刘燕 张林忠 万强

摘要：近年来随着黄河龙羊峡、刘家峡及青铜峡水库的调节运用，黄河宁夏河段来水来沙条件发生改变，为验证原来的河道整治工程及“黄河宁夏河段二期防洪工程可行性研究报告”中的人字垛平面布置参数设计是否适应当前的河道和水沙特点，通过模型试验、原型资料分析、实地查勘和理论计算，对工程平面布置参数进行分析，结果表明：①模型试验中，高山寺工程垛半径20m和垛半径15m（垛间距均为40m）条件下，垛前流速、流态、断面形态、局部冲淤基本一致，垛间均未出现明显淘刷，对河势影响较小；②垛参数经验布置原则与河床粒径相关；③丁坝间距公式计算结果显示，垛的方位角为30-的前提下，垛间距与垛半径及来流方向相关，随着垛迎水面与水流夹角的增大，垛间距逐步减小。建议：当卫宁河段垛群迎水角度小于60°时，采用垛半径20m、垛间距50m；當垛群迎水角度大于60°时，采用垛半径20m、垛间距40m。

关键词：人字垛；平面布置参数；垛半径；垛间距；黄河卫宁河段

中图分类号：TV85；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.011

宁夏黄河干流自1998年以来按照微弯整治方案开展了大规模的整治，随着治河技术的发展及人们对治理多沙河流认识水平的不断提高，在“黄河宁夏河段二期防洪工程可行性研究报告”中采用微弯整治、就岸维护相结合的治理方案[1]。宁夏河段的河道整治工程结构沿袭了黄河下游的设计、施工经验，根据黄河游荡型河道具有宽浅散乱、善变善徙、河势不稳的演变特点，目前采取的整治工程形式主要有堤防、险工、控导工程和护滩工程，其基本由坝、垛、护岸等结构组成[2]。具体的工程设计参数根据黄河宁夏河段特定的河道、水沙特点作出相应调整。其中：宁夏段人字垛半径目前采用的是20m，方位角为30°，二期防洪工程设计垛间距为20～40m[1]。

随着黄河龙、刘水库（龙羊峡、刘家峡水库）及青铜峡水库的调节运用，宁夏河段来水来沙条件发生改变，原有的河道整治工程对中小流量的控导效果不太理想，具体到宁夏卫宁河段的人字垛参数设计，需要将以往工程设计、施工中的经验在科学理论的基础上进一步优化。为此，选择卫宁段的高山寺工程进行概化实体模型试验，通过分析模型试验成果，并结合原型资料、实地查勘、理论计算等，对工程垛半径和垛间距进行分析，提出合理的垛半径和垛间距。

1 典型工程垛参数模型试验

1.1 模型设计

卫宁河段高山寺工程概化河道模型长25m，宽约6.5m，水平比尺λL=400，垂直比尺λH=60，变率为6.67。

该河段原型观测资料较少，仅有2012年WND22和WND23两个大断面资料，为提高制模精度，根据2012年两个大断面资料，结合2012年卫宁段河道地形图，内插了11个小断面，并结合现场查勘情况给予修正。

初始河势采用2012年汛前河势，并结合2016年该河段卫星图片予以修正。

1.2 水沙过程

各河段工程设计标准采用的设计洪水流量、整治流量及施工期设计流量如下：施工期流量1460m3/s，整治流量2500m3/s，卫宁河段20a—遇设防流量5620m3/s。以上述流量作为本次试验来水条件。

本次试验施工期流量1460m3/s历时50d，整治流量2500m3/s历时34d，20a—遇洪水过程采用黄河下河沿站1964年设计水沙过程，历时22d，水量及沙量分别为69.21亿m3和0.7亿t。

1.3 试验组次安排

试验共安排6个组次，其中：垛半径20m和垛间距40m条件下施工流量、整治流量和20a—遇洪水3个组次，垛半径巧m和垛间距40m条件下施工流量、整治流量和20a—遇洪水3个组次。

1.4 试验成果

1.4.1 垛前流速变化

为分析高山寺工程垛前的水流变化状况，重点对12坝之前坝垛群集中部位进行监测，图1为高山寺工程两种垛半径在不同流量条件下工程前流速、水深分布情况。从图1中可知，工程前流速与工程形式及所处位置相关，靠主溜的工程前流速较大，水流条件相同情况下坝前流速较垛前大；不同垛半径在相同水沙条件下垛前流速及水深变化趋势基本一致，水深与流量成正比。

总的来说，高山寺工程垛前流速与流态受工程形式、靠溜状况和水流强度影响较大，两种垛半径垛前流速及流态基本一致。

1.4.2 断面形态调整

为了对比高山寺工程不同垛半径在不同流量条件下断面形态的调整变化，选择高山寺工程垛群上首、下首和工程中部坝垛较为稀疏的3个典型断面形态与初始形态相比，仅高山寺工程上首垛群前在大流量、含沙量较大洪水条件下淤积，其余部位较初始形态变化不大，两种垛半径下断面形态调整基本一致。

1.4.3 局部冲淤情况

表1为垛半径20m和垛半径巧m时垛群的局部冲淤情况。从表1中可知，垛半径20m方案前面2#～4#三个垛垛前淤积、后面5#～6#两个垛垛前冲淤变化小，垛半径15m方案前面1#～4#四个垛垛前淤积、后面5#～6#两个垛垛前冲淤变化小，且两种方案均表现出前面几个垛施工流量和整治流量淤积少、20a—遇洪水淤积多的态势。

由以上分析可以得出：垛前冲淤与靠溜程度相关，垛靠大溜，则垛前冲刷。

1.4.4 水流在垛间的淘刷情况

从前述对高山寺1#～12#坝垛前流速、水深变化和局部冲淤情况分析可以看出，工程上首垛群前淤积，其下则基本属微冲。

由于高山寺工程上首垛群前偎水，流速较小，2垛至5垛垛前淤积，因此垛间也是淤积状态；5垛至7坝，坝垛靠边溜，坝垛前冲淤基本平衡；8垛和9垛处于弯道最里面，受7坝掩护，8垛前流速为0，9垛前流速也较小，因此7坝至9垛间淤积；10垛至12坝，工程靠溜，流速较大，该河段属砂卵石河床，工程前冲淤变化相对较小，水流在坝间未见明显淘刷情况。

1.4.5 河势变化

红柳滩至上滩河段有大小不等、纵横交错的心滩20余处，属典型的多汉河段，水流从上至下由2股演变为3股、4股甚至更多股。该河段床沙较粗，试验中表现出小水时汉道相刘稳定，心滩的大小随着流量变化而变化，甚至变动移位，总的来说小流量时心滩出露多，大流量因全河道过水而心滩出露少，大多数心滩成为潜滩，且水流受水下潜滩的影响，左奔右突，流路变化较大。

两种方案下不同流量河势变化基本一致，高山寺工程处于汉流纵横交错河段，河道由窄向宽过渡，水流扇形扩散，从上首垛群处至工程中部，水流由2股演变为3股，至工程末端演变为4股，各股分流比相当，出工程末端后由4股演变为3股，至上滩护岸工程所处河段合为2股。上首垛群处垛前主流偏离坝垛，垛前仅偎水，流速较小，至工程中部10垛以下靠溜。

从高山寺工程处的河势变化来看，两种方案在不同流量条件下均表现为垛前汉道宽约300m，主流线最大摆幅为50m，垛群上首2#～6#垛迎水面与来流方向夹角在600以内，垛间淤积或冲淤不明显，由此可见不同垛半径和垛间距对河势影响不大，河势差异较小。2垛参数理论分析

黄河下游的垛间距遵循的原则一般是：对于抛物线型的垛，当垛突出岸线的垂直长度为10～30m时，垛的净间距应小于30m[3]。黄河下游河道属冲积性河道，床沙中值粒径D50为0.06～0.10mm，垛间距超过30m即会出现垛间回流淘刷，影响工程安全。

垛是短丁坝，其挑流能力弱，回流小，垛前冲刷坑较浅，适宜于来流方向与迎水面的夹角大或来流方向变化大的工程段。利用丁坝间距公式[式（1）]计算垛间距，结果见表2。式中：L为垛间距；l为丁坝实际长度，这里是2倍垛半径；α1为垛的方位角，α1=30°；α3为来流方向与工程线的夹角，α3=α2-α1，α2为来流方向与坝（垛）迎水面的夹角；月为水流扩散角，根据试验成果，β≈9.5°。

由表2可知，垛的方位角为300的前提下，垛间距与垛半径及来流方向相关，随着垛迎水面与水流夹角的增大，垛间距逐步减小。垛半径为20m时，若垛迎水面与水流夹角为60°左右，则垛间距可采用40m；若垛迎水面与水流夹角为45°左右，则垛间距可采用50m。垛半径为巧m时，若垛迎水面与水流夹角为60°左右，则垛间距可采用30m；若垛迎水面与水流夹角为45°左右，则垛间距可采用40m。

3 工程設计和现场查勘情况

宁夏二期防洪工程中垛的布置参数主要采用300方位角，新建人字垛半径取20m，垛的净间距应不大于30m，中间空当由护岸连接[4]。

宁夏卫宁河段近年来采用的垛半径多为20m，垛间距多数采用20～40m，个别垛间距为120m左右。现场查勘发现，20～40m垛间距的垛间坝田微淤，有的垛间坝田冲淤不明显。

4 结论

（1）典型工程垛参数模型试验结果显示：高山寺工程垛半径20m和垛半径15m（垛间距均为40m）条件下，垛前流速、流态、断面形态、局部冲淤情况基本一致，垛间均未出现明显淘刷，对河势影响较小。

（2）垛参数经验布置原则与床沙粒径相关，对于黄河下游冲积性河道，当垛突出岸线的垂直长度为10～30m时，垛的净间距应小于30m。

（3）丁坝间距公式计算结果显示：垛的方位角为300的前提下，垛间距与垛半径及来流方向相关，随着垛迎水面与水流夹角的增大，垛间距逐步减小。垛半径为20m时，若垛迎水面与水流夹角为60°左右，则垛间距可采用40m；若垛迎水面与水流夹角为45°左右，则垛间距可采用50m。垛半径为15m时，若垛迎水面与水流夹角为60°左右，则垛间距可采用30m；若垛迎水面与水流夹角为45°左右，则垛间距可采用40m。

（4）工程设计和现场查勘表明，垛半径为20m、垛间距为20～40m时，垛间没有明显冲刷。

综合分析，卫宁河段为卵砾石河床，推荐当垛群迎水角度小于60°时，采用垛半径20m、垛间距50m；当垛群迎水角度大于60°时，采用垛半径20m、垛间距40m。

参考文献：

[1]黄河勘测规划设计有限公司.黄河宁夏河段二期防洪工程可行性研究报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2013：371-382.

[2]黄河勘测规划设计有限公司.黄河宁蒙河段1996年至2000年防洪工程建设可行性研究报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，1996：199-200.

[3]胡一三.中国江河防洪丛书·黄河卷[M].北京：中国水利水电出版社，1996：353-355.

[4]黄河勘测规划设计有限公司，宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司.黄河宁夏河段二期防洪工程可行性研究报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2014；340-349.