對攔河建筑物防洪影響分析思路的初步探討

對攔河建筑物防洪影響分析思路的初步探討 對攔河建筑物防洪影響分析思路的初步探討前言隨著水資源供需矛盾的日益突出，黨和政府提出了水資源可持續(xù)利用的戰(zhàn)略目標(biāo)，充分合理地開發(fā)利用水資源，為全面建設(shè)小康社會提供有力支撐和保障。 隨著水利建設(shè)的不斷發(fā)展，水利投資的重點(diǎn)也將由防洪工程轉(zhuǎn)向水資源配置工程。 按照傳統(tǒng)水利思路，由于河道防洪任務(wù)的重要性，在山洪河道修建攔河建筑物蓄水開發(fā)水資源一般要求非常嚴(yán)格，因此山洪河道水資源開發(fā)利用程度很低，在一定程度上造成水資源的巨大浪費(fèi)。 隨著傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利的轉(zhuǎn)變，在山洪河道上修建攔河建筑物，攔蓄上游河道流域來水，開發(fā)河道豐富的水資源，使防洪工程轉(zhuǎn)向水資源配置工程已成為水利建設(shè)的重點(diǎn)。 但在河道水資源得到合理的開發(fā)利用的同時，河道的防洪任務(wù)更加艱巨，這就要求水利工作者不僅要充分開發(fā)利用水資源，而且要充分預(yù)測到建筑物可能帶來的負(fù)效應(yīng)。 由于河流的形成及發(fā)展條件各異，河床演變的特點(diǎn)及其衍生的問題是各種各樣而且復(fù)雜多變，因此研究分析攔河建筑物對防洪的影響是一個多學(xué)科多因素的復(fù)雜問題，特別是河流泥沙動力學(xué)知識以及河床演變的規(guī)律。 就其本身來講，目前仍然是一門不成熟的新興學(xué)科，因此對于攔河建筑物防洪影響的分析就有了很大的難度。 本人根據(jù)多年來的工作經(jīng)驗(yàn)以及掌握的材料，從各人的認(rèn)識角度出發(fā)，對建筑物防洪影響的分析思路提供一些建議。 如有不當(dāng)以及不足之處，希望同仁們給予指正和補(bǔ)充，并在大家的共同努力之下，更好地完成項(xiàng)目，使每一個項(xiàng)目都能較好地反映出其對防洪的影響，從而使建筑物更好地為人們造福，而不是帶來負(fù)面影響甚至災(zāi)害。 1概述攔河建筑物對防洪的影響有有利的一面也有不利的一面。 有利的一面是可以充分利用建筑物與河床之間的相互關(guān)系，因勢調(diào)整河道流向，改變不利河相關(guān)系，有目的的控制河床演變的發(fā)展方向，從而使河道有利于人類的經(jīng)濟(jì)活動。 另外攔河建筑物作為水資源配置工程，可開發(fā)利用河道水資源，為工農(nóng)業(yè)以及城鎮(zhèn)生活用水提供水源，緩解地下水超采的危機(jī)。 但在保證其主要功能的同時，需要充分認(rèn)識到建筑物對于河道防洪不利的影響。 對于建筑物防洪影響的分析思路，主要從河相關(guān)系的變化、工程設(shè)計(jì)以及工程措施之間的相互關(guān)系方面去考慮。 在分析建筑物對防洪影響之前，首先要對建筑物所在河道進(jìn)行分析。 1）分析河道類型按照河道流經(jīng)地區(qū)的不同，河道一般可分為山區(qū)河流和平原河流兩大類，而對于同一條河流其上游常為山區(qū)河流，下游段為平原河流，位于上游段和下游段之間的中游段，則往往兼有山區(qū)河流和平原河流的特性。 因此要首先根據(jù)流域特點(diǎn)，來水情況，地理特點(diǎn)、形成的過程等確定河道屬于哪一種類型。 2）分析河床的形態(tài)根據(jù)河床演變歷史過程、河床總體走勢，河床的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)確定河道形態(tài)是彎曲型、順直型、分汊型還是散亂型，從而確定河床演變的總趨勢。 3）分析河流的水文、地質(zhì)條件根據(jù)河道來水來沙特性，來水時空分布，河床床沙組成等特點(diǎn)確定河道的邊界條件，確定是推移質(zhì)還是懸移質(zhì)造床。 只有分析確定了造床的主要因素，才能確定合理的經(jīng)驗(yàn)理論公式進(jìn)行定量的分析計(jì)算。 2工程設(shè)計(jì)與河相關(guān)系的相互影響分析攔河建筑物的設(shè)計(jì)依托于河相關(guān)系，河相關(guān)系又因攔河建筑物的影響而發(fā)生巨大的變化，出現(xiàn)新的演變過程。 如果建筑物設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會引起河相不穩(wěn)定，造成行洪的不安全；而河相關(guān)系確定的不合理，則會從以下兩方面影響建筑物的設(shè)計(jì)如果河相關(guān)系確定的不安全，建筑物的造價抬高，造成浪費(fèi)；如果河相關(guān)系確定的偏于安全，則建筑物的設(shè)計(jì)會不滿足要求，其損失更加嚴(yán)重，因此攔河建筑物與河床的河相關(guān)系是相互影響相互補(bǔ)充的關(guān)系。 本文主要從以下幾個方面對兩者關(guān)系進(jìn)行分析1）建筑物主要設(shè)計(jì)參數(shù)與河床演變之間的關(guān)系建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)主要從底板高程，蓄水位的確定進(jìn)行分析。 底板高程的確定至關(guān)重要。 底板高程定高了，則會出現(xiàn)上淤下沖的問題，壩前淤積嚴(yán)重者會使建筑物難以正常運(yùn)行，甚至處于癱瘓狀態(tài)，而壩后沖刷則會使消能設(shè)施破壞，從而危及整個工程。 相反，如果底板高程定低了，則上沖下淤，同樣會影響建筑物的正常運(yùn)行。 因此合理的選擇底板高程，才能保證上下游河段的演變過程逐漸趨向于平衡，趨向于防洪有利的一面。 對于正常蓄水位的確定，從防洪角度出發(fā)，水位不宜漫灘。 蓄水位長期漫灘，不僅影響灘地開發(fā)，而且來沙落淤抬高灘地，而建筑物進(jìn)行蓄清排沙時，按照河床死灘活槽的發(fā)展規(guī)律，灘地只淤而不沖，必然影響河道的行洪安全。 2）消能防沖設(shè)計(jì)與河床演變之間的關(guān)系消能防沖設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)過程中是不可缺少的重要組成部分，在有關(guān)規(guī)范中都有具體的規(guī)定，但河床演變對消能防沖計(jì)算的影響卻沒有明確的提出，從而使設(shè)計(jì)人員往往忽略了河床演變的影響，計(jì)算過程與河床演變脫節(jié)，造成設(shè)計(jì)結(jié)果的不安全。 本文主要從下游的河床演變角度闡述對消能的影響。 攔河建筑物建成后，由于水位壅高，上游淤積，下泄水流含沙量降低，使下游河床將發(fā)生兩種不同類型的沖刷，一種是在樞紐下游較長段上普遍產(chǎn)生的一般沖刷；另一種是在樞紐下游附近較短的河段內(nèi)產(chǎn)生的局部沖刷。 局部沖刷在有關(guān)規(guī)范及教材中均有較詳細(xì)的計(jì)算辦法和處理措施，本文只對一般沖刷做進(jìn)一步說明。 一般沖刷是一種使下游河道自上而下發(fā)生的長距離沖刷現(xiàn)象，但隨著沖刷的不斷發(fā)展，河床床沙粒徑逐漸粗化，形成抗沖保護(hù)層限制沖刷發(fā)展，并將很快趨于穩(wěn)定，因此其發(fā)展變化總是向穩(wěn)定的方向進(jìn)展。 隨著一般沖刷的發(fā)展，下游水位流量關(guān)系發(fā)生變化，勢必影響建筑物的泄流能力以及消能防沖，這就需要對一般沖刷進(jìn)行分析計(jì)算。 目前對于一般沖刷的定量計(jì)算仍處于不成熟階段，雖說現(xiàn)階段也有許多的經(jīng)驗(yàn)或理論公式可以使用，但大多繁瑣難用，作者認(rèn)為下面兩種方法比較適合與工程設(shè)計(jì)人員運(yùn)用。 方法一謝鑒衡所建議的沖刷極限狀態(tài)法。 公式如下根據(jù)以上公式只要合理確定造床流量Q，河床粗化后的糙率n以及床沙粒徑d值，即可估算沖刷后的河道比降J、平均水深h以及河寬B。 方法二王世夏教授提出的靜平衡計(jì)算公式。 上式中床沙特性參數(shù)K通常可取4.0212m1/2/s，粒徑可取中值粒徑為計(jì)算粒徑。 對于無因次待定系數(shù)C的確定需根據(jù)王世夏教授提出的河相關(guān)系補(bǔ)充方程計(jì)算。 根據(jù)實(shí)測的河床斷面形態(tài)、床沙組成等資料，計(jì)算多組數(shù)據(jù)，由上式反推出C值。 以上兩種方法的基本原理是一致的，均是水流連續(xù)公式、均勻流阻力公式以及水力因素和泥沙因素之間的關(guān)系公式，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合聯(lián)解推求所得。 根據(jù)以上方法可以推求出沖刷后的河相關(guān)系為依據(jù)進(jìn)行消能防沖計(jì)算是比較合理的。 同時要充分考慮到一般沖刷對下游兩岸灘地以及堤防的沖刷，要及時采取措施護(hù)砌兩岸，防止沖刷對河床的不利影響。 3）河道主要參數(shù)的取定與河床演變之間的關(guān)系從長期角度來看，河相的變化具有周期性，隨著多次沖刷淤積之后，河道總是趨向于某一平衡狀態(tài)，最終達(dá)到一個相對穩(wěn)定的河相關(guān)系。 比如，彎曲的河道彎曲到一定程度，水流為尋求阻力較小的新流路，通過撇彎取直或裁彎取直來遏止凹岸沖刷的進(jìn)一步發(fā)展。 對于攔河建筑物同樣有此規(guī)律，在人為因素的影響之下，河床要發(fā)生變化，但其變化也是向著停止的方向發(fā)展。 如何才能知道設(shè)計(jì)參數(shù)符合河床演變的自然規(guī)律，使建筑物與自然協(xié)調(diào)共存呢？謝鑒衡和王世夏教授同樣提出了河道沖淤平衡計(jì)算方法。 下面簡單介紹王世夏教授提出的推移質(zhì)造床河流的動平衡計(jì)算方法。 計(jì)算原理同一般沖刷計(jì)算的計(jì)算原理相同。 公式如下公式中Qs為河床推移質(zhì)輸沙率，由于水文觀測技術(shù)及條件的限制，該參數(shù)的確定比較困難。 可收集河床懸移質(zhì)輸沙率與流量的關(guān)系，并參照類似河道懸推比，來確定推移質(zhì)輸沙率值。 其他參數(shù)的確定同一般沖刷計(jì)算方法。 根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，來分析確定設(shè)計(jì)參數(shù)值是否合理。 比如，計(jì)算比降值陡于設(shè)計(jì)值，則說明河道不需淤緩至設(shè)計(jì)值就可以平衡，因此設(shè)計(jì)值是偏于安全的；相反，計(jì)算值緩于設(shè)計(jì)值，則說明設(shè)計(jì)值偏陡，上游的河沙要繼續(xù)向下游推移，直到相對平衡。 3防洪措施與河床演變之間的相互影響分析從以上關(guān)系的分析中可以看出，建筑物的修建會使河床發(fā)生較大的變化，但隨著河床的自我調(diào)整作用，河床最終會達(dá)到一個新的動平衡點(diǎn)。 這不僅僅要求建筑物的設(shè)計(jì)滿足河床演變的要求，同時要采取一定防洪措施才能保證影響控制在安全或有利的一面。 防洪措施與河床演變之間也是相輔相成的關(guān)系。 1）合理的控制運(yùn)用充分利用攔河建筑物的優(yōu)勢，合理的控制運(yùn)用，調(diào)節(jié)河道固體徑流。 在取水時期，上游水位抬高，使來沙暫時沉積在壩前，之后就需采取合理的控制運(yùn)用措施沖刷淤積，保證取水庫容以及行洪的安全。 2）規(guī)范的管理結(jié)構(gòu)由于人類的需求，使得河床演變不僅僅受自然因素的影響，而且人為因素也隨著社會的發(fā)展對河道的影響也越來越嚴(yán)重，特別是人為采沙因素，這就需要規(guī)范的管理結(jié)構(gòu)和管理制度來規(guī)范管理人為因素對河道的影響。 3）完善的觀測系統(tǒng)建筑物的設(shè)計(jì)以及河床演變計(jì)算原理是建立在實(shí)踐到理論、理論到實(shí)踐的基礎(chǔ)之上，具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和試驗(yàn)性，它不可能完全代替自然規(guī)律，而河道的邊界條件卻千差萬別，在時間與空間上也是變化萬千的，不可能有哪一種理論公式能準(zhǔn)確的界定河道發(fā)展變化。 因此，工程的正常運(yùn)用，還要依靠完善的觀測系統(tǒng)來補(bǔ)充改進(jìn)工程。 要及時開展原型觀測，積累有關(guān)數(shù)據(jù)，保證工程正常運(yùn)行的有效，進(jìn)一