【正文】 項目編號： 永定河生態(tài)山區(qū)河段生態(tài)治理工程河道抗沖刷能力研究 中國水利水電科學研究院2009年5月 北京 報告編號：報告名稱：永定河山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)工程河道抗沖刷能力研究承擔單位：中國水科院水力學所主要協(xié)作單位：無項目負責人：吳一紅，楊帆，譚水位主要完成人：吳一紅，楊帆，譚水位，張文遠，謝省宗，時啟燧報告執(zhí)筆人：楊帆，譚水位報告審查人：謝省宗報告審批人：吳一紅目 錄1．概述 1 1 12．基礎(chǔ)資料 2 2 2 2 3 4 53．起動流速試驗 5 5 5 5 7 8：、試驗水深為40cm時的起動流速 8：、試驗水深為60cm時的起動流速 8：、試驗水深為80cm時的起動流速 9：卵礫石粒徑為56cm、試驗水深為40cm時的起動流速 10：卵礫石粒徑為56cm、試驗水深為60cm時的起動流速 10：卵礫石粒徑為56cm、試驗水深為80cm時的起動流速 11：卵礫石粒徑為≥、試驗水深為40cm時的起動流速 11：卵礫石粒徑為≥、試驗水深為60cm時的起動流速 12：卵礫石粒徑為≥、試驗水深為80cm時的起動流速 12 134．河道平面流場數(shù)值計算 144．1數(shù)學模型和數(shù)值方法 14 14 基本方程 15 16 19 21 22 224．2計算結(jié)果及分析 23 23 23 25 27 27 29 30 30 32 34 34 36 37 37 39 405．河道剖面流場數(shù)值計算 425．1數(shù)學模型和數(shù)值方法 42 42 43 43 445．2計算結(jié)果及分析 45 45 465．3小結(jié) 506．結(jié)論與建議 507．參考文獻 52摘 要利用室內(nèi)沖刷試驗和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，研究了永定河妙峰山河段生態(tài)治理工程設(shè)計河道的抗沖刷能力。針對設(shè)計河道卵礫石覆蓋層進行了起動流速的試驗，給出了三種粒徑范圍的卵礫石在三種不同水深時的起動流速值。利用平面二維數(shù)學模型對五個設(shè)計河段的水深和流速分布進行了計算，提出了不同計算段內(nèi)易于發(fā)生沖刷破壞的區(qū)域。利用垂向二維數(shù)學模型對跌水前后水流沿流速方向和水深方向的分布規(guī)律進行了研究，結(jié)合試驗成果判斷了渠底卵礫石發(fā)生沖刷破壞的可能性。根據(jù)研究成果，對跌水下游護底長度和河道內(nèi)卵礫石覆蓋層的粒徑選擇提出了工程建議。531．概述永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)工程由干流生態(tài)修復(fù)工程、支流清水河生態(tài)修復(fù)工程和北部新城(軍莊)生態(tài)修復(fù)工程三部分組成。妙峰山段是永定河干流河道生態(tài)修復(fù)工程的重點河段之一，位于北京市門頭溝區(qū)下葦?shù)殡娬镜杰娗f之間。妙峰山段的主要來水為下葦?shù)殡娬镜奈菜?，每?0天左右來水一次，流量為38m179。/s。由于該段河道來水較少且滲漏嚴重，大部分時間處于斷流狀態(tài)，水土流失現(xiàn)象嚴重。為改善河道的整體生態(tài)環(huán)境，湖北省水利勘測設(shè)計院北京分院提出了該河段的生態(tài)修復(fù)治理方案，即重點對視野開闊，游人眾多的下葦?shù)槎?、丁家灘段、妙峰山?zhèn)政府段和陳家莊段河道進行生態(tài)修復(fù)治理；在河道內(nèi)設(shè)置連續(xù)跌水，形成梯級連續(xù)水面；在跌水回水范圍內(nèi)對河道進行“半土半膜”減(防)滲設(shè)計。在兩道跌水間以中心線為界，上游鋪設(shè)壓實壤土，下游鋪設(shè)復(fù)合土工膜。為恢復(fù)河道的自然景觀，保護土/膜減滲設(shè)施，設(shè)計中擬在河床表層鋪設(shè)30cm厚的天然卵礫石。. 設(shè)計渠道的典型橫斷面圖當下葦?shù)殡娬拘沽鲿r，設(shè)計提出的30cm厚卵礫石覆蓋層能否不被沖刷是永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)工程減（防）滲方案成敗的關(guān)鍵問題。為此湖北省水利勘測設(shè)計院北京分院委托中國水利水電科學研究院對永定河山區(qū)河段生態(tài)治理工程河道抗沖刷能力進行分析，主要研究內(nèi)容如下：（1）選取平均粒徑為25mm、50mm、75mm的卵礫石進行起動流速試驗，提出不同粒徑卵礫石的起動流速。（2）建立平面二維數(shù)學模型，計算流量為38m3/s時，五個設(shè)計河段內(nèi)水流的流速分布。根據(jù)流速分布，判斷不同河段上卵礫石沖刷的可能性。 （3）建立垂向二維數(shù)學模型，計算流量為38m3/s時，典型河段上1m高跌水前后不同斷面處的流速分布，判斷河底卵礫石覆蓋層沖刷的可能性。2．基礎(chǔ)資料永定河妙峰山段河道起點為下葦?shù)殡娬境鏊谏嫌喂窐颍短朰70+610）,終點為軍莊（樁號為Y70+610~83+200）。沿途經(jīng)過下葦?shù)榇濉⒍〖覟┐搴完惣仪f等，河道沿線有G109國道和S209省道。河底為卵礫石層，透水性較強?，F(xiàn)狀河道內(nèi)存在多處廢棄采砂坑，設(shè)計中將這些采砂坑適當擴挖，利用采砂坑和跌水形成湖區(qū)進行蓄水。根據(jù)任務(wù)書要求，對五個設(shè)計河段進行了平面流速分布的計算。河段一處于下葦?shù)橹攸c治理段，河段二處于丁家灘重點治理段，河段五處于陳家莊重點治理段。以上三段的設(shè)計原則為：基本維持原河道過流斷面，在原河底寬度基礎(chǔ)上進行減（防）滲處理，兩岸采用生態(tài)魚巢磚和墻壁轉(zhuǎn)護坡，坡比為1:1。河段三和四處于非重點治理段，治理方案為在現(xiàn)狀河底寬度的基礎(chǔ)上，將河道進行適當收窄并下挖出子槽。在不縮小原過流斷面面積的前提下，子槽兩側(cè)采用開挖料填高，子槽走向盡量沿原河勢走向和深泓線位置布設(shè)，子槽邊坡為1：，子槽平均寬度為28m。，這五個設(shè)計河段也是數(shù)值模擬中的計算段.計算段一：下葦?shù)槎?，樁號為Y71+000至Y72+200。該段始于下葦?shù)殡娬疚菜隹?，水流?jīng)1道跌水后分成左右兩支，繞經(jīng)一個河心洲，后再次經(jīng)過4道跌水流至下游。計算段二：丁家灘段，樁號為Y74+500至Y75+350。該段河道相對順直，沿途設(shè)有4道跌水。計算段三：子槽段，樁號為Y76+000至Y76+900。該河段屬于非重點治理段，治理方案為將現(xiàn)有河床適當收窄，并下挖出子槽，子槽內(nèi)設(shè)有4道跌水。該河段水流屬于彎道水流。計算段四：河床最窄段，樁號為Y78+200至Y78+400。該河段河床最窄處不足16m，過水斷面的急劇縮窄使得河道內(nèi)水面壅高，單寬流量增大，是設(shè)計中需要關(guān)注的河段。計算段五：陳家莊段，樁號為Y79+000至Y80+200。該段河道有左右兩個支流，中間為大片灘地。左支流未采取工程措施，僅用1道跌水攔蓄水流；右支流是重點治理段，設(shè)置了4道跌水。河段內(nèi)存在一個河心洲和一個回水區(qū)，水流條件較為復(fù)雜。妙峰山河段河段一河段二河段三河段四河段五 妙峰山河段及五個設(shè)計河段位置為了形成連續(xù)水面，設(shè)計中根據(jù)河道縱坡設(shè)計了29道跌水。跌水形式采用高鍍鋅鉛絲石籠緩坡跌水，上游邊坡為1：1，下游為階梯狀，跌水高出河底1m。跌水內(nèi)部設(shè)置復(fù)合土工膜防滲心墻，心墻上下游堆砌鉛絲石籠，石籠內(nèi)部填充卵礫石，跌水下游護底長10m，起消能和防沖作用。 鉛絲石籠緩坡跌水示意圖. 計算段內(nèi)的跌水布置試驗段名稱跌水名稱樁號底高程（m）底寬（m）備注計算段一（下韋甸段）號跌水Y71+50015053號跌水Y71+76040兩道跌水，左右兩支流號跌水Y71+83440號跌水Y71+96025計算段二（丁家灘段）號跌水Y74+61952號跌水Y74+79167號跌水Y75+11049號跌水Y75+31347計算段三（子槽段）號跌水Y76+13328號跌水Y76+27328號跌水Y76+36028號跌水Y76+85728計算段四（最窄段）號跌水Y78+29716計算段五（陳家莊段）號跌水Y79+33377號跌水Y79+673號跌水Y79+776號跌水Y79+89550號跌水30位于左支線上河道蓄水橫斷面均采用梯形斷面型式，重點治理段過流斷面邊坡為1：1，其他段邊坡按1：。邊坡護砌原則為基本維持河道現(xiàn)狀坡度，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上局部削坡，進行生態(tài)磚護坡。設(shè)計護坡形式有四種，主要采用生態(tài)磚（墻壁磚、魚巢磚、植物生長磚）護坡，局部彎道凹岸處采用高鍍鋅鉛絲石籠護坡。（1）計算段一，在以下幾段，護砌坡度按1:2考慮：下韋甸電站出水口上游的河道左岸、樁號為Y71+211至Y71+421的河道左岸、樁號為Y71+680至Y72+200的河道右岸。其余河段護砌坡度按1:1考慮。（2）計算段二，護砌坡度按1：1考慮。（3）計算段三，兩側(cè)為卵礫石護坡，坡度為1：。（4）計算段四，卵礫石護坡，砌護坡度為1：.（5） 計算段五，Y79+012至Y79+172,Y79+367至Y79+671兩河段內(nèi)有兩段二級迎水坡，坡度為1:2；陳家莊回水區(qū)護砌坡度為1：3；其余河段坡度按1：1考慮。在計算段一中樁號為71+600至71+760的位置，以及計算段五中樁號為79+590至79+670的位置，河道中心位置隆起，存在兩個水面環(huán)繞的河心洲。本次研究中用到的其他基礎(chǔ)資料包括：l 妙峰山河段設(shè)計平面圖；l 妙峰山河段橫斷面圖；l 妙峰山河段縱斷面圖；l 妙峰山河段跌水詳圖和生態(tài)綠化護砌橫斷面圖；l 永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)治理工程妙峰山段初設(shè)說明；l 妙峰山抗沖流速計算資料；l 永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)治理工程河道抗沖刷能力研究工作大綱；l 永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)治理工程施工組織設(shè)計；l 永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)治理工程工程地質(zhì)勘察報告（初設(shè)階段）；l 妙峰山河段現(xiàn)場考察資料等。3．起動流速試驗根據(jù)試驗任務(wù)書要求，對一定粒徑范圍內(nèi)的卵礫石進行沖刷試驗。取卵礫石的位置為永定河丁家灘段。經(jīng)過標準的工程篩進行篩選，試驗所用的卵礫石分為三種粒徑范圍的卵礫石：u 粒徑范圍：~； u 粒徑范圍：~； u 粒徑范圍： ≥。對每種粒徑范圍的卵礫石進行了三種不同水深（60、80cm）時的起動流速試驗，共9種工況。模型由實驗室供水系統(tǒng)供水，模型上游利用8米高水箱來調(diào)節(jié)水流。試驗水槽為矩形斷面，長11m，，%。水槽分為三段，上游段為3m長的過渡段，中間為試驗段，長2m，下游段長6m。進口段前設(shè)