控导工程对于黄河下游滩岸崩退的整治作用研究

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黄河下游属于多沙游荡河段,河势摆动多变,导致了黄河下游存在着普遍且严重的河岸崩退问题,即侧向冲蚀强烈。因此,维持河势稳态、控制河岸侧向冲蚀是管治黄河下游岸滩崩退的关键所在。本文利用现场观测结合数值模拟等手段研究黄河下游滩岸崩退发展规律以及黄河下游河道工程在控制滩岸崩退中的作用,主要研究工作如下:(1)阐明了黄河下游河段近年来的冲淤、崩退特点,并揭示了黄河下游河道水流冲刷滩岸土体引起塌岸的作用机制。黄河下游不同断面的崩退演替特点存在空间差异性。比如石头庄断面近岸冲刷强烈,主槽处略淤,而小苏庄断面强烈冲刷的部位却在主槽,岸坡处泥沙淤积;2016年下游各水文站2000m~3/s同流量水位与1999年相比,下降1.5~2.6 m,所以总的来说,主槽现阶段在不断摆动的同时往冲深方向发展;近岸水流切应力为3 N/m~2,而滩岸土体起动切应力为0.1 N/m~2,整整小了30倍,加上滩岸土壤的干容重维持在1.1~1.2 kg/m~3之间,密实程度较低,所以土体更容易被水流冲蚀或在重力作用下发生滑动、坍塌。(2)量化了河道工程对河势的控导效果,提出丁坝群优化配置方案。在本模拟条件下,发现丁坝群体作用可以降低冲击坝头的流速,减轻水流对坝头的冲刷。单丁坝作用下冲击坝头流速最大可达7 m/s,而群体作用下最大流速为6.5 m/s;挑角影响河道自由水面和流态稳定,当挑角为45°时,丁坝运行效果相对最好;在黄河下游河湾段应用透水丁坝群的缓流落淤效果与实体丁坝群接近。实体丁坝坝后悬沙浓度从30kg/m~3下降到最低24.72 kg/m~3,透水丁坝则下降至24.08 kg/m~3,两者对河段凹岸流速减小平均贡献率均高达80%以上,具有很强的护岸效果。(3)模拟了工程溃坝后的河床冲淤变化,针对性提出溃坝预防的建设新思路。首排坝瞬溃后,后排的丁坝群显著地影响了溃坝波的传播,主要表现为溃坝波沿河道逐渐衰减,距离尾坝100 m处消失;水、沙会进行重新调配,而在水沙达到稳定状态这一过程中所需时间有差异。水流经过较短时间,即约1 h后,就会逐渐趋于稳定,而河床的变形则要经过较长时间(约3 h后),才能稳定下来;坝群中首排坝瞬溃对河槽的输沙能力只造成轻微的影响,对坝区泥沙的起动和沉降影响却很大。综上,丁坝工程可以通过改变河势从而有效保滩护岸,控制河岸崩退进程。建议在黄河下游运用透水丁坝,可借鉴黄土高原沟道坝系建设思路。在丁坝群的规划设计中使用不同的坝型进行结合配置,如在首排最易冲毁的位置采用更为坚固的实体丁坝,其余位置处配置透水丁坝。但鉴于生态护岸的诸多优势,以后其必然成为护岸主流。
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