沭阳县小流域洪水过程岸坡冲刷分析

王海波，孙冬冬

(安徽华邦工程设计有限公司，安徽 淮北 235000)

河流对岸坡侵蚀冲刷是对我国土地资源的严重浪费，随着人口数量的不断增多，对土地需求也逐渐增加，因此，针对河道冲刷侵蚀问题的研究十分必要。董炳江等[1]对三峡库区下游河道冲刷机理进行分析，认为水库蓄水造成下游河水含沙量减少以及汛期持续时间长、流量大是造成河道大幅度冲刷的主要原因。胡杰龙等[2]以万州港为工程原型，采用物理模型试验分析滑坡涌浪对库区岸坡的冲刷特征，认为冲刷深度与滑体体积关系较为密切。杨涵苑等[3]通过现场资料收集、数值模拟分析等多种方法研究若尔盖下游塌岸现象，认为河水流量是影响河道塌岸的一个主要因素。杨金林等[4]通过三维数值模拟分析，研究了不同形态河道岸坡抗冲刷能力，认为岸坡抗冲刷能力与岸坡形态的坡角关系密切。根据前人研究可知，影响河道岸坡冲刷的因素众多，江苏沭阳县水系发达，河流四通八达，本文结合沭阳县小流域特点研究洪水过程对岸坡冲刷的影响。

1 岔流新开河小流域洪水计算

1.1 小流域概况

岔流新开河位于沭阳县西北部，是沂北地区高低分治的高水河，上游承泄新沂市的淋头河及阿湖水库、大沙河及高塘水库来水，在沭阳县潼阳镇岔流村西汇合向南至桐槐树后又汇虞姬沟，至沂北闸处入新沂河，全长28.84km。新开河支流有：淋头河、大沙河、引龙河、马岭河、虞姬沟、小马庄地涵，流域面积873km2，其中淋头河296km2(阿湖水库193.7km2)，大沙河278km2(高塘水库193.7km2)、引龙河9km2、虞姬沟173km2、小马庄地涵64km2。沭阳县处于岔流新开河流域内的面积共有80.51km2(新沂河与岔流新开河夹滩地区)，涉及沭阳县潼阳、颜集、新河、扎下四个乡镇。根据流域特征，HEC-HMS模型较为适用。

1.2 HEC-HMS模型

HEC-HMS模型在洪水计算过程中简化了产流计算过程，但针对产流量的计算十分详细，忽略了毛细水的上升以及土壤中水的垂向运动，同时河道水与地下水之间不存在相互转化，地下含水层以基流形式出流，壤中流与地面径流汇合后变为直接径流。采用该模型计算汇流可分为产流计算、直接径流、基流和河道汇流4个相互独立的过程。HEC-HMS模型详细计算过程如图1所示[5]。

图1 HEC-HMS模型计算过程

1.3 计算结果

(1)计算参数

根据岔流新开河工程特点，可分为6个子流域，计算参数见表1。

表1 岔流新开河HEC-HMS模型计算参数

(2)计算结果

不同频率水位及流量计算计算结果见表2，从表2中可知岔流新开河在桐槐树水位站处流量最大，绘制桐槐树水位站洪水过程曲线，如图2所示。

表2 岔流新开河水位及流量计算结果

图2 不同频率桐槐树水位站洪水过程

2 友谊河小流域洪水计算

2.1 小流域概况

友谊河起于路南河，止于黄泥河，全长23.5km，负担沭新公路以北、赶埠截水沟以东、沭新河以西、新五黄泥河以南面积的汇水，另外尚有沭新公路以南高程9.00m以下面积的洪水经两个穿路南河地涵排入友谊河，汇水总面积114.05km2，其中圩区面积80.9km2。友谊河1979年疏浚复堤，现状河底高程为1.2～3.5m，河道底宽16.0～28.0m，堤顶高8.6～9.0m。根据流域特点，大伙房模型较为适用。

2.2 大伙房模型

大伙房模型引入双层入渗曲线进行产流折损计算，汇流计算过程中采用变强度、速度的经验公式，蒸散发量采用两层计算模式。详细计算过程如图3所示[6]。

图3 大伙房模型计算过程

2.3 计算结果

(1)计算参数

根据友谊河工程特点，计算参数见表3。

表3 友谊河大伙房模型计算参数

注：E1～E5：一级响应时，4—8月的平均蒸散发能力对应值；E6、E7为二级、三级响应时，4—8月的平均蒸散发能力对应值。

(2)计算结果

友谊河水位及流量计算结果见表4。绘制爪沟桥水位站洪水过程线如图4所示。

表4 友谊河水位及流量计算结果

图4 不同频率爪沟桥水位站洪水过程线

3 洪水过程岸坡冲刷分析

3.1 不同河道断面河水冲刷计算模型

当河道断面为等腰三角形时，其水力半径R采用下式计算：

R=0.5hcosβ

(1)

式中，h—水位高度；β—岸坡坡角。

若河道断面为等腰梯形，则水力半径R采用下式计算：

(2)

式中，b—河床底宽。

流速一般按照曼宁公式[7]计算：

(3)

式中，J—水力坡降；n—糙率。

水流量Q采用连续方程计算：

Q=AU

(4)

式中，A—断面面积。

杨荣富等[8]在正弦模型基础上，对洪水模型进行了修正，修正后的洪水流量概化模型为：

(5)

式中，Q(t)—概化洪水过程；T—单次洪水历时；Qm—洪峰流量；s—峰型参数；P—洪峰位置。

将式(1)、(5)代入式(4)可得等腰三角形河道水位过程线：

(6)

将式(2)、(5)代入式(4)可得等腰梯形河道水位过程线：

(7)

结合Partheniades[9]提出的河水侵蚀距离公式：

E=KΔt(rwRJ-τ)

(8)

式中，K—冲刷系数；τ—岸坡土体抗剪强度；γw—水的重度。

将式(1)、(6)代入(8)可获取等腰三角形断面的河道岸坡洪水冲刷量：

(9)

将式(2)、(7)代入(8)可获取等腰梯形断面河道岸坡洪水冲刷量：

(10)

3.2 单洪峰冲刷量计算

3.2.1等腰三角河道冲刷量分析

岔流新开河属于三角形河道，经过HEC-HMS模型计算，该流域在P=20%时流量达到640m3/s，根据式(5)，确定峰值S取10，确定河道糙率为0.024，单次洪峰作用时间约17h，洪水过程如图2所示，不同河道比降洪水过程冲刷量计算结果如图5所示。由图5可知，在河道比降为0.001时，不同土体抗剪强度土体冲刷量在0.43～0.63m3之间。

图5 冲刷量计算结果(J=0.001)

3.2.2等腰梯形河道冲刷量分析

友谊河属于梯形河道，经过大伙房模型计算，该流域在P=20%时流量达到33.99m3/s，确定峰值S取10，确定河道糙率为0.025，单次洪峰作用时间约25h，洪水过程如图4所示，不同河道比降洪水过程冲刷量计算结果如图6所示。由图6可知，在河道比降为0.001时，不同土体抗剪强度土体冲刷量在0.07～0.12m3之间。

图6 冲刷量计算结果(J=0.001)

4 结论

本文以江苏沭阳县小流域为例对单次洪水过程河道岸坡冲刷量进行分析，分别使用HEC-HMS模型、大伙房模型计算岔流新开河、友谊河不同频率洪水过程曲线，通过概化模型计算不同土体抗剪强度河道岸坡冲刷量，河道比降对冲刷量的影响程度大于土体抗剪参数。