对拦河建筑物的防洪分析探讨

随着水资源供需矛盾的日益突出，党和政府提出了水资源可持续利用的战略目标，充分合理地开发利用水资源，为全面建设小康社会提供有力支撑和保障。随着水利建设的不断发展，水利投资的重点也将由防洪工程转向水资源配置工程。按照传统水利思路，由于河道防洪任务的重要性，在山洪河道修建拦河建筑物蓄水开发水资源一般要求非常严格，因此山洪河道水资源开发利用程度很低，在一定程度上造成水资源的巨大浪费。随着传统水利向现代水利的转变，在山洪河道上修建拦河建筑物，拦蓄上游河道流域来水，开发河道丰富的水资源，使防洪工程转向水资源配置工程已成为水利建设的重点。

但在河道水资源得到合理的开发利用的同时，河道的防洪任务更加艰巨，这就要求水利工作者不仅要充分开发利用水资源，而且要充分预测到建筑物可能带来的负效应。由于河流的形成及发展条件各异，河床演变的特点及其衍生的问题是各种各样而且复杂多变，因此研究分析拦河建筑物对防洪的影响是一个多学科多因素的复杂问题，特别是河流泥沙动力学知识以及河床演变的规律。就其本身来讲，目前仍然是一门不成熟的新兴学科，因此对于拦河建筑物防洪影响的分析就有了很大的难度。本人根据多年来的工作经验以及掌握的材料，从各人的认识角度出发，对建筑物防洪影响的分析思路提供一些建议。如有不当以及不足之处，希望同仁们给予指正和补充，并在大家的共同努力之下，更好地完成项目，使每一个项目都能较好地反映出其对防洪的影响，从而使建筑物更好地为人们造福，而不是带来负面影响甚至灾害。

1 概述

拦河建筑物对防洪的影响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与河床之间的相互关系，因势调整河道流向，改变不利河相关系，有目的的控制河床演变的发展方向，从而使河道有利于人类的经济活动。另外拦河建筑物作为水资源配置工程，可开发利用河道水资源，为工农业以及城镇生活用水提供水源，缓解地下水超采的危机。但在保证其主要功能的同时，需要充分认识到建筑物对于河道防洪不利的影响。对于建筑物防洪影响的分析思路，主要从河相关系的变化、工程设计以及工程措施之间的相互关系方面去考虑。在分析建筑物对防洪影响之前，首先要对建筑物所在河道进行分析。

1）分析河道类型

按照河道流经地区的不同，河道一般可分为山区河流和平原河流两大类，而对于同一条河流其上游常为山区河流，下游段为平原河流，位于上游段和下游段之间的中游段，则往往兼有山区河流和平原河流的特性。因此要首先根据流域特点，来水情况，地理特点、形成的过程等确定河道属于哪一种类型。

2）分析河床的形态

根据河床演变历史过程、河床总体走势，河床的结构等特点确定河道形态是弯曲型、顺直型、分汊型还是散乱型，从而确定河床演变的总趋势。

3）分析河流的水文、地质条件

根据河道来水来沙特性，来水时空分布，河床床沙组成等特点确定河道的边界条件，确定是推移质还是悬移质造床。只有分析确定了造床的主要因素，才能确定合理的经验理论公式进行定量的分析计算。

2 工程设计与河相关系的相互影响分析

拦河建筑物的设计依托于河相关系，河相关系又因拦河建筑物的影响而发生巨大的变化，出现新的演变过程。如果建筑物设计不当，就会引起河相不稳定，造成行洪的不安全；而河相关系确定的不合理，则会从以下两方面影响建筑物的设计：如果河相关系确定的不安全，建筑物的造价抬高，造成浪费；如果河相关系确定的偏于安全，则建筑物的设计会不满足要求，其损失更加严重，因此拦河建筑物与河床的河相关系是相互影响相互补充的关系。

本文主要从以下几个方面对两者关系进行分析：

1）建筑物主要设计参数与河床演变之间的关系

建筑物设计参数主要从底板高程，蓄水位的确定进行分析。

底板高程的确定至关重要。底板高程定高了，则会出现上淤下冲的问题，坝前淤积严重者会使建筑物难以正常运行，甚至处于瘫痪状态，而坝后冲刷则会使消能设施破坏，从而危及整个工程。相反，如果底板高程定低了，则上冲下淤，同样会影响建筑物的正常运行。因此合理的选择底板高程，才能保证上下游河段的演变过程逐渐趋向于平衡，趋向于防洪有利的一面。

对于正常蓄水位的确定，从防洪角度出发，水位不宜漫滩。蓄水位长期漫滩，不仅影响滩地开发，而且来沙落淤抬高滩地，而建筑物进行蓄清排沙时，按照河床“死滩活槽”的发展规律，滩地只淤而不冲，必然影响河道的行洪安全。

2）消能防冲设计与河床演变之间的关系

消能防冲设计在工程设计过程中是不可缺少的重要组成部分，在有关规范中都有具体的规定，但河床演变对消能防冲计算的影响却没有明确的提出，从而使设计人员往往忽略了河床演变的影响，计算过程与河床演变脱节，造成设计结果的不安全。

本文主要从下游的河床演变角度阐述对消能的影响。拦河建筑物建成后，由于水位壅高，上游淤积，下泄水流含沙量降低，使下游河床将发生两种不同类型的冲刷，一种是在枢纽下游较长段上普遍产生的一般冲刷；另一种是在枢纽下游附近较短的河段内产生的局部冲刷。局部冲刷在有关规范及教材中均有较详细的计算办法和处理措施，本文只对一般冲刷做进一步说明。

一般冲刷是一种使下游河道自上而下发生的长距离冲刷现象，但随着冲刷的不断发展，河床床沙粒径逐渐粗化，形成抗冲保护层限制冲刷发展，并将很快趋于稳定，因此其发展变化总是向稳定的方向进展。随着一般冲刷的发展，下游水位流量关系发生变化，势必影响建筑物的泄流能力以及消能防冲，这就需要对一般冲刷进行分析计算。目前对于一般冲刷的定量计算仍处于不成熟阶段，虽说现阶段也有许多的经验或理论公式可以使用，但大多繁琐难用，作者认为下面两种方法比较适合与工程设计人员运用。

方法一 谢鉴衡所建议的冲刷极限状态法。公式如下：

根据以上公式只要合理确定造床流量Q，河床粗化后的糙率n以及床沙粒径d值，即可估算冲刷后的河道比降J、平均水深h以及河宽B。

方法二 王世夏教授提出的静平衡计算公式。

上式中床沙特性参数K通常可取4.0212m1/2/s，粒径可取中值粒径为计算粒径。对于无因次待定系数C的确定需根据王世夏教授提出的河相关系补充方程计算。根据实测的河床断面形态、床沙组成等资料，计算多组数据，由上式反推出C值。

以上两种方法的基本原理是一致的，均是水流连续公式、均匀流阻力公式以及水力因素和泥沙因素之间的关系公式，并与试验数据结合联解推求所得。

根据以上方法可以推求出冲刷后的河相关系为依据进行消能防冲计算是比较合理的。同时要充分考虑到一般冲刷对下游两岸滩地以及堤防的冲刷，要及时采取措施护砌两岸，防止冲刷对河床的不利影响。

3）河道主要参数的取定与河床演变之间的关系

从长期角度来看，河相的变化具有周期性，随着多次冲刷淤积之后，河道总是趋向于某一平衡状态，最终达到一个相对稳定的河相关系。比如，弯曲的河道弯曲到一定程度，水流为寻求阻力较小的新流路，通过撇弯取直或裁弯取直来遏止凹岸冲刷的进一步发展。对于拦河建筑物同样有此规律，在人为因素的影响之下，河床要发生变化，但其变化也是向着停止的方向发展。如何才能知道设计参数符合河床演变的自然规律，使建筑物与自然协调共存呢？谢鉴衡和王世夏教授同样提出了河道冲淤平衡计算方法。下面简单介绍王世夏教授提出的推移质造床河流的动平衡计算方法。

计算原理同一般冲刷计算的计算原理相同。公式如下：

公式中Qs为河床推移质输沙率，由于水文观测技术及条件的限制，该参数的确定比较困难。可收集河床悬移质输沙率与流量的关系，并参照类似河道悬推比，来确定推移质输沙率值。其他参数的确定同一般冲刷计算方法。

根据以上计算结果，来分析确定设计参数值是否合理。比如，计算比降值陡于设计值，则说明河道不需淤缓至设计值就可以平衡，因此设计值是偏于安全的；相反，计算值缓于设计值，则说明设计值偏陡，上游的河沙要继续向下游推移，直到相对平衡。

3 防洪措施与河床演变之间的相互影响分析

从以上关系的分析中可以看出，建筑物的修建会使河床发生较大的变化，但随着河床的自我调整作用，河床最终会达到一个新的动平衡点。这不仅仅要求建筑物的设计满足河床演变的要求，同时要采取一定防洪措施才能保证影响控制在安全或有利的一面。防洪措施与河床演变之间也是相辅相成的关系。

1）合理的控制运用

充分利用拦河建筑物的优势，合理的控制运用，调节河道固体径流。在取水时期，上游水位抬高，使来沙暂时沉积在坝前，之后就需采取合理的控制运用措施冲刷淤积，保证取水库容以及行洪的安全。

2）规范的管理结构

由于人类的需求，使得河床演变不仅仅受自然因素的影响，而且人为因素也随着社会的发展对河道的影响也越来越严重，特别是人为采沙因素，这就需要规范的管理结构和管理制度来规范管理人为因素对河道的影响。

3）完善的观测系统

建筑物的设计以及河床演变计算原理是建立在实践到理论、理论到实践的基础之上，具有一定的经验性和试验性，它不可能完全代替自然规律，而河道的边界条件却千差万别，在时间与空间上也是变化万千的，不可能有哪一种理论公式能准确的界定河道发展变化。因此，工程的正常运用，还要依靠完善的观测系统来补充改进工程。要及时开展原型观测，积累有关数据，保证工程正常运行的有效，进一步验证工程设计的合理性。同时，完善的观测系统还对河道以及建筑物的科学研究具有指导意义。

总上分析，主要从分析研究天然河道的实测资料、泥沙运动和河床演变的基本原理两方面对防洪影响进行分析。对于重要河流，有条件时尽可能运用各种方法进行分析研究，比如进行模型试验，通过河工模型试验，对河床演变进行预测，对防洪措施进行合理的规划；也可利用条件相似河段的实测资料进行类比分析等方法。