對攔河建筑物防洪影響分析思路的初步探討

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前言

　　隨著水資源供需矛盾的日益突出，黨和政府提出了水資源可持續(xù)利用的戰(zhàn)略目標(biāo)，充分合理地開發(fā)利用水資源，為全面建設(shè)小康社會提供有力支撐和保障。隨著水利建設(shè)的不斷發(fā)展，水利投資的重點(diǎn)也將由防洪工程轉(zhuǎn)向水資源配置工程。按照傳統(tǒng)水利思路，由于河道防洪任務(wù)的重要性，在山洪河道修建攔河建筑物蓄水開發(fā)水資源一般要求非常嚴(yán)格，因此山洪河道水資源開發(fā)利用程度很低，在一定程度上造成水資源的巨大浪費(fèi)。隨著傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利的轉(zhuǎn)變，在山洪河道上修建攔河建筑物，攔蓄上游河道流域來水，開發(fā)河道豐富的水資源，使防洪工程轉(zhuǎn)向水資源配置工程已成為水利建設(shè)的重點(diǎn)。

　　但在河道水資源得到合理的開發(fā)利用的同時(shí)，河道的防洪任務(wù)更加艱巨，這就要求水利工作者不僅要充分開發(fā)利用水資源，而且要充分預(yù)測到建筑物可能帶來的負(fù)效應(yīng)。由于河流的形成及發(fā)展條件各異，河床演變的特點(diǎn)及其衍生的問題是各種各樣而且復(fù)雜多變，因此研究分析攔河建筑物對防洪的影響是一個(gè)多學(xué)科多因素的復(fù)雜問題，特別是河流泥沙動力學(xué)知識以及河床演變的規(guī)律。就其本身來講，目前仍然是一門不成熟的新興學(xué)科，因此對于攔河建筑物防洪影響的分析就有了很大的難度。本人根據(jù)多年來的工作經(jīng)驗(yàn)以及掌握的材料，從各人的認(rèn)識角度出發(fā)，對建筑物防洪影響的分析思路提供一些建議。如有不當(dāng)以及不足之處，希望同仁們給予指正和補(bǔ)充，并在大家的共同努力之下，更好地完成項(xiàng)目，使每一個(gè)項(xiàng)目都能較好地反映出其對防洪的影響，從而使建筑物更好地為人們造福，而不是帶來負(fù)面影響甚至災(zāi)害。

1 概述

　　攔河建筑物對防洪的影響有有利的一面也有不利的一面。有利的一面是可以充分利用建筑物與河床之間的相互關(guān)系，因勢調(diào)整河道流向，改變不利河相關(guān)系，有目的的控制河床演變的發(fā)展方向，從而使河道有利于人類的經(jīng)濟(jì)活動。另外攔河建筑物作為水資源配置工程，可開發(fā)利用河道水資源，為工農(nóng)業(yè)以及城鎮(zhèn)生活用水提供水源，緩解地下水超采的危機(jī)。但在保證其主要功能的同時(shí)，需要充分認(rèn)識到建筑物對于河道防洪不利的影響。對于建筑物防洪影響的分析思路，主要從河相關(guān)系的變化、工程設(shè)計(jì)以及工程措施之間的相互關(guān)系方面去考慮。在分析建筑物對防洪影響之前，首先要對建筑物所在河道進(jìn)行分析。

1）分析河道類型

　　按照河道流經(jīng)地區(qū)的不同，河道一般可分為山區(qū)河流和平原河流兩大類，而對于同一條河流其上游常為山區(qū)河流，下游段為平原河流，位于上游段和下游段之間的中游段，則往往兼有山區(qū)河流和平原河流的特性。因此要首先根據(jù)流域特點(diǎn)，來水情況，地理特點(diǎn)、形成的過程等確定河道屬于哪一種類型。

2）分析河床的形態(tài)

　　根據(jù)河床演變歷史過程、河床總體走勢，河床的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)確定河道形態(tài)是彎曲型、順直型、分汊型還是散亂型，從而確定河床演變的總趨勢。

3）分析河流的水文、地質(zhì)條件

　　根據(jù)河道來水來沙特性，來水時(shí)空分布，河床床沙組成等特點(diǎn)確定河道的邊界條件，確定是推移質(zhì)還是懸移質(zhì)造床。只有分析確定了造床的主要因素，才能確定合理的經(jīng)驗(yàn)理論公式進(jìn)行定量的分析計(jì)算。

2 工程設(shè)計(jì)與河相關(guān)系的相互影響分析

　　攔河建筑物的設(shè)計(jì)依托于河相關(guān)系，河相關(guān)系又因攔河建筑物的影響而發(fā)生巨大的變化，出現(xiàn)新的演變過程。如果建筑物設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會引起河相不穩(wěn)定，造成行洪的不安全；而河相關(guān)系確定的不合理，則會從以下兩方面影響建筑物的設(shè)計(jì)：如果河相關(guān)系確定的不安全，建筑物的造價(jià)抬高，造成浪費(fèi)；如果河相關(guān)系確定的偏于安全，則建筑物的設(shè)計(jì)會不滿足要求，其損失更加嚴(yán)重，因此攔河建筑物與河床的河相關(guān)系是相互影響相互補(bǔ)充的關(guān)系。

　　本文主要從以下幾個(gè)方面對兩者關(guān)系進(jìn)行分析：

1）建筑物主要設(shè)計(jì)參數(shù)與河床演變之間的關(guān)系

　　建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)主要從底板高程，蓄水位的確定進(jìn)行分析。

　　底板高程的確定至關(guān)重要。底板高程定高了，則會出現(xiàn)上淤下沖的問題，壩前淤積嚴(yán)重者會使建筑物難以正常運(yùn)行，甚至處于癱瘓狀態(tài)，而壩后沖刷則會使消能設(shè)施破壞，從而危及整個(gè)工程。相反，如果底板高程定低了，則上沖下淤，同樣會影響建筑物的正常運(yùn)行。因此合理的選擇底板高程，才能保證上下游河段的演變過程逐漸趨向于平衡，趨向于防洪有利的一面。

　　對于正常蓄水位的確定，從防洪角度出發(fā)，水位不宜漫灘。蓄水位長期漫灘，不僅影響灘地開發(fā)，而且來沙落淤抬高灘地，而建筑物進(jìn)行蓄清排沙時(shí)，按照河床"死灘活槽"的發(fā)展規(guī)律，灘地只淤而不沖，必然影響河道的行洪安全。

2）消能防沖設(shè)計(jì)與河床演變之間的關(guān)系

　　消能防沖設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)過程中是不可缺少的重要組成部分，在有關(guān)規(guī)范中都有具體的規(guī)定，但河床演變對消能防沖計(jì)算的影響卻沒有明確的提出，從而使設(shè)計(jì)人員往往忽略了河床演變的影響，計(jì)算過程與河床演變脫節(jié)，造成設(shè)計(jì)結(jié)果的不安全。

　　本文主要從下游的河床演變角度闡述對消能的影響。攔河建筑物建成后，由于水位壅高，上游淤積，下泄水流含沙量降低，使下游河床將發(fā)生兩種不同類型的沖刷，一種是在樞紐下游較長段上普遍產(chǎn)生的一般沖刷；另一種是在樞紐下游附近較短的河段內(nèi)產(chǎn)生的局部沖刷。局部沖刷在有關(guān)規(guī)范及教材中均有較詳細(xì)的計(jì)算辦法和處理措施，本文只對一般沖刷做進(jìn)一步說明。

　　一般沖刷是一種使下游河道自上而下發(fā)生的長距離沖刷現(xiàn)象，但隨著沖刷的不斷發(fā)展，河床床沙粒徑逐漸粗化，形成抗沖保護(hù)層限制沖刷發(fā)展，并將很快趨于穩(wěn)定，因此其發(fā)展變化總是向穩(wěn)定的方向進(jìn)展。隨著一般沖刷的發(fā)展，下游水位流量關(guān)系發(fā)生變化，勢必影響建筑物的泄流能力以及消能防沖，這就需要對一般沖刷進(jìn)行分析計(jì)算。目前對于一般沖刷的定量計(jì)算仍處于不成熟階段，雖說現(xiàn)階段也有許多的經(jīng)驗(yàn)或理論公式可以使用，但大多繁瑣難用，作者認(rèn)為下面兩種方法比較適合與工程設(shè)計(jì)人員運(yùn)用。

方法一 謝鑒衡所建議的沖刷極限狀態(tài)法。公式如下：

　　根據(jù)以上公式只要合理確定造床流量Q，河床粗化后的糙率n以及床沙粒徑d值，即可估算沖刷后的河道比降J、平均水深h以及河寬B。

方法二 王世夏教授提出的靜平衡計(jì)算公式。

　　上式中床沙特性參數(shù)K通常可取4.0212m^1/2/s，粒徑可取中值粒徑為計(jì)算粒徑。對于無因次待定系數(shù)C的確定需根據(jù)王世夏教授提出的河相關(guān)系補(bǔ)充方程計(jì)算。根據(jù)實(shí)測的河床斷面形態(tài)、床沙組成等資料，計(jì)算多組數(shù)據(jù)，由上式反推出C值。

以上兩種方法的基本原理是一致的，均是水流連續(xù)公式、均勻流阻力公式以及水力因素和泥沙因素之間的關(guān)系公式，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合聯(lián)解推求所得。

　　根據(jù)以上方法可以推求出沖刷后的河相關(guān)系為依據(jù)進(jìn)行消能防沖計(jì)算是比較合理的。同時(shí)要充分考慮到一般沖刷對下游兩岸灘地以及堤防的沖刷，要及時(shí)采取措施護(hù)砌兩岸，防止沖刷對河床的不利影響。

3）河道主要參數(shù)的取定與河床演變之間的關(guān)系

　　從長期角度來看，河相的變化具有周期性，隨著多次沖刷淤積之后，河道總是趨向于某一平衡狀態(tài)，最終達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的河相關(guān)系。比如，彎曲的河道彎曲到一定程度，水流為尋求阻力較小的新流路，通過撇彎取直或裁彎取直來遏止凹岸沖刷的進(jìn)一步發(fā)展。對于攔河建筑物同樣有此規(guī)律，在人為因素的影響之下，河床要發(fā)生變化，但其變化也是向著停止的方向發(fā)展。如何才能知道設(shè)計(jì)參數(shù)符合河床演變的自然規(guī)律，使建筑物與自然協(xié)調(diào)共存呢？謝鑒衡和王世夏教授同樣提出了河道沖淤平衡計(jì)算方法。下面簡單介紹王世夏教授提出的推移質(zhì)造床河流的動平衡計(jì)算方法。

計(jì)算原理同一般沖刷計(jì)算的計(jì)算原理相同。公式如下：

　　公式中Qs為河床推移質(zhì)輸沙率，由于水文觀測技術(shù)及條件的限制，該參數(shù)的確定比較困難?？墒占哟矐乙瀑|(zhì)輸沙率與流量的關(guān)系，并參照類似河道懸推比，來確定推移質(zhì)輸沙率值。其他參數(shù)的確定同一般沖刷計(jì)算方法。

　　根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，來分析確定設(shè)計(jì)參數(shù)值是否合理。比如，計(jì)算比降值陡于設(shè)計(jì)值，則說明河道不需淤緩至設(shè)計(jì)值就可以平衡，因此設(shè)計(jì)值是偏于安全的；相反，計(jì)算值緩于設(shè)計(jì)值，則說明設(shè)計(jì)值偏陡，上游的河沙要繼續(xù)向下游推移，直到相對平衡。

3 防洪措施與河床演變之間的相互影響分析

　　從以上關(guān)系的分析中可以看出，建筑物的修建會使河床發(fā)生較大的變化，但隨著河床的自我調(diào)整作用，河床最終會達(dá)到一個(gè)新的動平衡點(diǎn)。這不僅僅要求建筑物的設(shè)計(jì)滿足河床演變的要求，同時(shí)要采取一定防洪措施才能保證影響控制在安全或有利的一面。防洪措施與河床演變之間也是相輔相成的關(guān)系。

1）合理的控制運(yùn)用

　　充分利用攔河建筑物的優(yōu)勢，合理的控制運(yùn)用，調(diào)節(jié)河道固體徑流。在取水時(shí)期，上游水位抬高，使來沙暫時(shí)沉積在壩前，之后就需采取合理的控制運(yùn)用措施沖刷淤積，保證取水庫容以及行洪的安全。

2）規(guī)范的管理結(jié)構(gòu)

　　由于人類的需求，使得河床演變不僅僅受自然因素的影響，而且人為因素也隨著社會的發(fā)展對河道的影響也越來越嚴(yán)重，特別是人為采沙因素，這就需要規(guī)范的管理結(jié)構(gòu)和管理制度來規(guī)范管理人為因素對河道的影響。

3）完善的觀測系統(tǒng)

　　建筑物的設(shè)計(jì)以及河床演變計(jì)算原理是建立在實(shí)踐到理論、理論到實(shí)踐的基礎(chǔ)之上，具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和試驗(yàn)性，它不可能完全代替自然規(guī)律，而河道的邊界條件卻千差萬別，在時(shí)間與空間上也是變化萬千的，不可能有哪一種理論公式能準(zhǔn)確的界定河道發(fā)展變化。因此，工程的正常運(yùn)用，還要依靠完善的觀測系統(tǒng)來補(bǔ)充改進(jìn)工程。要及時(shí)開展原型觀測，積累有關(guān)數(shù)據(jù)，保證工程正常運(yùn)行的有效，進(jìn)一步驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)，完善的觀測系統(tǒng)還對河道以及建筑物的科學(xué)研究具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

　　總上分析，主要從分析研究天然河道的實(shí)測資料、泥沙運(yùn)動和河床演變的基本原理兩方面對防洪影響進(jìn)行分析。對于重要河流，有條件時(shí)盡可能運(yùn)用各種方法進(jìn)行分析研究，比如進(jìn)行模型試驗(yàn)，通過河工模型試驗(yàn)，對河床演變進(jìn)行預(yù)測，對防洪措施進(jìn)行合理的規(guī)劃；也可利用條件相似河段的實(shí)測資料進(jìn)行類比分析等方法。