邸國(guó)平

1 概況

汾河為黃河的一級(jí)支流，是山西省境內(nèi)第一條大河。流經(jīng)臨汾市境內(nèi)的汾河下游，境內(nèi)汾河長(zhǎng)173.5km，流域面積10286km2，約為臨汾市總面積的50%。濱河生態(tài)區(qū)建設(shè)工程是臨汾市城建十大工程之一。而汾河閘壩蓄水工程是濱河生態(tài)區(qū)建設(shè)的重要組成部分，位于臨汾市城區(qū)西側(cè)的汾河干流上，北起馬務(wù)橋，南至平陽(yáng)橋，全長(zhǎng)約5km，兩岸無(wú)支流匯入，河道縱坡0.556‰，河床寬約400～500m。洪水汛期集中在6—9月，平時(shí)水量很少。

據(jù)石灘水文站統(tǒng)計(jì)，多年平均實(shí)測(cè)徑流量為7.23億m3，多年平均輸沙量2115萬(wàn)t，實(shí)測(cè)洪水中最大洪峰流量2800m3/s。懸移質(zhì)平均中值粒徑0.025～0.047mm，河床質(zhì)中值粒徑0.27～0.33mm。

2 工程樞紐設(shè)計(jì)

濱河生態(tài)區(qū)閘壩蓄水工程為Ⅴ等工程，主要建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)，工程區(qū)地震烈度為8度，建筑物設(shè)防烈度按8度考慮。主要樞紐建筑物包括修建人工復(fù)式河槽、排污暗涵、中隔墻、橡膠壩及附屬建筑物。

全河道過(guò)水能力按原標(biāo)準(zhǔn)50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，洪水流量2690m3/s。主河槽按10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，洪水流量1500m3/s，兩側(cè)各布置一條排污暗涵，長(zhǎng)度均為5000m。

分槽方案將主河槽分成兩部分：一部分為泄洪槽，可過(guò)300m3/s以下的小洪水；一部分為蓄水區(qū)，以供觀賞。當(dāng)來(lái)流量超過(guò)泄洪槽的過(guò)流能力，發(fā)生洪水翻壩運(yùn)行或塌壩過(guò)洪時(shí)，可在槽與區(qū)之間設(shè)中隔墻。

3 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

根據(jù)初選分槽治理方案的綜合治理段規(guī)劃布置及各主要建筑物的布置形式，通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證其合理性，確保工程治理段在各級(jí)洪水條件下各部位水流有良好流態(tài)，了解該河段沖淤變化，為改進(jìn)設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容包括：驗(yàn)證泄流能力；進(jìn)行沖刷試驗(yàn)；根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，提出對(duì)上游進(jìn)口段、過(guò)橋墩段、彎道段、下游出口段等部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案或建議。

4 模型規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)，初步考慮分析定床清水試驗(yàn)和動(dòng)床渾水試驗(yàn)階段。

定床清水試驗(yàn)階段主要觀測(cè)工程各部位水流流態(tài)、流速分布、水面線等。為研究各級(jí)流量下各部位水面高程及沖淤可能性，對(duì)各建筑物（尤其是進(jìn)、出口）的布置形式、尺寸進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出對(duì)上游進(jìn)口段、過(guò)橋墩段、彎道下游出口段等部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案或建議，同時(shí)為解決渾水試驗(yàn)階段的工程水力學(xué)問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

動(dòng)床渾水試驗(yàn)階段主要測(cè)定工程各部位的沖淤變化、水面線。該階段是在清水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上將工程治理段河床用模型沙鋪填，并在來(lái)水中按要求加入泥沙進(jìn)行試驗(yàn)，為工程防沖措施提供依據(jù)。

4.1 模型比尺選擇

根據(jù)試驗(yàn)要求，綜合考慮水流及泥沙相似條件、試驗(yàn)場(chǎng)地及模型最小水深的限制等因素，確定模型幾何比尺為：水平比尺λl=180，垂直比尺λh=60。

4.1.1 重力相似

4.1.2 阻力相似

根據(jù)最小水深hm>2.0cm，得出糙率比尺λn=λh2/3/λl1/2=602/3/1801/2=1.1423，水面比降比尺 λJ=λh/λl=60/180=0.3。

4.1.3 泥沙運(yùn)動(dòng)相似

動(dòng)床模型試驗(yàn)主要保證河床沖淤變形相似，要求滿足床沙的起動(dòng)相似條件和單寬輸沙率相似條件，要滿足起動(dòng)相似條件，首先需考慮模型沙的選擇。

通過(guò)對(duì)電木粉、精煤、粉煤灰、塑料沙進(jìn)行比選，這些模型沙均可做模沙，但塑料沙、電木粉等不僅價(jià)格高，且加工不方便，不易達(dá)到粒配要求，故選用起動(dòng)流速小、級(jí)配廣的清徐焦化廠的精煤做模型沙，精煤具有比重較小、較穩(wěn)定；起動(dòng)流速小，有利于起動(dòng)相似；粒徑范圍經(jīng)過(guò)水選，可以分選出級(jí)配合適的模型沙等優(yōu)點(diǎn)。

4.1.4 床沙比尺

研究河床沖淤變化的動(dòng)床模型試驗(yàn)，必須考慮底沙運(yùn)動(dòng)條件相似及滿足起動(dòng)流速相似。床沙粒徑比尺λD=4.848依據(jù)床沙粒徑比尺和原型床沙級(jí)配（原型床沙d50=0.31～0.33mm），得出模型床沙（設(shè)計(jì)床沙）級(jí)配。該試驗(yàn)采用模型床沙d50=0.068mm左右。根據(jù)模型沙在水槽中起動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果可知，當(dāng)水深3cm時(shí)，其起動(dòng)流速為7～8cm/s，滿足要求。

4.1.5 泥沙懸移相似

根據(jù)斯托克公式懸移質(zhì)泥沙沉降相似關(guān)系：

式中：λd——懸沙粒徑比尺；

λv——流速比尺；

λw——沉速比尺；

λ(γs-γ)——泥沙比尺。

取 λv=1，則

4.1.6 關(guān)于挾沙能力比尺

一般洪水含沙量隨流量大小而變化，含沙量增大，沖刷能力就會(huì)減小。對(duì)于研究河床沖淤及建筑物周圍沖刷情況的模型，由于沖瀉質(zhì)泥沙（d<0.01mm部分）不參與造床運(yùn)動(dòng)，因此，渾水試驗(yàn)中，只保證渾水中所加泥沙與床沙粒徑接近部分按比例加入，而不多考慮沖瀉質(zhì)部分。

挾沙能力比尺λs隨模型沙比重、特性及含沙量的大小而不同，一般應(yīng)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)標(biāo)定。該試驗(yàn)結(jié)合水槽試驗(yàn)的一些資料取λs=2。

4.1.7 沖淤時(shí)間比尺的確定

沖淤時(shí)間比尺直接影響模型中放水時(shí)間的長(zhǎng)短，進(jìn)而影響沖淤深度；而沖淤時(shí)間比尺又直接與沉積物容重、挾沙力比尺等有關(guān)。按照沖淤平衡方程推得其時(shí)間比尺λt2≈23.24。

4.2 關(guān)于洪水過(guò)程的概化處理

根據(jù)任務(wù)要求，試驗(yàn)采用的洪水過(guò)程線是石灘水文站1988年6月實(shí)測(cè)典型年洪水過(guò)程線，Q10%=1500m3/s是將該洪水過(guò)程線按流量大小劃分成階梯，盡量保證在某一時(shí)段內(nèi)其平均流量值接近于該時(shí)段洪水流量的平均值；Q2%=2690m3/s洪水過(guò)程線是將1997年8月5日的Q5%=2020m3/s洪水過(guò)程線按“以峰控制”同一倍比放大而得的，按流量大小的洪量基本相等劃分成階梯；Q=300m3/s是按《臨汾濱河路生態(tài)區(qū)閘壩蓄水工程樞紐布置方案比較比選階段設(shè)計(jì)報(bào)告》中的洪峰流量200～500m3/s歷時(shí)2～3d，洪峰流量200～400m3/s歷時(shí)1～2d而得。試驗(yàn)時(shí)取Q=300m3/s歷時(shí)2d左右，模型中歷時(shí)約1h。

5 模型制作安裝

模型制作安裝的精度是試驗(yàn)成果好壞的關(guān)鍵。除要求模型能正確滿足幾何相似外，還必須滿足各部位糙率相似，同時(shí)使用的儀器設(shè)備也應(yīng)滿足必要精度。

定床模型試驗(yàn)中，除1～3號(hào)橡膠壩采用塑料板，橋墩井柱用鋼筋外，其余定床部分均采用水泥砂漿抹面而成。中隔墻采用預(yù)制水泥砂漿砌成，因水泥面糙率n=0.008～0.011，比要求值0.020小很多，故采用撒石子加糙來(lái)提高模型糙率。根據(jù)有關(guān)糙率的試驗(yàn)成果，取石子粒徑0.3～0.5cm，用環(huán)氧樹(shù)脂把石子固定在水泥床面上。

動(dòng)床模型試驗(yàn)中，模型試驗(yàn)段用模型沙按照相應(yīng)床面高程鋪墊，模型中床面糙率根據(jù)模型沙水槽試驗(yàn)及參考經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，初始運(yùn)行模型床面糙率n≈0.011，小于要求值0.020。分析以往的動(dòng)床模型試驗(yàn)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模型河底產(chǎn)生沙浪后，其糙率比一般公式計(jì)算的糙率大，而有的糙率則比定床模型粘小石子或插竹竿后的糙率還大，說(shuō)明在動(dòng)床模型試驗(yàn)中，只要?jiǎng)哟采袭a(chǎn)生沙浪，不必加糙就可獲得較大的糙率。因此，在模型動(dòng)床試驗(yàn)中，可利用沙浪阻力來(lái)滿足動(dòng)床模型的阻力相似。

6 結(jié)語(yǔ)

第一，通過(guò)動(dòng)床和定床試驗(yàn)可知，整治后的河道能滿足泄流能力，且整治后的河道進(jìn)出口體型、泄洪時(shí)水流均比較平順，沒(méi)有出現(xiàn)回流和折沖現(xiàn)象，也無(wú)嚴(yán)重的水流集中和波動(dòng)現(xiàn)象。

第二，從河道沖淤地形來(lái)看，在橡膠壩、堤后和彎道凸岸及中隔墻兩側(cè)都有一定沖刷，應(yīng)采取相應(yīng)厚度的鉛絲籠加以防沖，特別是中隔墻上、下游的頭部沖刷比較嚴(yán)重，應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。

第三，橋墩井柱周圍也有一定沖刷，但因井柱分散，故沖刷不大，可暫不予以防沖處理。