劉丹丹， 呂歲菊， 呂陽川

(北方民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

丁壩具有導(dǎo)流、護(hù)岸、防沖和穩(wěn)定河勢的作用，是河道整治工程中常見的水工建筑物[1]，水流經(jīng)過彎道時(shí)所形成的螺旋流會(huì)改善彎道內(nèi)的水流流態(tài)，需在彎道內(nèi)布設(shè)丁壩[2].為此，許多學(xué)者對(duì)彎道水流特性以及在彎道內(nèi)布設(shè)丁壩后的水流流態(tài)進(jìn)行了大量研究,楊蘭等采用Flow-3D軟件，對(duì)上挑丁壩群附近流場及局部沖刷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得出了計(jì)算丁壩群的湍流模型和推移質(zhì)輸沙率模型[3].喻濤測量了丁壩橫向沖坑的發(fā)展過程[4].顧杰采用超聲波水位和PIV流速測量技術(shù)，在U形水槽中研究了丁壩對(duì)彎道水流特性的影響及壩后回流區(qū)長度與彎道進(jìn)口處凹岸平均流速之間的線性關(guān)系[5].楊旭亮建立了實(shí)際河道丁壩群中的雙丁壩三維數(shù)學(xué)模型，采用CFD 數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了雙丁壩協(xié)同工作時(shí)的水沙運(yùn)動(dòng)特性[6].蘇偉等通過不同形式的丁壩對(duì)水流的紊流特性及丁壩附近的沖刷程度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出紊動(dòng)動(dòng)能及紊動(dòng)強(qiáng)度可以反映水流紊動(dòng)對(duì)丁壩附近的沖刷情況[7].然而各種水工建筑物的興建，都能在一定程度上使河流的水流情況和河床情況發(fā)生相應(yīng)的變化，因此在河道整治、興建河工建筑物后，需要對(duì)可能發(fā)生的水流結(jié)構(gòu)改變、河床變形等做定性和定量研究.目前，對(duì)河道整治中丁壩的研究大多是數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)，而非實(shí)際工程中復(fù)雜的天然河道.本文主要基于黃河平羅四排口彎曲河段(圖1)上布設(shè)11座水工丁壩(圖2)的工程實(shí)踐，對(duì)河道水流流速、河床變化、懸移質(zhì)泥沙粒徑、含沙量及沖淤等情況進(jìn)行現(xiàn)場勘察、數(shù)據(jù)分析、二維地形圖繪制，從而對(duì)比枯水期前、后河道的變化規(guī)律及泥沙淤積等情況.以期通過上述分析為實(shí)際工程及河道截流和整治提供一定的參考[8—9].

圖1 黃河平羅四排口河段河岸衛(wèi)星圖

1 現(xiàn)場觀測

1.1 主要儀器設(shè)備

美國SonTek公司的走航式聲學(xué)多普勒測流儀(M9)，俗稱“河貓”，是一套完整的河水流量測量數(shù)據(jù)裝置，由ADCP主機(jī)、無線擴(kuò)頻電臺(tái)、可拖拽式三體船以及操作軟件組成.該設(shè)備流速測量范圍為±20 m/s，精度為±0.25%，具有獨(dú)立的垂直波束測深，可測水深范圍0.2～80 m，測量誤差小、精度較高[10].

Bettersize 2000激光粒度分布儀，依據(jù)米氏散射理論，采用單光束雙鏡頭技術(shù)，測量粒徑范圍為0.02～2 000 μm，采用計(jì)算機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)測試、清洗、保存等自動(dòng)化操作.

圖2 黃河平羅四排口河段新增丁壩示意圖

1.2 斷面布置

以整治后的河道為研究對(duì)象，對(duì)水流及河床進(jìn)行實(shí)測，沿河道縱向共設(shè)置了12個(gè)典型斷面，布置位置見圖3.

圖3 黃河平羅四排口河段河岸及斷面示意圖

2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

2018年11月21日，對(duì)研究區(qū)域(C01～C12)共12個(gè)典型斷面進(jìn)行實(shí)地勘測，測量了各斷面水位、河床高程、斷面面積、懸移質(zhì)泥沙級(jí)配及不同水深處的三維流速等數(shù)據(jù).表1給出了12個(gè)典型斷面的水位、流量、最大水深、平均水深、河寬、平均流速、最大流速等數(shù)據(jù).

表1 2018年11月21日實(shí)測數(shù)據(jù)匯總表

由表1可知：11月處于枯水期，平均流量683.364 5 m3/s，平均水深4.736 m，平均流速0.937 m/s，水位從上游至下游呈現(xiàn)沿程遞減的趨勢，水面寬最高達(dá)372.26 m.由于丁壩集中在C02～C05，水流對(duì)左岸的沖刷作用較大，因而C05的平均流速最大.此外，河道右岸灘地開挖引河寬度相對(duì)原始河道較小，當(dāng)水流由上游流入引河時(shí)，由于過流斷面減少,出現(xiàn)水面壅高的現(xiàn)象，C06的水深最大.

2.1 實(shí)測河床高程及垂線平均流速

圖4給出了典型斷面河床高程及斷面平均流速分布情況.

圖4 典型斷面處垂線平均流速與河床高程套匯圖

圖4中所有斷面左岸為凹岸，右岸為凸岸，從圖4可以看出：斷面C01位于研究區(qū)域的上游，屬于原始河道，流速分布較為均勻，左、右岸略有沖刷，中間出現(xiàn)淺灘；斷面C02～C05布置在4#、5#、6#、7#、8#、9#丁壩附近處，最大水深靠近左岸，最深可達(dá)6 m，且左岸流速較大，左岸沖刷；斷面C06位于11#丁壩的末端，斷面河床高程和水流流速分布均勻，河床基本呈“V”形分布，流速中間大兩邊小，最大水深達(dá)8.35 m；斷面C07～C11處于引河中下游位置，屬于水流調(diào)整的過渡段，最大水深呈現(xiàn)出向右岸偏移的趨勢，最大流速也逐漸向右岸調(diào)整；C12處于引河下游，水流匯入原始河道，水工裁彎取直成功，水流順直，河槽呈“V”形.

2.2 懸移質(zhì)泥沙分布

2018年11月對(duì)12個(gè)典型斷面靠近左岸、右岸及中心位置進(jìn)行取樣，利用激光粒度分析儀分別進(jìn)行粒度分析，得到了各斷面不同位置處的懸移質(zhì)泥沙[11—12]，(表2).由于篇幅所限，圖5只給出了斷面C02，C03，C04，C05泥沙的顆粒級(jí)配曲線，圖6給出了所有斷面懸移質(zhì)泥沙中值粒徑、含沙量與平均流速對(duì)比圖.圖7為兩次實(shí)測斷面河床變化.

表2 2018年各斷面懸移質(zhì)泥沙粒徑及含沙量

圖5 四排口懸移質(zhì)泥沙粒徑級(jí)配曲線

圖6 各斷面平均流速與中值粒徑、含沙量套匯圖

圖7 典型斷面實(shí)測地形對(duì)比圖

由表2可以看出，河道左岸、河道中心、河道右岸的泥沙顆粒平均中值粒徑分別為16.748， 15.196，13.442 μm.整體上，左岸中值粒徑大于斷面中心和右岸的中值粒徑，說明水流主流靠近左岸，左岸流速較大，造成左岸出現(xiàn)沖刷、右岸出現(xiàn)淤積的趨勢.

通過分析各個(gè)斷面懸移質(zhì)泥沙的分布和各斷面平均流速，由圖6可知：流速較大時(shí)，增大水流挾沙力，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑隨之增大，水中含沙量增大[13]；反之，流速較小時(shí)，水流挾沙力減弱，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑隨之較小，水中含沙量減小.由此可見，垂線平均流速是懸移質(zhì)泥沙粒徑分布及含沙量的主要影響因素[14].

2.3 實(shí)測河床高程比較

基于水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)，并采用MATLAB模擬計(jì)算，圖7給出了2018年10月和2018年11月的實(shí)測河床高程變化過程.圖7進(jìn)一步描述了黃河寧夏四排口河段水沙運(yùn)動(dòng)過程及河床變化規(guī)律.

從圖7可以看出：斷面C01位于研究河段的上游，河道較寬，約為278 m，平均流速為0.917 m/s，2018年10月至11月河道主槽向左岸偏移約50 m，水深變淺，左岸沖刷、右岸淤積；斷面C02,C03,C04緊靠丁壩左岸，在流量變小的情況下，河寬變窄，河道主槽依然向左岸發(fā)展，右岸出現(xiàn)大面積淺灘，淤積嚴(yán)重；斷面C06,C07,C08位于引河中游段，水流主流逐漸向右岸發(fā)展，河道主槽呈現(xiàn)向右岸發(fā)展的趨勢；斷面C10,C11,C12位于引河下游，與原始河道銜接，河道主槽仍在左岸附近.

圖8給出了12個(gè)斷面的深泓點(diǎn)，通過插值的方法得到了所研究河道的深泓線[15—16].

圖8 河岸深泓線示意圖

由河道深泓線分布(圖8)可以看出，該河段經(jīng)過河道整治后，河道主槽靠近左岸.斷面C06，C07段受上游段丁壩的頂沖作用，主槽呈現(xiàn)出向右岸發(fā)展的趨勢，而失去丁壩的作用后，主槽依然會(huì)向左岸發(fā)展.

3 結(jié)論

黃河寧夏典型彎曲河段經(jīng)過河道整治后，于2018年10月、11月對(duì)該河段12個(gè)典型斷面的水深、流速、懸移質(zhì)泥沙粒徑及含沙量等進(jìn)行了實(shí)測和分析，得出以下結(jié)論：

1)斷面C01流速分布較為均勻，左、右岸都略有沖刷，中間出現(xiàn)淺灘；斷面C02～C05最大水深靠近左岸處，最大水深可達(dá)6 m，且左岸流速較大，左岸沖刷；斷面C06水流流速分布均勻，河床基本呈“V”形分布，最大水深達(dá)8.35 m；斷面C07～C11最大水深呈現(xiàn)出向右岸偏移的趨勢；斷面C12匯入原始河道，水工裁彎取直成功，水流順直.

2)靠近河道左岸、中心、右岸的平均中值粒徑分別為16.748，15.196，13.442 μm.靠近左岸的中值粒徑大于斷面中心和右岸的中值粒徑，說明左岸流速較大，水中含沙量較大，左岸呈現(xiàn)出沖刷的趨勢.

3)該河段經(jīng)過河道整治后，河道主槽靠近左岸，2018年10月至11月，河道主槽向左岸偏移約50 m.斷面C06,C07段受上游段丁壩的頂沖作用，主槽呈現(xiàn)出向右岸發(fā)展的趨勢，在失去丁壩的作用后，主槽依然會(huì)向左岸發(fā)展.