水沙條件變化對渭河倉西工程安全的影響分析

發布時間：2020-01-14所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： [摘要]渭河下游倉西工程2010年～2014年連續5年出險，通過分析研究倉西河段水沙條件變化及場次洪水等關鍵參數對出險工程的相對關系，以及其對工程出險的影響，對提出相應的除險加固措施、確保工程與堤防安全具有重要意義。分析表明：盡管2010年～2014年洪水為

　　[摘要]渭河下游倉西工程2010年～2014年連續5年出險，通過分析研究倉西河段水沙條件變化及場次洪水等關鍵參數對出險工程的相對關系，以及其對工程出險的影響，對提出相應的除險加固措施、確保工程與堤防安全具有重要意義。分析表明：盡管2010年～2014年洪水為倉西工程出險提供了動力與條件，但不是倉西工程出險的主要原因，整體上在倉西工程出險的影響因素中居于從屬地位;提出在控導工程設計中應更重視河道沖淤演變分析與趨勢預測，工程底坑深、沖刷流速等設計參數須以分析成果為依據，施工中設計變更應以《水利工程設計變更管理暫行辦法》為依據，嚴格執行、減少隨意性等相應確保工程安全的對策、措施與建議。

　　[關鍵詞]連年出險;大荔倉西工程;渭河下游;水沙條件

　　1倉西河段概況

　　渭河倉西控導工程位于大荔縣韋林鄉望仙村東南的渭河渭淤2斷面左岸上下游，倉西灣所在河段是渭河下游的方山河～潼關入黃段，該河段長約58km，屬典型的彎曲性河段，枯水河床寬約400m～600m，河床局部擺動不定，河曲十分發育，平均彎曲系數約為1.43，河勢變化較為劇烈，侵蝕塌岸時常發生，河床縱向平均比降為10/000左右;在倉西工程下游6.0km左右渭河左岸有北洛河匯入渭河。

　　2倉西工程與出險基本情況

　　2.1倉西控導工程概況

　　倉西控導工程在《渭洛河下游河道整治初步設計》(下簡稱《初設》)中，工程布設起點在倉西灣上段，對應于沙苑圍堤管理樁號為9+600，在倉西灣上段沿修正治導線與岸坎布置成直線，直線段布設12座雁翅壩垛抵御渭河洪水頂沖，中下段布設復合彎道，布置23座雁翅壩形成以壩護彎，以彎導流，并保護抽水站取水口和移民圍堤。工程總長度2781m，沿工程位置線共布置雁翅壩35座;其中水中進占雁翅翅壩11座，旱灘雁翅壩24座，加固1座。倉西控導工程從2003年汛前、2003年汛后、2005年、2008年、2011年5期建設，目前形成總長5934m、雁翅壩35(0#～34#)座的規模[1]。

　　2.2工程歷年出險基本情況

　　倉西控導工程2010年初次出險以來歷次出險情況統計見表1�？梢钥闯�，出險集中在3～10#壩段;出險主要表現為壩垛墩蟄(3-6#、9#壩)、壩襠后潰坍塌或土體坍塌(2-3#、4-8#壩襠)、壩及襠籠石墩蟄或倒塌(8-10#壩襠)3種形式。針對倉西工程3種出險形式，分析研究倉西工程特殊出險類型的原因，提出科學合理的除險加固方案，并組織實施、確保工程與堤防安全，是十分必要、迫切的。

　　3水沙條件變化及其對倉西工程出險的影響分析

　　倉西河段附近無水文站，上游在渭淤2下游615m處的華陰水位站只有測水位，無法分析該河段的水沙情況，而華縣水文站位于渭淤10下游約900m處，故以華縣水文站來分析蒼西河段的水沙特征。

　　3.1華縣站水沙變化及其特征

　　1960年～2015年華縣站水沙統計表見表2，歷年水量變化見圖1。

　　由表2可知：1960年～2015年該時期多年平均水量64.02億m3，其中汛期水量38.60億m3，非汛期水量25.4億m3，分別占多年的60.3%、39.7%;年徑流量集中于汛期，總體上呈減小趨勢。1960年～2015年水量變化大致可分為3個階段：一是1960年～1985年豐水期，平均水量80.78億m3，占多年均64.02億m3的126.2%;二是1986年～2002年的枯水期，平均水量45.73億m3，占多年平均的71.4%;三是2003年～2015年的平水偏枯期，平均水量54.44億m3，占多年平均的85.0%;四是2010年～2014年的平水期，平均水量61.34億m3，占多年平均的95.8%,接近多年平均值。

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　　1960年～2015年華縣站沙量統計表見3，歷年沙量變化見圖2。由圖表可知：1960年～2015年多年平均沙量2.795億t，其中汛期沙量2.484億t，非汛期沙量0.310億t，分別占年的88.9%、11.1%;年輸沙量集中于汛期更為突出，總體上呈減小趨勢更為明顯。該時期沙量變化大致可分為4個階段：一是1960年～1978年豐沙期，平均輸沙量4.270億t，占多年均2.795億t的152.8%;二是1979年～1996年平沙期，平均輸沙量2.861億t，占多年均的102.4%;三是1997年～2003年枯沙期，平均輸沙量2.002億t，占多年均的71.6%;四是2004年～2015年特枯沙期，平均輸沙量0.821億t，占多年均的29.4%。

　　分析表明，渭河下游水、沙量變化在總體大致相同的情況下，還存在一定的差異：

　　一是水、沙量均集中于汛期，但沙量更為集中;

　　二是水、沙量總體呈減小趨勢，但沙量的減少更為持續與連續——由豐趨平、由平至枯、由枯減為特枯的明顯特征;

　　三是變化過程有一定差異，如近期(2004年～2015年)呈現“水量平水偏枯、沙量為特枯”的明顯差異。出險時段是2010年～2014年，該時期平均水量61.34億m3，其中汛期水量37.86億m3，非汛期水量23.47億m3，分別占年的61.7%、38.3%;年徑流量集中于汛期，總體上呈減小趨勢。1960年～1985年平均水量80.78億m3，占出險時段61.34億m3的131.7%;1986年～2002年平均水量45.73億m3，占出險時段的74.6%;2003年～2009年平均水量48.27億m3，占出險時段的78.7%;2003年～2015年平均水量54.44億m3，占出險時段的88.8%。出險時段水量較1960年～1985年偏枯，但較其它時段水量略多，屬于平水期。

　　出險時間的平均沙量0.800億t，其中汛期沙量0.754億t，非汛期沙量0.046億t，分別占年的94.2%、5.8%;年輸沙量集中于汛期更為突出，總體上呈減小趨勢更為明顯。1960年～1978年平均輸沙量4.270億t，占出險時段的0.800億t的533.5%;1979年～1996年平均輸沙量2.861億t，占出險時段的357.4%;1997年～2003年平均輸沙量2.002億t，占出險時段的250.1%;2004年～2015年平均輸沙量0.821億t，占多年均的102.6%。出險時段沙量相對其它時候來說是最枯、最小的時段，沙量急劇減少，洪水含沙量為各不同時候最小的時期，有利于洪水沖刷。

　　四是2010～2015時期洪量較1990年～2009年有所增加，沙量進一步減少，洪水含沙量為各不同時期最小的時期，有利于洪水沖刷。

　　3.2場次洪水變化分析

　　1960年～2015年華縣站洪峰流量Q≥1000m3/s洪水的出現次數變化見圖3�？梢钥闯�，洪峰流量Q≥1000m3/s洪水場次1964年最多為14場，次多為1983年9次洪水，1984年、2005年、2013年出現了7次洪水;1970年～1989年年均4次，1990年～2015年年均2.7次，且1979年、2006年、2008年、2015年均未發生場次洪水洪峰流量大于1000m3/s的洪水。

　　1960年～2015年華縣站洪峰Q≥1000m3/s以上洪水過程洪水水沙量變化見圖4。由圖4可知：一是1964年、1981年大水大沙，1966年、1970年、1973年、1977年、1988年平水大沙與1975年、1983年、1984年、2003年等大水平沙年外，其它各年份洪量與洪水輸沙量一般尚屬協調;二是1985年～2002年期間，渭河華縣站洪峰流量1000m3/s以上各場次洪水過程洪水總量與輸沙總量趨勢是波動性減小的，2003年以來輸沙量仍持續這種波動性減小，洪水洪量略有增加，水沙條件更有利于河道沖刷。

　　不同時期華縣站洪峰Q≥1000m3/s以上洪水過程洪水水沙量變化有較大差異：一是各時期年均洪量總體呈減小趨勢，特別是上世紀90年代以來減小明顯，洪水輸沙量年均持續減小規律更為明顯;二是年均洪量、輸沙量不同時期差異較大，洪量最大時期均為上世紀60年代是90年代與本世紀初的年均洪量3倍多，洪水過程輸沙量是本世紀以為的接近4倍，差異巨大;三是上世紀70、90年代總體水沙相對更不協調;四是2010年～2015時期洪量較1990年~2009年有所增加，沙量進一步減少，洪水含沙量為各不同時期最小的時期，有利于洪水沖刷。

　　近期(2003年～2015年)渭河下游華縣站各場次洪水情況統計見表2。由表2可知，2003年～2015年華縣站發生洪峰大于1000m3/s或含沙量大于200kg/m3的洪水共50場。含沙量大于200kg/m3的高含沙洪水20場，其中洪峰小于1000m3/s含沙量大于200kg/m3的高含沙小洪水13場，洪峰介于1000m3/s～2000m3/s含沙量大于200kg/m3的高含沙中小流量洪水7場，未發生洪峰大于2000m3/s含沙量大于200kg/m3的較大流量高含沙洪水。

　　3.3水沙條件變化對倉西工程出險的影響分析

　　出險時段的水量較1960年～1985年偏小，較其它各時段洪量略有增加，洪水含沙量為各不同時期最小的時期，大水小沙的水沙條件更有利于洪水沖刷河道。

　　近期(2003年～2015年)渭河下游華縣站各場次洪水情況統計表見表4。由表4可知，2003年～2015年華縣站發生洪峰大于1000m3/s或含沙量大于200kg/m3的洪水共50場。其中，洪峰流量大于1000m3/s、2000m3/s、3000m3/s、4000m3/s、5000m3/s以上的洪水分別有37場、14場、4場、2場、1場。含沙量大于200kg/m3的高含沙洪水20場，其中洪峰小于1000m3/s含沙量大于200kg/m3的高含沙小洪水13場，洪峰介于1000m3/s～2000m3/s含沙量大于200kg/m3的高含沙中小流量洪水7場，未發生洪峰大于2000m3/s含沙量大于200kg/m3的較大流量高含沙洪水。

　　2010年～2014年洪峰大于1000m3/s、2000m3/s洪水場次增加與高含沙洪水場次減少，為渭河下游倉西河段沖刷提供了充足的動力條件，各年該時期倉西河道沖刷泥沙0.1979億m3分析亦充分證明了這一點。2010年7月下旬至9月中旬，華縣站連續發生洪峰流量大于1000m3/s洪水6場，該時段華縣站洪水過程平均流量940m3/s，這一流量對渭河下游河段是沖刷是有利的[3]。

　　上述分析表明：2010年～2014年水沙條件特別是汛期洪水為倉西河段沖淤、河勢彎化與工程出險等方面的河道變化提供了動力(或能量)條件與保障;但從洪水條件分析，除“11.9”洪水外，其它洪峰介于1000m3/s～2500m3/s，洪水流量小于倉西河段中水治導整治流量3000m3/s，一般不會引起整治控導工程的破壞失穩。因此，盡管2010年～2014年水沙條件與汛期洪水為倉西工程出險擔供了動力與條件，但不是倉西工程出險的主要原因，整體上在倉西工程出險的影響因素中居于從屬地位。

　　4結論與建議

　　4.1結論

　�、旁诤樗�量級不大的情況下倉西工程2010年～2014年連續5年出險;該時期水沙條件與汛期洪水相對與原設計條件水沙條件發生一定變化;因此，分析研究倉西工程特殊出險中水沙條件變化的影響，為未來相似工程設計時考慮不同水沙條件下的工程相關設計參數提供技術支撐，確保工程與堤防安全有著重要的意義，開展該項研究是十分必要的。

　�、瞥鲭U時段的水量較1960年～1985年偏小，較其它各時段洪量略有增加，但洪水含沙量為各不同時期最小的時期，水沙條件更有利于洪水沖刷河道。

　�、�2003年～2015的水量平水偏枯期、沙量持續特枯是近期渭河下游水沙過程的主要特點;不同時期華縣站洪峰Q≥1000m3/s以上洪水過程洪水水沙量變化有較大差異：一是各時期年均洪量總體呈減小趨勢，特別是上世紀90年代以來減小明顯，洪水輸沙量年均持續減小規律更為明顯;二是年均洪量、輸沙量不同時期差異較大;三是上世紀70、90年代總體水沙相對更不協調;四是2010年～2015時期洪量較1990年~2009年有所增加，沙量進一步減少，洪水含沙量為各不同時期最小的時期，水沙條件更有利于河道沖刷。

　�、葟暮樗畻l件分析，除“11.9”洪水外，其它洪峰介于1000m3/s～2500m3/s，洪水流量小于倉西河段中水治導整治流量3000m3/s，一般不會引起整治控導工程的破壞失穩。因此，盡管2010年～2014年水沙條件與汛期洪水為倉西工程出險擔供了動力與條件，但不是倉西工程出險的主要原因，整體上在倉西工程出險的影響因素中居于從屬地位。

　　4.2建議

　　從倉西出險情況分析可以看出，在今后類似河彎設計修建防護工程，在考慮水流平均流速外，還應增加河段水流最大流速時壩頭局部沖刷深度的分析計算，并作為壩頭抗沖設計的重要依據與參考，確保工程穩定，實現控導河勢、理順流路，保障防護對象安全的目標。