考慮河道演變影響河道治理寬度確定

嚴恒恒

（深圳市廣匯源環境水務有限公司,廣東 深圳 518000）

1 引言

河道綜合治理工程目的在于改善河道行洪情況,保障岸坡穩定性。河道治理寬度是影響工程施工效果的重要參數[1-3]。因此,在工程實踐中需要結合河道具體情況,選取適宜的治理寬度,保障工程質量。

工程起點為南營水庫下游泄洪洞出口,末點為連霍高速橋。工程區河道長度為14.5 km。南營水庫位于武威市走廊南山山前,距武威市20 km,項目區臨近縣道151、國道312,交通十分便利。金塔河沿途兩岸涉及新華、金塔、和平、高壩4 個鄉鎮50 個村427 個組、20334 戶、農業人口85157 人、非農業人口2375 人。本次治理的上游段兩岸大多是農田、村莊,河道能否安全行洪不僅影響金塔河農防段防洪安全,還直接影響城區的防洪安全,在流域整體防洪體系中占據重要的地位。

2 河道演變及河相分析

2.1 造床流量Q

根據金塔河流域特征、實測斷面等資料采用1.5 年一遇洪水設計洪峰流量法和平攤流量法計算造床流量。

（1）1.5 年一遇洪水法

根據金塔河流域特征及基本資料情況采用1.5 年一遇洪水設計洪峰流量法,南營水庫至連霍高速橋段造床流量為91.5 m3/s。

（2）平灘流量法

根據工程區河槽的實測斷面,南營水庫至連霍高速橋段造床流量為88.7 m3/s。

將以上兩種計算方法算出的造床流量進行對比分析,再根據河流特征及現狀調查情況,確定采用1.5 年一遇洪水法計算的成果,因此,南營水庫至連霍高速橋段的造床流量采用91.5 m3/s。

2.2 河相關系

河相關系是指河槽斷面形態與流域來水、來沙等因素之間的關系,河相關系按下式確定：

式中：ζ為河相系數；B 為平灘水位時河寬,m,取66m；h 為平灘水深,m,取1.05 m。

計算得河相系數ζ=8.1。對工程治理段河道斷面進行分析計算,河段屬蜿蜒型河道和順直型河道之間的過渡性河段（蜿蜒型河道ζ約為2～4,較為順直的過渡性河段約為8～12,游蕩型河道ζ約為20～30）。通過以上河床演變分析可知,治理河段河勢總體穩定,局部失穩。河道凸岸淤積,凹岸沖刷。

3 河床的穩定性分析

（1）洪沖枯淤

彎道縱向變形是洪水期沖刷、枯水期淤積,而過渡段則相反。年內輸沙量雖然不能達到完全的平衡,但就較長時期平均輸沙量而言,縱向輸沙量是基本平衡的。

河床縱向穩定系數φh按下式計算：

式中：d 為床沙平均粒徑,m；h 為平攤水深,m；J 為河道縱比降。

表1 河床縱向穩定系數計算表

根據以上計算結果并結合地質資料可知,縱向穩定系數較大,河床愈穩定,治理段河床縱向穩定系數均較大,說明河床縱向穩定較穩定,河道底坡可不做大的調整。

（2）凹岸崩退、凸岸淤長

由于橫向環流作用,水流流向并沖刷凹岸,導致凹岸坍塌后退；坍塌下來的泥沙使凸岸不斷淤積。

橫向穩定系數與河岸穩定密切有關,主要是主流頂沖地點及其走向和河岸土壤抗沖能力。按下式計算：

式中：Q 為平攤流量,m3/s,與造床流量相當；J 為河道縱比降；B 為平攤水位時河寬。

表2 河床橫向穩定系數計算表

根據以上計算結果并結合地質資料可知,本河段的河床橫向穩定系數小于1,說明河床橫向穩定性較差,河岸不大穩定,彎曲河岸（凹岸）易受水流沖刷,橫向變形較大。

（3）綜合穩定系數

綜合穩定系數可反映河道的整體穩定性,可按下式計算：

計算得φ=0.33,說明本工程治理段河床整體穩定性較差,河床不穩定。

4 河道演變及河勢分析

河床演變是水流與河床相互作用的結果。水流與河床處在不停的變化之中,當修筑水工建筑物后,河床的變化才受到制約。根據調查,歷史上金塔河河床演變復雜,河床縱向變形為強烈沖刷和淤積,橫向變形為大幅平面擺動。水流受坡降、河床寬窄等因素影響,沖刷河床和攜沙能力也不盡相同,從而就會使河道發生變化。

蜿蜒彎曲形河道成因。河道形態通常從以下幾個方面進行描述：一是平面形態,二是河床縱削面形態,三是河床橫剖面形態,四是河床地貌,五是造床流量,六是河床穩定性系數。蜿蜒彎曲河型成因研究可歸結為兩類。一類純粹討論水流本身彎曲運動的原因；另一類統計流域因素影響包括：地理環境、河床的土質組成及其結構對塌岸的強弱。河段床沙質和輸沙基本平衡,有利于蜿蜒性河段的形成,從來水條件看,流量是影響河勢演變的主要因素之一。洪水期比降平緩,灘面有植被,否則易于切灘,水流自然,不受邊界約束。

蜿蜒形河段的演變規律。蜿蜒形河段演變最本質的問題則是在環流作用下橫向輸沙不平衡。當上下游河彎的這種演變過程由于某種原因,如河岸組成不均勻,成份不一致時,往往出現S 形河彎,這種S 形河彎,同一岸相鄰兩個彎頂之間的距離逐漸縮短,形成河環,河環的起點和終點（狹頸）兩端水位高差較大,一遇漫灘水流,就可能沖開發展成新河,這就是自然裁彎。

蜿蜒彎曲形河道的不利影響：第一,彎道減緩了水流的沖擊力,對河道良性發育不利；第二,局部彎道頂沖防洪堤,護岸安全受到威脅易發生決口；第三,下游灘地多為莊稼地,蜿蜒形河道占去了農田；第四,影響水文觀測斷面設立及水文測驗；第五,彎道變化移動使臨時橋梁和灘地建筑物受到影響而被迫遷移。

蜿蜒彎曲形河道治理措施裁彎是裁去河道的彎曲部分,使水流順直。為防止自然裁彎所帶來的弊害,許多河流采用了人工措施河道裁彎取直；修建生態防洪治理工程體系是治理彎道的重要措施。河道生態防洪治理工程的修建,阻止了大范圍的河勢變遷,防止了護岸沖決發生的條件,降低了河道順堤行洪的風險,穩定了排洪輸沙的主槽,遏制了不利河勢的發展,提高了防洪安全。但是,河流是動態的,來水來沙是隨機的,生態防洪治理工程體系不會一勞永逸,修建好的防洪護岸還要常檢查常維護,及時發現、解決新問題。

（1）治導線。布置治導線時必須滿足安全、經濟、通暢泄洪的要求,同時考慮河相關系,不改變現有河型,并盡量顧及原有河岸線和枯水河槽的彎曲形態,充分利用現有橋梁、河堤等工程,力求上、下游相互呼應、平順銜接,與具有控制作用的河段相銜接,左、右岸兼顧,少占或盡量不占地,從安全性、現實性和經濟合理性的要求出發,確定合理的治導線。以20 年一遇洪水流量311 m3/s 作為設計標準,以洪水整治線確定水庫至連霍高速橋段的堤線。

（2）穩定河寬確定穩定河寬的確定可以采用兩種方法計算比較,第一種水流阻力公式,第二種為采用阿爾圖寧公式計算。根據河床走勢,取一個典型斷面縱坡進行計算,縱坡為0.02。造床流量為91.5 m3/s,糙率為0.045。

1）水流阻力公式：采用水流阻力公式、水流連續方程及河相關系聯立求解計算：

式中：A 為穩定河寬系數,取1.5；Q 為造床流量,m3/s；J 為河床比降,‰。

表3 穩定河寬計算表

根據兩種公式計算,結合現場勘查可知,該治理河段河床為沖洪積砂卵礫石,現狀河道主河槽寬度為88 m～320 m,結合金塔河現狀河岸地形條件,最終選定本工程治理河寬為不小于88 m。

5 結論

根據金塔河流域實際情況,治理河段的河勢總體上是穩定的,不會發生大的河槽變遷,凸岸淤積,凹岸沖刷；河床縱向穩定系數均較大,河床縱向較穩定。治理河段河床為沖洪積砂卵礫石,現狀河道主河槽寬度為88 m～320 m,結合金塔河現狀河岸地形條件,最終選定本工程治理河寬為不小于88 m。