進行五次試驗，分別釋放五次不同洪峰量級的洪水，以此來研究不同量級洪水對黃河下游淤灘刷槽的影響，通過對不同洪峰量級情況下黃河下游主槽水位的研究，得到以下幾點結論：

（1）洪峰量級越大，對主槽的沖刷越嚴重，主槽深泓點越低，深泓線明顯下移，而出口附近沖刷不嚴重是由于洪峰過后主槽糙率增大，流量減小，泥沙沿程落淤，導致河底高程增加。

（2）流量逐漸增大的過程中，灘區開始進水，當灘區的容水量飽和時，灘區開始出水，灘區的出水使主槽水量增加，水位上升較明顯。

（3）洪峰過后，河道縱比降增大，導致流速增大，主槽沖深，洪水漫灘后泥沙在灘區落淤，使得主槽縮窄，過水斷面面積減小，當過流量一定時，主槽水位上升■