利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法与流程

本发明属于山区河流淤积河段防灾减灾领域，涉及利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法。
背景技术：
：近年来，中国西南山区河流沟床聚集了大量的松散堆积物质，在降雨等因素的影响下，大量的松散堆积物质常以崩塌、滑坡、泥石流等形式进入支沟，改变了干流河道的泥沙补给条件。干支河流受不同河段输沙能力的影响，导致局部河段发生淤积，降低了河流的泄洪输沙能力。山区河流河谷狭窄，泥沙淤积会造成河床抬高，水位急剧增加，严重威胁两岸防洪安全。以岷江支流龙溪河为例，在2010年8月13日，受强降雨过程影响，大量泥沙由麻柳沟汇入干流河道，致使龙池镇河段抬高3～8m，水位激增，龙池镇遭到严重破坏。若能有效缓解山区河流淤积河段泥沙淤积，进而避免因泥沙淤积造成的水位抬高致灾，对提高山区河流的防洪能力具有重要意义。但是，针对山区河流淤积河段在汛期支流强沙量条件下造成的干支流交汇段淤堵引起的水位抬高致灾，目前尚未见经济有效的减灾措施的报道。因此，若能开发出能有效减小淤积河段的来沙量与来沙强度，调节河床淤积范围，降低山区河流的洪灾水位的防洪减灾方法，对于提高山区河流的泄洪能力和山区河流两岸的防洪能力将产生重要积极的意义。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法，以提高山区河流干支流交汇淤积段在支流强来沙条件下的泄洪能力，为山区河流淤积河段的防灾减灾提供新的思路。本发明提供的利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法，包括以下步骤：(1)选定需要进行边滩漂石调沙的干支交汇处的干流河段作为目标河段，目标河段为陡缓衔接河段，陡缓衔接河段的上游河段的沟床比降大于下游河段的沟床比降，干支流交汇处的支流的沟床比降大于陡缓衔接河段的上游河段的沟床比降；(2)勘测目标河段在干支流交汇处的泥沙淤积体的位置；(3)在目标河段的上游河段的左岸边滩和右岸边滩上交错布置漂石，将布置在最上游的漂石记作第一漂石，除第一漂石之外，将布置在左岸边滩的漂石记作第二漂石，将布置在右岸边滩的漂石记作第三漂石，第一漂石位于干支流交汇口以及目标河段的干支流交汇处的泥沙淤积体的上游。上述利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法的技术方案中，任意一个第二漂石和与该第二漂石相邻的两个第三漂石之间的距离均为该第二漂石所处位置河宽的1.5～3倍。上述利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法的技术方案中，第一漂石的尺寸优选为第一漂石所处位置河宽的15％～30％，第二漂石的尺寸优选为各第二漂石所处位置河宽的15％～30％，第三漂石的尺寸优选为各第二漂石所处位置河宽的15％～30％。漂石的选择应避免采用形态扁平的漂石，漂石的尺寸是指漂石上相隔最远的两点之间的距离。上述利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法的技术方案中，在目标河段的上游河段布置的漂石至少为4个。上述利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法的技术方案的步骤(2)中所述目标河段在干支流交汇处的泥沙淤积体，是指在布置漂石之前本来就存在于干支流交汇区的泥沙淤积体。上述利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法的技术方案中，第一漂石位于干支流交汇口以及目标河段的干支流交汇处的泥沙淤积体的上游，第二漂石和第三漂石均位于目标河段的干支流交汇处的泥沙淤积体的下游。优选地，第一漂石位于目标河段的干支流交汇处的泥沙淤积体最上游的边缘处。在实际应用中，漂石的选择和布置应尽量遵循天然河道的实际情况，在作为目标河段的天然河道的左岸或右岸边滩中已经存在漂石的情况下，应尽可能地利用已有漂石，在已有漂石的基础上增加新的漂石来达到上述布置距离的要求，对于漂石尺寸选择而言，主要原则就是从就近区域选择尺寸复合要求的漂石。在作为目标河段的天然河道不存在漂石的情况下，从就近区域选择尺寸复合要求的漂石按照上述布置距离的要求进行布置即可。与现有技术相比，本发明的技术方案产生了以下有益的技术效果：1.本发明提供了利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法，该方法通过在干支流交汇区的干流的左岸边滩和右岸边滩中布置漂石来调节泥沙向干流下游的输移过程，具体表现在：通过边滩漂石来延长干流下游河道的来沙时间、降低泥沙补给强度，通过边滩漂石来降低下游河道的来沙量，通过边滩漂石来改变干流中的泥沙的输移路径，使泥沙在向下游运动过程中主要从干流河道中心通过，以防止泥沙在河道干流两岸的淤堵。通过发挥边滩漂石上述的一种或多种作用，减少泥沙在干流河道下游落淤，进而避免因泥沙在干流河道、特别是在干流河道沟床比降更低的下游河段淤落并迅速溯源发展造成下游局部河段水位快速增加，起到对淤积河段的防洪减灾效果。2.本发明的方法利用天然漂石来调节泥沙输移，起到对干支流交汇淤积河段的高水位致灾的防治作用，天然漂石在西南山区河流中广泛分布，取材方便，有利于降低防洪成本。3.通过本发明的方法可以使干流下游河道的来沙强度或/和沙量与有效度降低，进而使泥沙淤积范围得到有效控制，并降低河道水位，可以有效提高干流河道两岸的防洪能力。附图说明图1是验证cfd-dem耦合模型的适用性与准确性的数值模拟结果与理论公式计算结果对比图。图2是实施例和对比例中构建的模型的示意图。图3是实施例和对比例中采用的泥沙的粒径分布图。图4是对比例1在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，不同时刻干支流交汇处的堆积体的冲淤变化情况，其中，(a)、(b)、(c)、(d)图分别代表第10s、15s、20s和25s时泥沙在干流和支流中的流速分布以及泥沙的速度分布情况。图5是对比例1。在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，不同时刻泥沙向河道下游的运动情况，其中，(a)、(b)、(c)图分别代表第4s、8s和12s在干流和支流中的运动速度和位置分布情况。图6是实施例1的两种漂石布置方式的示意图。图7是实施例1在支流来沙来量为2kg的条件下，采用第一种漂石布置方式时不同时刻泥沙向河道下游的运动情况，其中，(a)、(b)、(c)图分别代表第4s、8s和12s在干流和支流中的运动速度和位置分布情况。图8是在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石和采用第一种漂石布置方式时通过平距3.5m和5m典型断面的泥沙质量随时间的变化曲线。图9是在支流来沙量为1.5kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石和采用第一种漂石布置方式时通过平距3.5m和5m典型断面的泥沙质量随时间的变化曲线。图10是在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石和采用第一种漂石布置方式时通过平距3.5m和5m典型断面的泥沙质量随时间的变化曲线。图11是在支流来沙量为2kg、计算流量为2.1l/s的条件下，未设置漂石和采用第一种漂石布置方式时通过平距3.5m和5m典型断面的泥沙质量随时间的变化曲线。图12是在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石和采用第一种漂石布置方式时干支流交汇处的堆积体的体质量随时间的变化情况。图13是在支流来沙量为1.5kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石和采用第一种漂石布置方式时干支流交汇处的堆积体的体质量随时间的变化情况。图14是在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石和采用第一种漂石布置方式时干支流交汇处的堆积体的体质量随时间的变化情况。图15是在支流来沙量为2kg、计算流量为2.1l/s的条件下，未设置漂石和采用第一以及第二种漂石布置方式时干支流交汇处的堆积体的体质量随时间的变化情况。图16是在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s的条件下无漂石来沙时的水面线、漂石间距为0.3m来沙时的水面线以及无来沙条件的水面线。图17是在支流来沙量为1.5kg、计算流量为1.6l/s的条件下无漂石来沙时的水面线、漂石间距为0.3m来沙时的水面线以及无来沙条件的水面线。图18是在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下无漂石来沙时的水面线、漂石间距为0.3m来沙时的水面线以及无来沙条件的水面线。具体实施方式以下通过实施例对本发明提供的利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述
发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。以下各实施例和对比例中，基于cfd-dem耦合模型对山区河道中的滑坡堵江过程进行数值计算，重点分析和讨论边滩漂石对易淤河段泥沙输移量、泥沙运动路径以及沿程水位的影响。在计算之前要对cfd-dem耦合模型的适用性与准确性进行验证。参考zhaot,daif,xunw.coupleddem-cfdinvestigationontheformationoflandslidesdamsinnarrowrivers.landslides,2017,14(1):189-201中的验证方法，以粒径为0.1m、密度为2650kg/m3的泥沙颗粒在水中的沉降过程为例对计算模型进行验证。单颗球形泥沙颗粒在水中的沉降过程可以用方程(ⅰ)来描述：方程(ⅰ)中：r为泥沙颗粒的半径，ρs为泥沙颗粒的密度，ρf为流体的密度，cd为拖曳力系数，ur为泥沙颗粒与流体的相对速度。数值计算结果与理论公式计算结果的对比情况如图1所示，从图1中可以看到在沉降过程中，泥沙颗粒受到的拖曳力逐渐增加，泥沙颗粒的加速度逐渐降低，泥沙颗粒的运动速度呈现出先增大而后趋于稳定的变化趋势，泥沙颗粒最终的稳定速度为3m/s。对比图1中的数值计算与理论计算结果，发现二者吻合较好，说明通过cfd-dem耦合模型来计算泥沙颗粒在水流中的运动问题是可行的。以下对比例和实施例中，采用cfd-dem耦合模型来计算泥沙颗粒在水流中的运动过程时采用的相关计算参数如表1所示。表1相关计算参数dem计算参数数值cfd计算参数数值颗粒密度,ρs(kg/m3)2650流体密度,ρf(kg/m3)1000滚动摩擦系数,μr0.1流量,q(l/s)[1.6,2.1]滑动摩擦系数,μs0.4流体动力粘度,μ(pa·s)10-3碰撞恢复系数,e0.3cfd时间步长,δtf(s)10-3杨氏模量,e(pa)5×106耦合频率100dem时间步长,δts(s)10-5对比例1本对比例中，考察在不布置漂石的情况下，从支流进入干流的泥沙在干流河道中的淤积情况。考虑到山区河流具有大比降、陡缓交替的特点，因而采用沿程河床变坡衔接模拟。本对比例以某山区河流的干支流交汇区的实际河段为原型构建模型，该模型与实际河段的比尺为1:300，干流和支流均采用水槽搭建而成，干流由沟床比降不同的上游河段和下游河段衔接而成，上游河段的沟床比降为5％、长度为3.2m，下游河段的沟床比降为1％、长度为4.5m，构成干流的水槽的宽度为0.2m、深度为0.1m，支流的沟床比降为50％，支流的长度为0.56m，构成支流的水槽的宽度为0.1m、深度为0.1m，该模型中，该模型中的干流在距离上游端平距为1.5m处与支流衔接，支流与干流的交汇角为90°，具体情况如图2所示。由于山区流域松散坡体组成一般为砾卵石宽级配泥沙，根据实际勘测情况，同时考虑到该模型与原型的比尺关系，本对比例采用非均匀松散泥沙模拟山区流域松散坡体，泥沙的级配情况如图3所示。在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s，支流来沙量为1.5kg、计算流量为1.6l/s，支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s，支流来沙量为2kg、计算流量为2.1l/s这四个条件下，采用cfd-dem耦合模型模拟不同时刻泥沙在水流中的运动情况。在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，不同时刻干支流交汇处的堆积体的冲淤变化情况如图4所示，图4的(a)、(b)、(c)、(d)图分别代表第10s、15s、20s和25s时泥沙在干流和支流中的流速分布以及泥沙的速度分布情况。在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，不同时刻泥沙向河道下游的运动情况如图5所示，图5的(a)、(b)、(c)图分别代表第4s、8s和12s在干流和支流中的运动速度和位置分布情况。由图4可知：在水流冲刷下，干支流交汇处的堆积体靠近上游位置的泥沙率先起动，随着时间的推移，大量泥沙在水流作用下开始向河道下游输移，颗粒的起动位置也从河道中心向河道边缘缓慢移动，当水流从干流的上游河段进入下游河段后，由于沟床比降减小，会发生水跃现象，在水跃的影响下，水流流速会显著降低，泥沙便会在干流河道的上游河段与下游河段的衔接位置(沟床比降发生变化的位置)附近发生落淤。在水流的持续冲刷下，干支流交汇处的堆积体的体积逐渐减小，输运到下游河段的泥沙质量逐渐增大，淤积会不断地向上游溯源发展。由图5可知：在水流的冲刷下，泥沙的起动位置从河道中心向岸边逐渐发展，这导致了下游河道的泥沙补给条件空间分布不均匀。在泥沙运动的初始阶段，河道左侧的泥沙浓度远高于河道右侧，随着时间的推移，泥沙会在输移的过程中不断调整，高浓度区的泥沙向低浓度区逐渐扩散，泥沙逐渐较均匀地向河道下游运动。实施例1本实施例中，详细说明本发明提供的利用边滩漂石调沙的支流强来沙条件下干支交汇淤积段高水位致灾防治方法。按照对比例1中的方法构建如图2所示的模型，并按照如图6的(a)图和(b)图的布置方式在干流的上游河段布置漂石。通过在干流上游河道的边滩布设漂石的方法来调节泥沙向下游输移，以减少泥沙在干流河道下游落淤。针对两种漂石布置方式，在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s，支流来沙量为1.5kg、计算流量为1.6l/s，支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s，支流来沙量为2kg、计算流量为2.1l/s这四个条件下，分别采用cfd-dem耦合模型模拟不同时刻泥沙在水流中的运动情况。第一种漂石布置方式：在干流左岸边滩布置一个第一漂石，第一漂石位于干支流交汇口的上游且位于在无漂石情况下支流来沙在干支流交汇处形成的泥沙淤积体最上游的边缘处(淤积体的位置根据对比例1进行确定)，在第一漂石的下游、干支流交汇处的堆积体的下游的左岸边滩布置两个第二漂石，在干支流交汇处的堆积体的下游的右岸边滩布置三个第三漂石；第二漂石和第三漂石的呈交错布置，即位于左岸边滩的任意一个第二漂石均处于位于右岸边滩的两个相邻第三漂石之间的干流河道中；第一漂石、第二漂石和第三漂石的尺寸均约为4cm，即约为干流河宽的20％；任意一个第二漂石和与该第二漂石相邻的两个第三漂石之间的距离均约为干流河宽的1.5倍，也就是任意一个第二漂石和与该漂石相邻的两个第三漂石之间的距离均约为0.3m。如图6的(a)图所示。第二种漂石布置方式：在干流左岸边滩布置一个第一漂石，第一漂石位于干支流交汇口的上游位于在无漂石情况下支流来沙在干支流交汇处形成的泥沙淤积体最上游的边缘处(淤积体的位置根据对比例1进行确定)，在第一漂石的下游、干支流交汇处的堆积体的下游的左岸边滩布置一个第二漂石，在干支流交汇处的堆积体的下游的右岸边滩布置两个第三漂石；第二漂石和第三漂石的呈交错布置，即位于左岸边滩的任意一个第二漂石均处于位于右岸边滩的两个相邻第三漂石之间的干流河道中；第一漂石、第二漂石和第三漂石的尺寸均约为4cm，即约为干流河宽的20％；任意一个第二漂石和与该第二漂石相邻的两个第三漂石之间的距离均约为干流河宽的3倍，也就是任意一个第二漂石和与该漂石相邻的两个第三漂石之间的距离均约为0.6m。如图6的(b)图所示。在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，采用第一种漂石布置方式时不同时刻泥沙向河道下游的运动情况如图7所示，图7的(a)、(b)、(c)图分别代表第4s、8s和12s在干流和支流中的运动速度和位置分布情况。从图7可以看出干流左岸边滩和右岸边滩漂石的存在既降低了水流对干支流交汇处的堆积体的冲刷，又阻碍了泥沙向下游输移，这导致干流下游河道的来沙量明显降低。同时，对比图5可知，在干流左岸边滩和右岸边滩布置漂石后，对泥沙的输移路径产生了显著的影响，泥沙在向下游运动过程中主要从干流河道中心通过，可有效防止泥沙在干流河道两岸的淤堵。选取与干流上游端平距为3.5～5m的范围的干流河段作为保护河段，在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石(对比例1)和本实施例采用第一种漂石布置方式时通过平距3.5m和5m典型断面的泥沙质量随时间的变化曲线如图8所示。在支流来沙量为1.5kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石(对比例1)和本实施例采用第一种漂石布置方式时通过平距3.5m和5m典型断面的泥沙质量随时间的变化曲线如图9所示。在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石(对比例1)和本实施例采用第一种漂石布置方式时通过平距3.5m和5m典型断面的泥沙质量随时间的变化曲线如图10所示。在支流来沙量为2kg、计算流量为2.1l/s的条件下，未设置漂石(对比例1)和本实施例采用第一种漂石布置方式时通过平距3.5m和5m典型断面的泥沙质量随时间的变化曲线如图11所示。从图9～图11中可以看出：当干流河道中未布置无漂石时，通过平距3.5m典型断面的泥沙质量与平距5m典型断面的泥沙质量差异明显，且通过平距3.5m典型断面的泥沙质量要远大与通过平距5m典型断面的泥沙质量，这说明未设置漂石时在保护河段区间有大量泥沙淤积。当在干流河道中布置漂石后，通过平距3.5m典型断面的泥沙质量的峰值明显降低，大幅度的延长了干流下游河道的来沙时间，从而有效降低了泥沙补给强度。在干流河道中布置漂石后，对比通过平距为3.5m典型断面和5m典型断面的泥沙质量可以发现二者的差异很小，这说明在干流河道中设置漂石后，在保护河段内落淤的泥沙量很少。在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石(对比例1)和本实施例采用第一种漂石布置方式时干支流交汇处的堆积体的体质量随时间的变化情况如图12所示。在支流来沙量为1.5kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石(对比例1)和本实施例采用第一种漂石布置方式时干支流交汇处的堆积体的体质量随时间的变化情况如图13所示。在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下，未设置漂石(对比例1)和本实施例采用第一种漂石布置方式时干支流交汇处的堆积体的体质量随时间的变化情况如图14所示。在支流来沙量为2kg、计算流量为2.1l/s的条件下，未设置漂石(对比例1)和本实施例采用第一以及第二种漂石布置方式时干支流交汇处的堆积体的体质量随时间的变化情况如图15所示。从图12可以看出：在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s的条件下，在干流左岸边滩和右岸边滩按照第一种方式布设漂石对于干流下游河道的来沙总量并无显著影响，但是布设漂石使得堆积体质量变化率明显降低。对比图13和图14可知：在计算流量为1.6l/s的条件下，支流来沙质量越大，漂石对于堆积体的固沙作用越显著。以沟道来沙量2kg为例，在设置间距为0.3m的漂石后，只有0.33kg的泥沙输移到了干流河道的下游，约占支流来沙量的16.5％。对比图14和图15可知：由于流量的增加导致水流的挟沙能力大幅度的增大，尽管2kg的泥沙均被水流输送到了干流河道下游，但是漂石的布设延长了干流下游河道的来沙时间，进而降低了干流下游河道的来沙强度，且漂石间距越小，延长下游河道来沙时间的效果越好。图16绘制了在支流来沙量为1kg、计算流量为1.6l/s的条件下无漂石来沙时的水面线、漂石间距为0.3m来沙时的水面线以及无来沙条件的水面线。图17绘制了在支流来沙量为1.5kg、计算流量为1.6l/s的条件下无漂石来沙时的水面线、漂石间距为0.3m来沙时的水面线以及无来沙条件的水面线。图18绘制了在支流来沙量为2kg、计算流量为1.6l/s的条件下无漂石来沙时的水面线、漂石间距为0.3m来沙时的水面线以及无来沙条件的水面线。由图16～18可知：当挟沙水流从沟床比降较大的干流上游河段进入沟床比降较小的下游河段后，由于沟床比降变化，水流的运动速度会显著降低，进而导致泥沙落淤。在上游泥沙的持续补给下，泥沙淤积会迅速的溯源发展，在局部水跃、河床升高的共同作用下会导致河流水位快速增加，严重时甚至出现漫滩。干流左岸边滩和右岸边滩漂石的存在可以通过调节干流下游河道的泥沙补给量、泥沙补给强度来降低下游河段的泥沙淤积范围，降低河床淤积厚度，进而降低下游河段的河道淤积水位。以图17为例，从图17可以看出在无漂石时，保护河段中的淤积最大水深约为无来沙清水条件水深的3倍，而在干流的左岸边滩和右岸边滩布置漂石后，保护河段的水面线与无来沙清水条件水面线并无较大差异，这也说明了在干流的左岸边滩和右岸边滩布设漂石对于淤积河段的防洪减灾具有突出效果。当前第1页12