张家口市洋河综合治理工程试验研究

李彦军 李 斌

随着经济的迅猛发展和城市的快速扩张，张家口市“西靠，南扩”成为必然选择。工程区现有河堤经多年运行，受风雨剥蚀及洪水冲刷，堤身破损，残缺不全。由于泥沙淤积，河床不断抬高，河道过流断面减小，行洪能力降低。现状防洪标准不足20年一遇，不能满足50年一遇的设计防洪标准。工程西起左卫镇207国道，至宣大高速洋河公路桥，规划段河道长38.5 km。

1 河道基本特征及工程方案

项目区地处冀西北山区，地貌属于洋河冲洪积河床，河谷地貌。洋河河道宽阔，地势西南高、东北低，河床两侧分布河漫滩。干流全长101 km，治理段位于洋河中游，长38.5 km，平均纵坡2.5‰。由于本工程利用开挖的砂土筑堤，且填筑高度较大，复式断面具有堤身稳定性好，可减少河道的淤积，便于景观布置等优点，因此河道设计断面采用复式断面。堤距220 m，主槽底宽100 m，深3.0 m，两侧滩地宽度均为25 m。

试验模型段要选取能够全面体现河道治理后对河道水沙特性有重大影响的典型河段，综合治理特点及试验条件，确定范围上起工程起点，下讫桩号16+000，模型全长约 80 km。

2 模型设计及验证

2.1 模型设计

定床模型设计考虑水流、泥沙运动相似条件以及水深、糙率的限制条件，并考虑试验场地大小及供水设备能力，拟采用变率为3的变态模型。利用恒定流模拟非恒定进行试验。

2.1.1 模型几何比尺

水平比尺:λL=200;垂直比尺:λH=60;模型变率:η=3.3。

2.1.2 水流运动相似比尺

由于模型混凝土抹面的糙率通常为0.014～0.016，因此在定床模型中需要加糙使糙率达到模型设计要求，定床模型河床采用水泥抹面，河槽及滩地均采用碎石梅花加糙，碎石粒径20 mm～25 mm，间距为30 mm～50 mm。选用重率γs=1.05 t/m3的塑料沙作为模型沙，模拟河道淤积及冲刷状况。

2.2 模型验证

由于河道整治工程是对天然河道的整治，河道进行了缩窄，因而无法与天然条件下的实测资料进行验证对比，为使模型满足阻力相似条件，试验采用倒推法推求糙率，与设计防护条件下的糙率值比对，以确定加糙是否满足设计要求。河床均匀加糙后，选取 6+000～8+000直线段中的7+000段为测试断面，由实测水深及断面尺寸，在不同过水流量条件下按明渠均匀流反推糙率。

2.3 试验目的

试验河段为洋河整治工程的桩号0+0000～0+1600，由于工程对原河流有较大缩窄，并将原来的游荡河段固定为弯曲河段，同时为了枯水时蓄水，修建有橡胶坝，故本次试验需要研究特征流量下水位、流速的变化，以及橡胶坝对洪水水位的影响，为防洪评价和取水论证提供依据。

3 模型试验结果及分析

根据试验的任务和要求模型试验研究的流量选择100年一遇洪水流量、50年一遇洪水流量、5年一遇的枯水流量等。各个流量状况下又有四个工况:橡胶坝全部塌坝运行、橡胶坝全部充水运行、橡胶坝部分充水运行、河道主河槽淤积1.5 m。各流量根据实际情况取相应工况试验。相应的条件见表1。

表1 模型试验水流条件

3.1 100年一遇洪水流量

1)水位分析。试验观测的水位多数都小于设计值，说明设计的比较安全。2)流速分析。与50年一遇洪峰时流速相比，流速变化不大，甚至有的断面略有减小，分析后认为，这主要是该工况下水流上滩，过流断面变大，导致流速变化不大。

3.2 50年一遇洪水流量

1)水位分析。橡胶坝塌坝运行时，模型观测水位大多数略小于设计水位，说明对于防洪而言，整治工程的设计是比较安全的。测针观测同一断面左右两岸水位不同，该断面为一弯曲段弯曲曲率最大的断面，左岸测针的水位高于右岸测针的水位0.28 m，说明在该处存在明显的横向坡降。当橡胶坝冲水运行时，沿程水位与橡胶坝未运行时相比，有了明显的升高，在试验条件下，堤顶高程的设定还是比较安全，但是由于50年一遇的洪峰水位在局部超过了堤顶高程，不超部分也距堤顶较近，不建议在50年一遇洪峰时橡胶坝全部充水运行。2)流速分析。流速分布基本上是过流断面缩窄时，流速变大，反之，流速则变小。从工程布置图上可以看到，有两段的河底坡降比较大，上游都是由较宽断面向较窄断面演变，所以流速在这两河段有逐渐加大趋势。

3.3 5年一遇洪水流量

试验中，橡胶坝全部充水运行。

1)水位分析。沿程水位都高于取水口的，工程实施后可以满足取水要求。2)流速分析。该工况流量较小，水流主要在主河槽内流动，流速相对较小，冲刷较弱。3)淤积分析。橡胶坝运行，必然带来橡胶坝前的泥沙淤积问题。表2是5年一遇的洪水年一年流量过程后的各橡胶坝预计情况统计。

表2 各橡胶坝淤积统计

从表2可以看出，淤积是沿程减小的，该河段的沙主要来自上游，橡胶坝充水运行，对上游来沙有拦截作用，故淤积沿程减小。

4 主要结论与建议

1)洋河综合治理工程的50年一遇的设计洪峰的水位大于模型观测的结果，这说明该工程试验河段的设计水位是合理的。2)在50年一遇的洪峰流量标准下，橡胶坝全部运行，水位较橡胶坝未运行情况有较明显升高，部分河段水位可以达到堤顶，对防洪安全构成威胁，建议有选择的运行部分橡胶坝，达到蓄水防洪两不误。3)主河槽淤积1.5 m，50年一遇设计洪水条件下，水位多数未超过堤顶高程，说明在实际运行中，河道设计偏于安全。4)对于5年一遇的枯水，水位值高于取水口的底部高程，说明工程实施后取水可以得到保障，但是由于取水口过低，易被泥沙淤积，应引起注意。5)试验结果表明，橡胶坝蓄水运用在提高了水位的同时，降低了流速，这带来淤积也有利于河底防冲。6)试验中发现，局部河段流速较大，冲刷较严重，应引起重视。7)在清水河与洋河的交汇口存在回流。由于水流的顶托，该段的流速较小，泥沙淤积较严重。8)系列年的结果表明，在本次试验条件下，枯水年份，泥沙淤积量从上游橡胶坝到下游橡胶坝逐渐减少，橡胶坝起到了拦沙的作用，实际运用中应予以充分重视。

[1] 李新功，刘立雪.张家口市洋河综合治理工程可行性研究报告[R].河北省水利水电第二勘测设计研究院，2007.

[2] 余明辉，袁雄燕，刘合翔，等.守恒性平面二维水沙计算模型的研究[J].武汉大学学报(工学版)，2002(3):1-5.

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