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疏浚常识

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河床枯萎疏浚浅论

2016-01-13 18:34:22 来源: 湖南百舸水利建设股份有限公司点击数:946

陈东 胡春宏 张启舜 吉祖稳

摘 要:原有的疏浚概念多是指在浅滩等碍航河段的通航疏浚,或是河道局部清障,而疏浚技术发展到今天,作为长河道防洪减灾的一种重要措施,必需赋予新的含义。本文结合近些年来我国北方河流出现的河床枯萎现象,分析了枯萎疏浚的基本原理及几个关键技术问题,对于目前在黄河等枯萎河道上采用疏浚防洪有一定的参考价值。
       关键词:河床枯萎;防洪减灾;枯萎疏浚;枯萎造床流量
       分类号:U616  文献标识码:A  
       文章编号:0468-155X(2000)01-0065-04

Dredging on Shrinkage Channel of Rivers

CHEN Dong HU Chun-hong ZHANG Qi-shun JI Zu-wen
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research)

Abstract:The former concept of dredging was based on the studies of navigation or the local obstacles-clean up, and the new concept based on the flood control is introduced in this paper. Based on the new phenomena of the shrinkage of river channels in North China, analyses of the basic principles and some key problems for dredging under shrinking conditions are presented.
Key words:shrinkage of river channel;flood and disaster control;dredging for navigation;dredging for flood control;dominant discharge for channel shrinkage formation▲


1、前言

 近年来,随着流域水资源开发利用程度的提高,河床枯萎现象日渐严重。自80年代后期,中国的第二大河——黄河下游河道及河口段由于长期小水(包括汛期小水)淤积,汛期缺乏足够的水流冲刷恢复,主槽逐渐萎缩,行洪能力锐减,形成了“小水大灾”的不利局面。尤其是汛期的第一场洪水,往往水位异常高涨,带来巨大的损失。1996年8月5日花园口站洪峰流量为7680m3/s,不足下游堤防防御流量的1/3,而沿河水位已接近设防标准,防洪形势一度紧张。1998年7月16日花园口出现第一号洪峰,洪峰流量仅有4700m3/s,然而最高洪水位竟高达94.38m,仅次于“96.8”洪水。同处中国北方地区的辽河、海河及新沂河等河流下游尤其河口地区也遇到了类似的枯萎现象,即没有足够的水流动力冲槽,致使河道常年萎缩,行洪能力远低于设计值,因此机械疏浚已作为防洪减灾的一项重要措施被提上日程。
  疏浚作为一门古老的技术,在中国其年代可追溯到公元前数千年,而作为一门新兴的科学(Dredging),却是伴随着欧美的航运事业发展起来的。目前在国外,美、日、德、荷兰等国对于港口航道的疏浚已普遍采用大型高效挖泥船,我国在清淤固堤的长期实践中也积累了一定的经验。现今的河道疏浚工程并不少见,所采用的方法也有很多,有水下疏浚,有干河疏浚、有依靠水力疏浚,也有采用爆破等手段疏浚,但这些方法多是限于局部排障,仅限于航道和港口的整治,而对于含沙量较高的河流,如何通过疏浚减缓枯萎,增加河道行洪能力则缺乏指导性的理论和实践经验。随着河床枯萎现象的增多,枯萎疏浚的要求日益增加,这种矛盾就更加突出。


2、黄河下游河道枯萎特点及疏浚对策

 黄河下游河段,从铁谢到河口,一般分成三段,即游荡型河段、弯曲和过渡型河段及河口段。
  黄河下游的游荡型河段,如铁谢~陶城埠河段,主流线变化不定,冲淤变化十分强烈,枯萎后泥沙淤积分布在数千米的嫩滩上。对于这样的河道,一方面挖槽不容易稳定,另一方面,即使挖槽不回淤,如果与河道主流线不相一致,也起不到增大行洪能力的作用。2000年后,小浪底水库将在50年内对河南段河道产生冲刷作用,届时河道形态也将会发生调整,因此在此河段不宜采用较大规模的疏浚,盲目投入,不仅效果甚微,还将会造成人力物力的极大浪费。但是我们同时也应看到,游荡型河道存在着一些畸形的河湾,也存在“横河、斜河”的产生条件,如能配合上游的调水调沙工程和河道整治工程采用局部疏浚,因势利导,调整河势,就能一定程度上减少险情的发生。
  黄河下游的弯曲和过渡型河道,如陶城埠-渔洼河段,原有的断面比较窄深,枯萎后泥沙淤积集中在数百米的主槽内,洪水主流线集中,这样通过一定方式和规模的机械疏浚,减少小水期的淤积,就有可能有效降低汛期行洪水位,增大河道过洪能力。此外,两个河弯之间的过渡河段,由于环流作用减弱,水流挟沙能力较弱,枯萎最为严重。如梁集和大田楼断面1994年与1986年相比,过水断面面积分别减少1635m2和1400m2,减少比例56%和53%,从纵剖面来看,过渡段河底高程和行洪水位也较高,已起到局部侵蚀基面的作用。考虑到长河道疏浚的现实可操作性,短期内应将上述河段作为疏浚重点河段。
  黄河渔洼以下河口段的枯萎,主要受来水来沙条件、河口淤积延伸及人工整治措施等因素的制约。人工整治属于局部影响,淤积延伸属于溯源影响,这些影响随水力条件的不同时大时小,都有可能加速河槽枯萎的进程。但河口段的枯萎主要还是由于来水来沙产生的自上而下的萎缩过程。因此,仅仅是口门清淤,虽说在一定程度上降低了侵蚀基面,但并不能有效缓解黄河下游的防洪压力。


3、河床枯萎疏浚设计流量

 枯萎疏浚必须选定某一设计流量,才能进一步确定挖槽尺度和规模。设计流量的选取,应能够保证河道在设计流量下不淤或少淤,从而在一定程度上维持汛前的挖槽尺寸,以减缓枯萎现象。
  笔者曾论证到,在枯萎的水文条件下,天然河道往往存在着两种河相关系:一种是形成洪水河槽的河相关系,另一种是由于大洪水出现机会减少,长期对河床起作用的是小水,因陡出现的枯萎河相关系。枯萎河相关系致使河宽变小、主槽萎缩,洪水来临时同流量水位增高,易造成灾害。虽然接着河道可能会冲刷,但由于缺乏冲刷造床的持续洪水,枯萎的淤积是不能完全恢复的。因此,枯萎是一种不可逆过程。河道在总趋势枯萎的过程中不断重复“枯萎-部分恢复-再枯萎”这个循环。
  形成枯萎和洪水相间的河相关系,是流域水沙条件发生变化所致。为了数学描述的需要,我们必须在原有的洪水造床流量之外,再选择一个代表流量叫作枯萎造床流量。图1是以黄河艾山站1985-1994年实测水沙系列推求河道枯萎造床流量的计算成果。其中,Qi是分级流量,Si,Pi是根据实测资料统计的相对于Qi的含沙量和历时权重。QSP反映着输沙能力,选择与QSP极大值相对应的Q,有利于保持河槽不淤或缓淤。图1出现两个峰值,第一个在4800m3/s左右,这是我们常说的洪水造床流量。第二个在800~1200m3/s左右,此时其对应的平均含沙量约为25kg/m3。我们认为这就是枯萎造床流量,正是它作为一个有代表性的动力,塑造了艾山河段在枯萎时期的河相关系,故应将其作为艾山段疏浚设计流量。由于黄河下游沿程大量引水,所以流量沿程减小,因而必须对每个河段进行具体分析,得出当地的疏浚设计流量。
  

图1 黄河艾山站1985~1994实测系列的枯萎造床流量
Computed dominant discharge under shrinking conditions using data series of 1985-1994 at Aishan Station


4、断面有效疏浚部位及疏浚角

 黄河下游过渡段河道断面形态如图2所示。经非汛期小水的长期作用,贴边淤积严重,而且形成一个小水河槽。汛期大水过后,断面近似一矩形河槽。说明汛期非汛期其水流动力轴线并不一致。为充分发挥挖槽在汛期降低行洪水位的作用,断面有效疏浚部位应尽量与汛期水流最大动力轴线一致。笔者假想的疏浚开挖线如图2所示。
  

图2 疏浚河段开挖横断面图
Dredging line at a typical cross-section in the lower Yellow River

 既然挖槽位置尽量与洪水主流位置接近,那么在枯水期必然发生变化,对于象黄河这样一条主流摆动频繁显著的河流来说,挖槽被淤废的可能性极大。这就要求一方面挖槽必须选择合理的疏浚时机、设计流量和挖槽尺寸,尽量减少挖槽在枯水期的淤积变形,另一方面,在必要的时候,须根据河道大、中、小水主流线的变化规律,配合必要的整治控导工程措施,以稳定挖槽平面位置。
  从纵向上来看,挖槽方向应尽量与主流特别是底流方向一致,这有利于泥沙的输移。也有人主张挖槽方向与底流方向构成一定的交角,在挖槽内形成螺旋流,以利冲沙。原苏联学者列亚尼兹(Н.А.РЖаничын)经过理论分析,并用某些小河及伏尔加河的实际资料分析证明,最小挖槽回淤发生在底流与挖槽轴线成某φ角时。B.A.培什金根据理论论证,也获得了类似的结果。根据原苏联的一些成功挖槽的经验,挖槽内回淤量最小时φ=7°~13°。


5、挖槽横断面设计

 挖槽横断面一般设计成倒梯形,须确定的尺寸为深度、底宽、边坡系数及槽底高程。边坡系数取决于土壤在水下的安息角,对此已形成专门的疏浚土研究方向。至于槽底高程则由开挖深度确定。所以主要是确定深度和宽度。
 

图3 挖槽示意图
Sketch of dredging

 在设计流量下,设u0、h0、B0、J0为疏浚前主槽内的平均流速、平均水深、水面宽度、水面比降,un、hn、Bn、Jn为疏浚后挖槽内相对应的数值。令hn/h0=a为相对疏浚深度;Bn/B0=b为相对疏浚宽度;un/u0=k为相对疏浚流速。列亚尼兹以曼宁公式和流量连续方程为基础,在一系列假定条件下推导得

 (1)根据原苏联一些成功挖槽的经验,按下述范围取值,挖槽内回淤量最小。

 (2)然而,必须指出的是,目前在通航疏浚中现已广泛应用的列氏公式仅是从提高挖槽内流速出发,对整个主槽的过水和输沙能力是考虑较少的。因此,对于黄河这样的多沙河流,公式是否适用尚需具体分析。设疏浚后挖槽两侧的流速为u′0,与u0之比为k′。经过简单推导可得下式

 (3)按列氏公式的取值k′=0.79~0.73,这说明随着挖槽内流速的增加,挖槽两侧的流速比原值有较大幅度的减少,对提高整个主槽的输沙能力来说,这就意味着要产生一部分抵消作用。

 现以章丘屋子为例,根据1996年汛后资料,在设计流量1200m3/s时,原主槽尺寸为400m×1.78m,原主槽平均流速为1.67m/s,输沙率25kg/m3。挖泥尺度设为a=1.8,b=0.2,则按列氏公式计算结果un=1.86m/s,u′0=1.25m/s。挖槽内流量为480m3/s,即仅有大约1/3的流量输沙能力增加,而剩下2/3的流量其输沙能力反而有所减少。至于整个主槽的输沙能力是大是小,还需要通过数学模型甚至河工模型进一步深入研究。文献[7]根据一些运河的治理经验,认为当把疏浚弃土堆放在边滩位置,则可以在一定条件下增加断面输沙能力。然而对于黄河下游主槽断面来说,无论如何优化,小水淤积是不可避免的。但如能在汛前维持一定的挖槽尺寸,则挖槽对于降低汛期第一场洪水位的作用是毋庸置疑的。如果忽略挖槽后糙率和水面比降变化,用章丘屋子同一断面的滩槽曼宁公式联合求解,按照如上挖槽尺寸,“96.8洪水”可降低洪水位0.41m,“98.7洪水”可降低洪水位0.42m。


6、结语

 1.对于黄河等枯萎河道来说,汛期已经没有可造床洪水。同时由于同流量洪水位越来越高,单纯靠加高堤防的手段,已不能解决目前的防洪新问题,因此,疏浚作为一项重要措施已被提上日程。
  2.河床枯萎的根本原因还是流域来水来沙条件的变化。因此,疏浚同样是“治标不治本”的措施。黄河下游主槽断面,无论如何优化,小水淤积是不可避免的。但汛前疏浚,对于有效降低汛期第一场洪峰水位,即对防洪减灾的作用是毋庸置疑的。在同样的防洪效益下,可以与加高堤防措施进行经济比较。
  3.以前在黄河上的一些零散的疏浚工程,大多效果不佳。这不仅仅是由于工程规模小,其中还存在一个“科学治黄”的问题。譬如,以往有些疏浚作业并非选择汛前,时机不合理,以至疏浚的速度赶不上淤积的速度,可谓“事倍功半”。 长河道防洪疏浚,与原有的通航疏浚不同,是个崭新的研究课题。本文仅是浅论,希望起到抛砖引玉的作用,从而最终用科学指导疏浚,缓解黄河下游的防洪压力。


 基金项目:国家自然科学基金和水利部联合资助项目(59890200)
       作者简介:陈东(1973-),男,中国水科院工程师。
       作者单位:陈东(中国水利水电科学研究院,北京,100044)
           胡春宏(中国水利水电科学研究院,北京,100044)
           张启舜(中国水利水电科学研究院,北京,100044)
           吉祖稳(中国水利水电科学研究院,北京,100044)

参考文献:

[1]明宗富编.疏浚工程学.武汉水利电力大学教材,1993.12.
      [2]费祥俊等.黄河下游疏浚减淤的效果利弊析.科技导报,1997.9.
      [3]王卫红等.黄河山东河道挖沙疏浚对防洪减淤可行性初步分析.第十一届全国水动力研讨会第四届全国水动力学学术 会议文集,海洋出版社,1997.
      [4]陈东.河床枯萎研究.中国水利水电科学研究院硕士论文,1997.3.
      [5]K.B.格里沙宁等著.内河航道.交通部航道整治工程技术规范编辑委员会,1988年12月.
      [6]K.B.格里沙宁等著.内河航道续篇.交通部《航道维护规范》编写组,1992年.
      [7]吕文堂.黄河艾山以下河道挖泥疏浚工程断面设计初步研究.人民黄河,1994.12.


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