牛亡牛河河口交汇区泥沙冲淤试验研究

孙 磊，刘福林

（辽宁省白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000）

牛亡牛河河口交汇区泥沙冲淤试验研究

孙 磊，刘福林

（辽宁省白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000）

本文研究了牛亡牛河典型洪水以及大凌河、牛亡牛河发生洪水遭遇时，牛亡牛河口交汇区泥沙淤积形态及其分布。试验结果表明：牛亡牛河发生洪水时，交汇区的淤积较大；大凌河洪水先于牛亡牛河洪水发生时，牛亡牛河交汇区的泥沙淤积大于牛亡牛河洪水先于大凌河洪水发生；当稀遇洪水遭遇时，交汇区的淤积量很少，泥沙基本被带往交汇区下游。从动力学角度分析，牛亡牛河泥沙淤积是必然的。

泥沙淤积；试验；牛亡牛河

1 概况

牛亡牛河是大凌河流域主要支流，年均输沙量1 160万t，占白石水库年输沙量的62.8%，是白石水库库区泥沙淤积的主要来源。在牛亡牛河支流汇入大凌河干流后，在牛亡牛河河口附近形成了交汇区，由于交汇区水流相互间顶托、掺混的作用，使得交汇区泥沙淤积问题变得比较复杂。近些年来，白石水库库区淤积问题比较严重，特别是在大凌河与牛亡牛河交汇区段泥沙淤积情况更为突出。因此，尽早对交汇区泥沙淤积现象进行研究是一项迫在眉睫的任务。

2 试验条件及工况

2.1 试验条件——典型洪水选择

考虑到水库运行后实际来水来沙条件，选取大凌河典型洪水两场（2007年型、2%（1962年型））、牛亡牛河典型洪水两场（2007年型、2%（1962年型））。水沙过程见表1，2。

2.2 试验工况

1）牛亡牛河发生典型洪水过程：工况A，考虑到水库建成运用以后实际发生的来水来沙过程，选择2007型牛亡牛河洪水过程进行试验。

2）牛亡牛河大凌河常遇洪水组合：工况B，大凌河2007型洪水与牛亡牛河2007型洪水同时发生；工况C，先发生牛亡牛河2007型洪水，再发生大凌河2007型洪水；工况D，先发生大凌河2007型洪水，再发生牛亡牛河2007型洪水。

表1 大凌河、牛亡牛河典型洪水（2007年型）流量沙量过程

3）稀遇洪水组合：工况E，大凌河及牛亡牛河同时发生较大洪水，选择1962年水沙过程即频率为P=2%的稀遇洪水。大凌河干流选择朝阳站1962年7月24日至7月28日5 d洪水过程，牛亡牛河支流选择迷力营子站1962年7月9日至7月13日5 d洪水过程。

2.3 观测断面布置

布置测淤断面16个，从BS12-BS23和BS33-BS36，覆盖整个交汇区，测淤断面、分区及其反映所属淤积位置情况的对应关系如表3。

表2 1962年朝阳站、迷离营子站P=2%5 d洪水流量沙量过程

注：1）朝阳站洪峰流量为15 600 m3/s，总加沙量为3 395.223 kg，由于阎王鼻子水库的拦沙作用，据当年排沙比（64.8%）总沙量减少为2 200 kg；2）迷离营子站洪峰流量5 240 m3/s，加沙量为 1 231.36 kg。

表3 测淤断面对应淤积分区

3 淤积特征

3.1 牛亡牛河发生2007型洪水淤积特征

工况A河道纵剖面图见图1。从图1中可以看出：牛亡牛河发生常遇洪水后，交汇区下段的Ⅰ区所有断面几乎没有淤积。交汇区中段（核心区）Ⅱ区，距离牛亡牛河口越近的断面，淤积厚度与范围越大，其中BS16断面淤积主要集中在主槽附近，最大淤积厚0.25 m，到BS19断面，淤积几乎呈全断面分布，最大淤积厚度达0.37 m。

图1 牛亡牛河发生2007型洪水后模型河道纵剖图

Ⅲ区位于牛亡牛河汇流口上游支流范围，由于汇流口断面的束窄作用，该区淤积量较大，BS33—BS36均有淤积。淤积泥沙多集中在主槽内，其中以BS34和BS35断面淤积最为严重：BS35断面淤积宽度达500 m，最大淤积厚度约为 0.71 m，BS34断面淤积宽200 m，最大淤积厚0.64 m。

交汇区上段Ⅳ区位于汇流口上游，受牛亡牛河洪水顶托和泥沙倒灌的影响，该区下游断面BS20与BS21略有淤积，BS22与BS23断面则几乎没有淤积。

根据观测结果计算了洪水所挟带总沙量以及各分区淤积沙量（均为模型值）见表4。

表4 牛亡牛河2007型洪水淤积量统计表

3.2 常遇洪水组合淤积特征

洪水组合试验结果河道纵向淤积见图2。

图2 常遇洪水组合后模型河道纵剖图

1）工况B。Ⅰ区范围内基本没有发生淤积；Ⅱ区仅在BS16主槽内有轻微淤高，其他断面仍无淤积；Ⅲ区淤积较厚，由于大凌河来流对牛亡牛河来流有较强的顶托作用，该区的淤积厚度要远大于下面两种工况。Ⅳ区在BS22-BS23之间有轻微淤积。

2）工况C。Ⅰ区范围内基本没有发生淤积；Ⅱ区淤积量最大，主要集中在该区域上游即BS18-BS19之间，淤积呈全断面分布，平均厚度约为0.35 m；Ⅲ区仅在BS35断面有一定淤高，厚度约为0.45 m，其他位置无明显淤积；Ⅳ区淤积泥沙较少。

3）工况D。Ⅰ区范围内发生少量淤积，主要集中在BS14-BS15断面之间的右侧主槽内。Ⅱ区淤积量较大，4个断面淤积均呈现全断面分布，主槽基本被淤平，平均淤积厚度在0.6 m左右；Ⅲ区情况与工况B类似，仅在BS35断面有0.5 m的淤高；Ⅳ区几乎没有淤积泥沙。常遇洪水组合总来沙量以及各分区淤积沙量统计见表5。

表5 组合洪水淤积量统计表

由表5可以看出，工况B最大淤积区域为汇流口牛亡牛河上游即Ⅲ区，淤积比例25.9%，工况C与D最大淤积区域均为Ⅱ区，淤积比例分别为30%和42.9%；工况B与C淤积最小的区域出现在Ⅰ区，分别为3.8%和1.7%，而D工况则是Ⅳ区淤积最小，淤积比例为3.8%。

对比3种不同洪水组合，工况D在4个区域所淤总沙量占来沙总量的65.3%，为淤积最大，工况C其次，工况B为淤积最小，淤积比例为44.8%。

3.3 稀遇洪水组合淤积特征

1962年稀遇洪水试验纵剖面淤积见图3。

图3 稀遇洪水后模型河道纵剖图

Ⅰ区仅在BS14断面左侧产生回流的部位有淤积，其他部位均无淤积发生；Ⅱ区的淤积情况也只发生在BS19断面，淤积泥沙将该断面右岸深槽填平。Ⅰ、Ⅱ区大部分断面洪水过后的地形几乎没有发生淤积，有冲刷的可能性存在，这部分内容将在淤沙搬移试验中研究。Ⅲ区整体呈全断面淤积，牛亡牛河上游到交汇区入口断面淤积厚度逐渐增大，平均淤积厚度由BS36断面的0.4 m增大到BS33断面的1.2 m；Ⅳ区的淤积最为严重，每个断面都有大量泥沙淤积，但淤积横向分布并不均匀，其分布规律跟区域河势有密切联系。BS22与BS23断面均出现了最大淤积厚度超过2 m的淤积，BS21最大淤积厚度接近2 m，BS20断面淤积相对较少，但平均淤积厚度也有将近1 m。对稀遇洪水总沙量以及各分区淤积沙量统计见表6。

表6 稀遇洪水淤积量统计表

4 结 论

不同工况的试验结果表明：牛亡牛河发生洪水时，交汇区的淤积较大。牛亡牛河连续发生洪水，交汇区的淤积量累积性增加。大凌河洪水先于牛亡牛河洪水发生时，牛亡牛河交汇区的泥沙淤积大于牛亡牛河洪水先于大凌河洪水发生。当稀遇洪水遭遇时，交汇区的淤积量很少，泥沙基本被带往交汇区下游。

从动力学角度分析，水库蓄水运用，必然抬高水位，在抬高水位影响范围内，流速必然小于天然状态。由于水位抬升幅度沿程变化，离大坝越近，水位抬升越多，流速减小的程度越大，淤积也减少。牛亡牛河洪水从支流入汇到大凌河干流，河道显著展宽，过水面积增大，水动力条件必然衰减，泥沙落淤。大凌河洪水与牛亡牛河洪水遭遇，汇流区的动力条件相对较好，但是二者遭遇的几率较低。牛亡牛河与大凌河的交汇角很大，干支流水流的相互顶托与掺混现象剧烈。因此，牛亡牛河交汇区泥沙淤积是必然的结果。

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［2］倪晋仁，王光谦，张国生.交汇河段水力计算探讨［J］.水利学报，1992，7（7）：5l—56.

［3］彭文启.直角交汇河段水力特性的试验分析及数值模拟［D］.武汉：武汉水利电力学院，1991.

［4］徐孝平，彭文启，李炜.直角交汇河段分离区流场的几何特性研究［J］.武汉水利电力大学学报，1994，26（6）：638—645.

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2015-12-09