黄河小浪底水利枢纽温孟滩移民安置区河段位于小浪底工程下游约30km处，该河段西起孟县境内207国道的洛阳黄河公路桥，东至洛河口对岸的温县大玉兰控导工程以下2.5km，东西长40km，右岸为邙山山麓，左岸为温孟大滩。根据小浪底库区移民规划，需在温孟滩区安置移民4.7万人。
温孟滩移民安置区绝大部分为70年代以来形成的低滩地，受河势影响大，为保证移民安置区的安全，需对该河段采取必要的河道整治工程措施。为此，有关部门提出了河道整治方案，主要是对现有工程进行上续、下延，并通过修筑防护围堤，将左岸控导工程首尾相连，保护移民滩区在大洪水时不漫滩。由于该河段河道演变复杂及整治工程的重要性，应对其整治方案的合理性及对不同水沙条件的适应性进行多方面研究，因而，开展了温孟滩移民安置区河段河道整治河工动床模型试验。
1 试验边界条件
根据三门峡水库运用经验，在水库拦沙运用初期往往是下游河道冲淤变化最大、河势调整最剧烈、对河道整治工程影响最明显的时期。因此，为考虑对下游河道整治工程影响最不利的水库运用时段与水沙条件的组合情况，专门开展了小浪底水库拦沙运用期遭遇大水少沙型洪水的试验研究。 试验组次的设计条件是：假设小浪底水库首先下泄1961～1964年水沙过程后，又泄放洪峰流量达到10000m3/s的“82.8”放大型洪水过程，因此，试验的初始地形是在2000年地形[１]基础上通过施放1961～1964年三门峡水库下泄清水过程塑造而成。在三门峡水库拦沙下泄清水运用期，黄河下游河道累积冲刷量达23亿t，其中温孟滩河段冲刷量占全下游的约20%。且在冲刷过程中，河势由宽浅散乱趋于窄深归一，某些断面下切相当严重。尤其在1964年大水期(三门峡水库入库洪峰流量为12400m3/s，出库为4900m3/s)，大部分断面深泓点下降幅度达4～6m，最大达10m。因而可预估，在小浪底水库于2001年建成投入运用后的拦沙运用期下泄清水阶段，下游河床冲淤演变也会受到很大影响。若在对工程安全不利的此类地形前提下，河道又遭遇大水少沙型的洪水，河床将作何调整，规划的河道整治工程能否适应此类大洪水的河势变化，工程局部冲刷是否会进一步加剧，等等，是值得研究的问题。
2 试验水沙条件
根据上述试验目的，选择了1982年汛期(7月29日～8月9日)的洪峰过程(简称“82.8”洪水)。该水沙过程的特点是洪峰流量大，含沙量低，属于大水少沙型洪水，且沙峰稍滞后于洪峰。进一步考虑到温孟滩移民安置区防护围堤的设防标准为10000m3/s，故以此洪水过程为基础，采用同倍比法将小浪底洪峰流量放大至10000m3/s，沙量按输沙率相应放大，以此作为小浪底拦沙运用期河床冲刷下切后遭遇的大洪水类型，其概化水沙过程见图1。
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3 模型设计 模型模拟河段为小浪底至孤柏嘴，该河段河床边界条件极为复杂，上段为砂卵石宽浅多汊型河段，下段为沙质游荡型河段。模型设计充分参考了黄河水利科学研究院关于黄河动床模型的有关研究成果[２，３]，尤其是近年来提出的河工模型相似律[４]，并通过认真分析原型河道的水力条件、边界条件和进行的预备试验结果，提出了“分段设计、过渡处理”[５]的设计方法，对该河段河工动床模型进行了设计。特别是在模型沙的处理上，根据起动相似条件，上段采用天然沙作为模型床沙，下段采用郑州热电厂粉煤灰作为模型床沙，并通过验证试验进行过渡处理，从而完成了从卵石河床到沙质河床到沙质河床的过渡转变。试验结果表明，本设计可满足水流阻力、河床演变、泥沙起动及输移等方面的相似要求。设计的主要比尺见表1。 |
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Designed scale of different river patterns
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比尺 |
平面 |
垂直 |
流量 |
砂卵石河床多汊型河段 |
沙质河床游荡型河段密度 |
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λL |
λh |
λQ |
床沙粒径 |
起动流速 |
糙率 |
床沙粒径 |
含沙量 |
河床变形时间 |
起动流速 |
悬沙粒径 |
糙率 |
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λD |
λVC |
λn |
λD |
λS |
λt2 |
λVC |
λd |
λn |
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数值 |
600 |
60 |
279000 |
7.56 |
7.24～ |
0.72 |
3.6 |
1.72～ |
66.4～ |
7.63～ |
1.38 |
1.55 |
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7.95 |
2.55 |
86.87 |
8.44 |
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4 试验结果分析
4.1
总的来说，由于前期清水冲刷，主河槽变得较为窄深，过流能力大大增加，故在“82.8”放大型洪水过程中，河势相对来说比较归顺，主流线摆动均在工程控制范围以内，基本未出现横河、斜河等畸形河势，洪峰期未出现明显漫滩现象(图2)。
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图2 涨水初期(Q=2024m3/s)、落水期(Q=1990m3/s)河势图 |
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River configuration in initial period of raising (Q=2040m3/s) and falling water(Q=1990m3/s) periods |
就工程的适应性而言，还存在二个突出问题：一是由于本试验水沙条件为大水少沙型,且河槽在前期已遭强烈的冲刷,加之部分河段整治工程平面布置的曲率半径不甚合理及工程送溜段嫌短,使得个别工程前形成入流死、迎溜段水流过于集中，而出溜较为分散的不利河势。如逯村工程入溜段河宽仅为400m，而出溜段河宽达1600m；赵沟工程出溜段河面突然展宽也达1km之多，且水流散乱；裴峪工程出溜1500m后水流扩散、河面展宽，至大玉兰工程迎溜段河宽约1.7km，为整个河段的最宽处。当然,形成此类河势的原因除工程平面布设的因素外,来水来沙的组合也有一定的影响。如根据文献[6]对河型与来水来沙搭配关系Qs=Kqm的研究表明，在大水而来沙偏小或小水来沙偏大时，式中的m较小,一定流量下的水流输沙率也就较低,易形成刷滩淤槽、水流宽浅游荡的河势。 二是由于诸如化工工程的下延长度较短且曲率半径偏小，出流产生明显的回流淘刷现象，最大淘刷范围可至围堤根，严重威胁了围堤安全。另外一个问题亦应注意，即前期清水冲刷过程中，由上段砂卵石推移质被运移至逯村工程下首堆积形成的砂卵石心滩，在该次大洪水期间，并未很快消失，南北两汊反而进一步塌滩外移，落水后期北滩沿距围堤仅剩100m左右，这对防护围堤安全构成极大威胁，因此，对逯村工程～开仪工程、化工工程～大玉兰工程围堤上段均应考虑设置相应的护根措施。
4.2 工程适应性分析
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黄河游荡型河道的整治流量一般是采用中水河槽的平滩流量，按控导作用可将工程的平面构成形式分为迎溜段、导溜段和送溜段(见图3)。按设计要求，迎溜入弯段多为小水靠溜段，以弯导溜段多为中水靠溜段，送溜出弯段多为洪水漫滩后靠溜段。一般来讲，出于工程安全角度和导流效果考虑，总是希望入流角(主流线与连坝切线的夹角，见图3)不宜太大，以小于40°为好，同时，力求整个导溜和送溜段均靠大溜，主溜出流角(见图3)不宜太大，以防止挑流过陡，造成下游工程入溜上提。就是说，若在不同流量下，能够基本达到入溜平顺，出溜集中，送溜到位，则表明工程的适应性比较好。据此,分别统计了模型试验代表水沙条件的Q<4000m3/s清水冲刷系列， |
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Q=4000m3/s
Adaptability analysis on the works
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工程名称 |
河势参数 |
水 沙 条 件 |
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Q=1000～4000m3/s |
Q=4000m3/s |
Qmax=10000m3/s |
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清水冲刷系列 |
S=200kg/m3 |
Smax=90kg/m3 |
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中水大沙 |
大水少沙系列 |
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着溜位置 |
严重上提 |
正常 |
正常 |
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入流角 |
偏大 |
偏大 |
适中 |
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送溜长度 |
偏短 |
基本到位 |
正常 |
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着溜位置 |
基本正常 |
正常 |
偏上开仪 |
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开仪 |
入流角 |
偏大 |
偏大 |
正常 |
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送溜长度 |
基本正常 |
基本正常 |
偏短 |
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着溜位置 |
基本到位 |
正常 |
偏上 |
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赵沟 |
入流角 |
偏大 |
偏大 |
正常 |
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送溜长度 |
基本正常 |
基本正常 |
偏短 |
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着溜位置 |
稍偏上 |
正常 |
基本正常 |
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化工 |
入流角 |
偏大 |
偏大 |
适中 |
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送溜长度 |
偏短 |
基本到位 |
偏短 |
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着溜位置 |
偏上 |
严重上堤 |
正常 |
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翡峪 |
入流角 |
偏大 |
偏大 |
稍偏大 |
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送溜长度 |
偏短 |
基本正常 |
偏短 |
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着溜位置 |
严重下挫 |
正常 |
中偏上 |
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大玉兰 |
入流角 |
过大 |
稍偏大 |
基本适中 |
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送溜长度 |
正常 |
正常 |
正常 |
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4.3 河底高程的调整 经分析计算，由1961～1964年水沙系列和“82.8”放大型洪水先后作用下，河床平均高程较2000年下降3～4m，其中冲刷最严重的河段发生在马峪沟以上，最大平滩水深达10m左右，这与三门峡水库拦沙运用期的实测情况比较接近[8]。图4为试验洪峰期水面线和洪水前后河底平均高程沿程变化,可以看出，洪水前、后河底平均高程没有发生大的调整，河床冲淤相对较弱。花园镇工程以上有少量冲刷，花园镇～伊洛河以上微淤，其下又略有冲刷，这主要是前期河床已充分粗化而造成。根据观测，在流量达到10000m3/s时，基本没有发生漫滩现象。这说明河槽经过1961～1964年水沙过程及“82.8”放大型洪水冲刷调整后，其过流能力是相当大的。 |
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Statistics (below highest level) of work-contacting point and its maximum scouring depth
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工程 |
涨水初期 |
落水后期 |
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名称 |
靠溜情况 |
最大冲刷深度(m) |
靠溜情况 |
最大冲刷深度(m) |
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逯村 |
上延5#—上延2#坝受顶冲 |
7.5 |
涨水期上延5#—上延2#坝受顶冲其下靠主溜，落水时顶冲位置上提至上延7#坝，且造成二次靠河，最终形成上、下2处冲刷坑。 |
9m(上延5#坝)8m(27#坝) |
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花园镇 |
22#—29#靠主溜，27#、28#坝处冲深达最大。 |
15 |
靠溜位置始终在22#坝以下，27#~29#坝冲坑最深。 |
16 |
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开仪 |
中下部着主溜，因迎流角小，冲坑不明显。 |
8 |
靠溜位置一直靠着10#坝以下，7#—29#坝处受顶冲。 |
10 |
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赵沟 |
上延3#—10#坝迎主溜，6#坝处冲坑最大。 |
18 |
主流始终顶冲在上延3#—上延1#坝之间，上延1#—上延9#坝靠大溜。 |
19 |
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化工 |
19#坝以下靠主溜，21#坝处冲刷最深。 |
12 |
18#—33#坝靠主溜，21#—27#坝冲深最大。 |
14 |
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裴峪 |
4#—13#迎主溜，8#坝附近冲深最大。 |
18 |
3#—14#坝迎主溜，8#坝附近冲刷最严重。 |
17 |
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大玉兰 |
10#坝以下全部靠溜，12#—15#坝前有一冲坑。 |
10 |
涨水及洪峰期，15#—25#迎主溜，26#—41#坝靠大边溜；落水期河势上提至10#坝，10#—15#冲坑最深。 |
14 |
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4.4
温孟滩移民安置区河段河道整治工程长度占该河段长度的90%以上。随着工程的进一步完善、配套，有效地控制了河势，其游荡性得到明显改善。但由于一些老的工程，特别是南岸的赵沟、裴峪等工程因地形等边界条件的制约，其布局、迎流角度均不甚合理，因而在这些工程前往往形成严重的局部冲坑。表3涨水初期和落水后期所测得的局部冲坑位置和深度。可以看出，洪水前后冲坑位置变化不大。从冲坑深度看，除裴峪工程外，其它工程的局部冲深均有所增加。赵沟工程的冲深最大，其位置在工程上延坝段，冲深由18m增至19m。从南北岸工程冲深看，南岸普遍深于北岸，象赵沟工程、裴峪工程的局部冲深远比北岸的开仪、化工、大玉兰等工程的大。根据试验分析，造成这种现象的原因主要在于工程入流角度的不同。入流角度愈大，形成的局部次生环流强度愈强，局部冲深就会愈深。图5、图6分别为小浪底水库拦沙运用末期遭遇“82.8”放大型洪水试验[9]及本次试验测得的局部冲深随流速变化的过程，可以看出两者反映的变化规律是基本一致的，冲深都是随着流速增大而增加，最大冲深基本与最大流速相对应。但由于南岸的赵沟工程、裴峪工程的入流角度(多在50°～60°以上)大于北岸的开仪工程、化工工程入流角度(40°～45°），所以南岸工程前局部冲深都大于北岸的冲深。如图5，北岸开仪工程前的最大流速接近4m/s，对应最大冲深为13m；赵沟工程前的最大流速为2.7m/s，但最大冲深达14.5m。由统计结果知，开仪工程入流角度基本保持在40°左右，而赵沟工程入流角度达60°以上，较大入流角的水流会产生强烈的横向环流，对河床质有很强的淘刷作用，即使流速不大，也会造成较大冲刷。因此，在设计中，应当力求避免入流角过大的工程平面布置。若受自然边界条件所限，应考虑填弯工程等改善措施。
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图5 局部冲深与流速关系 |
图6 本次试验条件下的局部冲深与流速关系 |
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Relationships between local scouring depth and velocity |
Relationships between local scouring depth and? velocity in this test |
5 结语
通过试验分析，得出如下几点初步认识：
1.因前期河槽下切，水流相对集中，河势较为稳定，除逯村工程下首主流摆幅600m外，其余均未发生大的变化；
2.由于前期的清水冲刷，床沙已严重粗化，因而本次洪水过程中河床冲淤调整不大；
3.洪峰流量达到10000m?3/s时，未出现漫滩现象，说明河道行洪能力大大增加；
4.洪水过后，局部冲深均有所增加，但南北工程局部冲刷特点不同，在相同流速下，因南岸工程的入流角大于北岸工程入流角，所以南岸的局部冲深大于北岸工程局部冲深；
5.由于个别工程的平面布设及曲率半径不甚合理，工程的下延长度嫌短，因此不能完全适应河势的变化，如出现入流过死，出流散乱外摆等不利河势。为此，提出的工程调整建议为：逯村工程增加2道潜坝；赵沟工程上延可减少5道坝；化工工程在增大送溜段曲率半径的前提下再下延2～3道坝；裴峪工程修建上延护弯工程，另外，需要对逯村～开仪、化工～大玉兰之间的防护围堤上段堤根进行防护处理。
总之，试验表明，多数工程对河势的控导作用是较理想的，没有出现大的畸形河湾，水流相对归顺，河床冲淤调整不明显。但是，对于诸如赵沟工程、裴峪工程的局部冲深较大问题应给予足够重视。
由于黄河的复杂性及模型的局限性，上述认识只是在特定的地形、水沙条件下得出的，因此，尚待根据更多试验组次研究才能得出进一步的认识。