橡胶坝底座对河流弯道段水沙运动影响的分析

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1、橡胶坝底座对河流弯道段水沙运动影响的分析张跟广刘旭东(水利部西北水利科学研究所)摘要本文以延河人工湖工程为研究对象，对人工渠化河流弯道段修建充水式橡胶坝工程后，橡胶坝底座引起河道水流流态及横向流速分布、河床演变和河道洪水位等水沙运动规律的变化进行了试验研究。试验发现，在橡胶坝工程修建后，橡胶坝底座对坝址上下游一定范围内的河道横断面横向流速分布、河床冲淤变化及河道沿程洪水位均具有一定的影响，影响的程度及范围随着河道洪峰流量的增大而加大；在河道凹岸支流有洪峰入汇的情况下，由于支流的顶托作用，在一定程度上，减弱和消除了橡胶坝底座对水流、泥沙运动规律的影响。关键词模型试验

2、橡胶坝水流流态河床演变洪水位流速分布1延河及延河人工湖工程概况延河是黄河的一级支流，发源于白于山南坡的安塞县镰刀湾，延河人工湖工程位于延安市区延河干流的中游段。延河干流的中游段，上起安塞县龙安村，下至延长县卷烟厂，全长134km，流域面积5414km２，河道平均比降2.35‰；在延安市上游，有支流西川河汇入，在延安市区延河大桥下游200m左右，南川河从延河右岸汇入。南川河河道全长24.2km，２平均比降8.5‰，流域面积431km。在延河干流上，距人工湖工程(上游)5km的杨家湾村，从1958年设立杨家湾水文站，后来称为延安水文站。延安水文站控制流域面积3208k

3、m２，具有建站以来连续的实测洪水资料。实测资料统计表明：延河属于降雨补给型河流，多年平均降雨量550mm；且降水量年内分配不均，在7、8两月径流量占全年径流总量的40%以上；年际变化也较大，多年平均径流量为1.412亿m3，实测最大年径流量为3.109亿m3(1964年)；多年平均洪峰流量为820m3/s，实测最大洪峰流量为7200m3/s(1977.7.6)；延河又是一条多泥沙河流，流域内植被稀疏，且山高坡陡，洪水暴涨暴落，输沙量年内分配极不均匀，6～9月输沙量占全年输沙总量80%左右，且这4个月内的输沙量往往只是由几次洪水来输移的，个别场次洪水的输沙量可占到全

4、年总输沙量的1/3～1/2；多年平均侵蚀模数1.4万t/km2，多年最大侵蚀模数4.26万t/km2(1977年)；多年平均含沙量314.2kg/m３，最大含沙量1560kg/m３；多年平均悬移质输沙量4480万t，推移质无实测资料。在西川河支流上，距人工湖工程(上游)14km的枣园，从1971年设立枣园水文站，枣园水文站控制流域面积719km２。据枣园水文站1971年～1989年19年的统计资料分析：枣园水文站多年平均径流量2478万m3，多年平均输沙量407.13万t；且水沙量年内分配不均匀，尤其是沙量年内分配极不均匀，7、8两月水量、沙量分别占全年总量的45

5、%和80%以上，6～9月沙量占全年总量的98%以上。南川河无水沙实测资料。在延安市区内，延河及南川河均是人工渠化的砌石护坡河段，边坡比为1∶0.2～1∶0.5。市区内延河河宽一般为120～150m，最窄处80m，河床床面与堤顶间的高差约7～9m，河道比降大，洪水期河槽平均流速在4m/s以上，水流冲刷力强，河床泥沙级配较粗。据延河大桥到坝址之间河床现场取样分析结果可知，河床中值粒径32mm，最大粒径在300mm以上。延河人工湖橡胶坝坝址选在宝塔山脚下的延河大桥下游约320m处，处于延河弯道末端，上游100m左右为延河与南川河交汇区。据设计文献介绍，延河人工湖橡胶坝的

6、设计原则是：为尽可能不改变原河道过洪断面，除冲沙闸闸墩和橡胶坝中墩、边墩高出河床高程3.5m外，橡胶坝底座高程与原河床凹岸最低点同高，其高程为949.5m，坝底座沿水流方向的长度为20.8m，又考虑到左右岸长期淤积，故左右岸靠河堤各设15m浆砌石滚水坝，坝顶高程952.00m，右岸滚水坝的左端设一宽3.0m、高3.5m的冲沙闸，闸底板高程为949.00m；大坝主体为充水式橡胶坝，坝长118.7m，坝体分为两段(见图2)。在非汛期充水运用时，坝顶高程为952.1m，可形成回水长度1.3km，蓄水量约20万m3。2模型设计与验证模型设计为(几何比尺为)1∶60的正态动

7、床模型，模拟范围包括坝址上游2.7km及其下游0.7km的河段。由于原型沙较粗，模型沙可选用天然沙，这样，模型沙与原型沙具有相似的阻力特性和运动特性，并能用同一公式所描述。因此，当模型几何条件和水流条件与原型相似的情况下，模型沙与原型沙的起动、输移等相似条件也随之满足。根据散粒体泥沙起动流速公式，可求得泥沙粒径比尺为1∶60；并依此粒径比尺，按照原型沙级配曲线(d50=32mm)求得模型沙级配曲线(d50=0.53mm)。根据泥沙输移相似条件及河床变形相似条件，可求得单宽输沙率比尺及冲淤时间比尺。模型的验证情况表明，在延河人工湖工程修建前后，模型与原型实测水位符合

8、良好；河床