王海波，孫冬冬

(安徽華邦工程設(shè)計(jì)有限公司，安徽 淮北 235000)

河流對(duì)岸坡侵蝕沖刷是對(duì)我國(guó)土地資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，隨著人口數(shù)量的不斷增多，對(duì)土地需求也逐漸增加，因此，針對(duì)河道沖刷侵蝕問題的研究十分必要。董炳江等[1]對(duì)三峽庫區(qū)下游河道沖刷機(jī)理進(jìn)行分析，認(rèn)為水庫蓄水造成下游河水含沙量減少以及汛期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、流量大是造成河道大幅度沖刷的主要原因。胡杰龍等[2]以萬州港為工程原型，采用物理模型試驗(yàn)分析滑坡涌浪對(duì)庫區(qū)岸坡的沖刷特征，認(rèn)為沖刷深度與滑體體積關(guān)系較為密切。楊涵苑等[3]通過現(xiàn)場(chǎng)資料收集、數(shù)值模擬分析等多種方法研究若爾蓋下游塌岸現(xiàn)象，認(rèn)為河水流量是影響河道塌岸的一個(gè)主要因素。楊金林等[4]通過三維數(shù)值模擬分析，研究了不同形態(tài)河道岸坡抗沖刷能力，認(rèn)為岸坡抗沖刷能力與岸坡形態(tài)的坡角關(guān)系密切。根據(jù)前人研究可知，影響河道岸坡沖刷的因素眾多，江蘇沭陽縣水系發(fā)達(dá)，河流四通八達(dá)，本文結(jié)合沭陽縣小流域特點(diǎn)研究洪水過程對(duì)岸坡沖刷的影響。

1 岔流新開河小流域洪水計(jì)算

1.1 小流域概況

岔流新開河位于沭陽縣西北部，是沂北地區(qū)高低分治的高水河，上游承泄新沂市的淋頭河及阿湖水庫、大沙河及高塘水庫來水，在沭陽縣潼陽鎮(zhèn)岔流村西匯合向南至桐槐樹后又匯虞姬溝，至沂北閘處入新沂河，全長(zhǎng)28.84km。新開河支流有：淋頭河、大沙河、引龍河、馬嶺河、虞姬溝、小馬莊地涵，流域面積873km2，其中淋頭河296km2(阿湖水庫193.7km2)，大沙河278km2(高塘水庫193.7km2)、引龍河9km2、虞姬溝173km2、小馬莊地涵64km2。沭陽縣處于岔流新開河流域內(nèi)的面積共有80.51km2(新沂河與岔流新開河夾灘地區(qū))，涉及沭陽縣潼陽、顏集、新河、扎下四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。根據(jù)流域特征，HEC-HMS模型較為適用。

1.2 HEC-HMS模型

HEC-HMS模型在洪水計(jì)算過程中簡(jiǎn)化了產(chǎn)流計(jì)算過程，但針對(duì)產(chǎn)流量的計(jì)算十分詳細(xì)，忽略了毛細(xì)水的上升以及土壤中水的垂向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)河道水與地下水之間不存在相互轉(zhuǎn)化，地下含水層以基流形式出流，壤中流與地面徑流匯合后變?yōu)橹苯訌搅?。采用該模型?jì)算匯流可分為產(chǎn)流計(jì)算、直接徑流、基流和河道匯流4個(gè)相互獨(dú)立的過程。HEC-HMS模型詳細(xì)計(jì)算過程如圖1所示[5]。

圖1 HEC-HMS模型計(jì)算過程

1.3 計(jì)算結(jié)果

(1)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)岔流新開河工程特點(diǎn)，可分為6個(gè)子流域，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 岔流新開河HEC-HMS模型計(jì)算參數(shù)

(2)計(jì)算結(jié)果

不同頻率水位及流量計(jì)算計(jì)算結(jié)果見表2，從表2中可知岔流新開河在桐槐樹水位站處流量最大，繪制桐槐樹水位站洪水過程曲線，如圖2所示。

表2 岔流新開河水位及流量計(jì)算結(jié)果

圖2 不同頻率桐槐樹水位站洪水過程

2 友誼河小流域洪水計(jì)算

2.1 小流域概況

友誼河起于路南河，止于黃泥河，全長(zhǎng)23.5km，負(fù)擔(dān)沭新公路以北、趕埠截水溝以東、沭新河以西、新五黃泥河以南面積的匯水，另外尚有沭新公路以南高程9.00m以下面積的洪水經(jīng)兩個(gè)穿路南河地涵排入友誼河，匯水總面積114.05km2，其中圩區(qū)面積80.9km2。友誼河1979年疏浚復(fù)堤，現(xiàn)狀河底高程為1.2～3.5m，河道底寬16.0～28.0m，堤頂高8.6～9.0m。根據(jù)流域特點(diǎn)，大伙房模型較為適用。

2.2 大伙房模型

大伙房模型引入雙層入滲曲線進(jìn)行產(chǎn)流折損計(jì)算，匯流計(jì)算過程中采用變強(qiáng)度、速度的經(jīng)驗(yàn)公式，蒸散發(fā)量采用兩層計(jì)算模式。詳細(xì)計(jì)算過程如圖3所示[6]。

圖3 大伙房模型計(jì)算過程

2.3 計(jì)算結(jié)果

(1)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)友誼河工程特點(diǎn)，計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 友誼河大伙房模型計(jì)算參數(shù)

注：E1～E5：一級(jí)響應(yīng)時(shí)，4—8月的平均蒸散發(fā)能力對(duì)應(yīng)值；E6、E7為二級(jí)、三級(jí)響應(yīng)時(shí)，4—8月的平均蒸散發(fā)能力對(duì)應(yīng)值。

(2)計(jì)算結(jié)果

友誼河水位及流量計(jì)算結(jié)果見表4。繪制爪溝橋水位站洪水過程線如圖4所示。

表4 友誼河水位及流量計(jì)算結(jié)果

圖4 不同頻率爪溝橋水位站洪水過程線

3 洪水過程岸坡沖刷分析

3.1 不同河道斷面河水沖刷計(jì)算模型

當(dāng)河道斷面為等腰三角形時(shí)，其水力半徑R采用下式計(jì)算：

R=0.5hcosβ

(1)

式中，h—水位高度；β—岸坡坡角。

若河道斷面為等腰梯形，則水力半徑R采用下式計(jì)算：

(2)

式中，b—河床底寬。

流速一般按照曼寧公式[7]計(jì)算：

(3)

式中，J—水力坡降；n—糙率。

水流量Q采用連續(xù)方程計(jì)算：

Q=AU

(4)

式中，A—斷面面積。

楊榮富等[8]在正弦模型基礎(chǔ)上，對(duì)洪水模型進(jìn)行了修正，修正后的洪水流量概化模型為：

(5)

式中，Q(t)—概化洪水過程；T—單次洪水歷時(shí)；Qm—洪峰流量；s—峰型參數(shù)；P—洪峰位置。

將式(1)、(5)代入式(4)可得等腰三角形河道水位過程線：

(6)

將式(2)、(5)代入式(4)可得等腰梯形河道水位過程線：

(7)

結(jié)合Partheniades[9]提出的河水侵蝕距離公式：

E=KΔt(rwRJ-τ)

(8)

式中，K—沖刷系數(shù)；τ—岸坡土體抗剪強(qiáng)度；γw—水的重度。

將式(1)、(6)代入(8)可獲取等腰三角形斷面的河道岸坡洪水沖刷量：

(9)

將式(2)、(7)代入(8)可獲取等腰梯形斷面河道岸坡洪水沖刷量：

(10)

3.2 單洪峰沖刷量計(jì)算

3.2.1等腰三角河道沖刷量分析

岔流新開河屬于三角形河道，經(jīng)過HEC-HMS模型計(jì)算，該流域在P=20%時(shí)流量達(dá)到640m3/s，根據(jù)式(5)，確定峰值S取10，確定河道糙率為0.024，單次洪峰作用時(shí)間約17h，洪水過程如圖2所示，不同河道比降洪水過程沖刷量計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在河道比降為0.001時(shí)，不同土體抗剪強(qiáng)度土體沖刷量在0.43～0.63m3之間。

圖5 沖刷量計(jì)算結(jié)果(J=0.001)

3.2.2等腰梯形河道沖刷量分析

友誼河屬于梯形河道，經(jīng)過大伙房模型計(jì)算，該流域在P=20%時(shí)流量達(dá)到33.99m3/s，確定峰值S取10，確定河道糙率為0.025，單次洪峰作用時(shí)間約25h，洪水過程如圖4所示，不同河道比降洪水過程沖刷量計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在河道比降為0.001時(shí)，不同土體抗剪強(qiáng)度土體沖刷量在0.07～0.12m3之間。

圖6 沖刷量計(jì)算結(jié)果(J=0.001)

4 結(jié)論

本文以江蘇沭陽縣小流域?yàn)槔龑?duì)單次洪水過程河道岸坡沖刷量進(jìn)行分析，分別使用HEC-HMS模型、大伙房模型計(jì)算岔流新開河、友誼河不同頻率洪水過程曲線，通過概化模型計(jì)算不同土體抗剪強(qiáng)度河道岸坡沖刷量，河道比降對(duì)沖刷量的影響程度大于土體抗剪參數(shù)。