佳縣黃河防洪工程洪水分析與沖刷確定

賀曉玲，劉振燕

1 概況

佳縣東臨黃河，與山西臨縣隔河相望，總土地面積2028 km2。全縣轄8鎮12個鄉27萬人，是中國紅棗名鄉。佳縣城區屬大陸性半濕潤、半干旱氣候，干旱少雨，年平均氣溫8.2℃，年平均降水量384 mm，最大年降水量為1978年的642.3 mm，最小年降水量為1997年的296.2 mm。佳縣白云寺是當地著名景點，每年游客達百萬。寺門前黃河灘上的紅棗林不僅給圣地增添了一份美景，也是峪口鄉五個村唯一的平坦可用耕地。然而，黃河漲水，經常威脅到該區域及沿線公路兩側居民的生命和財產安全。為了營造一個穩定、安詳的生產、生活環境，規劃在佳臨黃河公路大橋以下譚家坪村段修建防洪工程，需對此段洪水及河道沖情況進行分析。

2 工程區防洪現狀及洪水特性分析

2.1 防洪現狀及河勢分析

工程所在河段為府谷～吳堡區間中段偏向下游的黃河干流。河長242 km，河道落差180.3 m，比降0.75‰，寬400～600 m。該段河道主要穿行于晉陜大峽谷之間，山坡陡峭，河道狹窄，河床堆積物一般較薄。干流切深，8條支溝密布，水系發達，河網密度大。兩側入匯支流大都屬于季節性溝道，河谷深切，河床比降大。

擬建工程位于佳縣峪口鄉南河底村東的黃河灘區，工程西靠白云山風景區，東隔黃河與山西省呂梁市臨縣。黃河在本河段內自北向南流動，主流緊靠左岸山腳，近河兩岸多為石山，屬峽谷型河道。左岸為山西臨縣，山體基巖裸露；右岸為佳縣峪口鄉。河道在該段形成左岸沖刷、右岸淤泥的現象，右岸灘地目前寬度在100～300 m左右，為峪口鄉五個村唯一的平坦可用耕地。該段河谷寬約450～740 m，河槽窄深，河床質由砂礫石組成，基巖埋深較小。兩岸山體陡峭，巖石外露。在右岸灘區上游修建有漿砌石堤防工程240 m，該段堤防工程外型為“n”形，高出灘面約5 m。分別于1978年、1989年分兩次修建，目前工程一直運行良好，無損毀現象。

2.2 洪水特性分析

工程位于黃河晉陜峽谷大北干流范圍內，上游最近水文站為1953年7月建成測流的原黃河干流義門水文站，控制流域面積403877 km2；1972年1月由于修建天橋水電站移至下游7 km處的府谷縣城，并更名為黃河府谷水文站，控制流域面積404039 km2。工程下游最近水文站為黃河吳堡水文站，1935年6月建成測流，控制流域面積433514 km2。

府谷～吳堡區間流域面積29475 km2，多年平均降水量423.1 mm，降水量年際變化大，時空分布不均，具有很強的集中性和突發性。吳堡水文站的洪水主要由黃河干流府谷以上洪水和府谷～吳堡區間洪水組成。上游地區的洪水是由大面積、小強度、長歷時的暴雨造成，主要集中在7月和9、10月。受天橋水電站的攔蓄影響，洪水較矮胖歷時長，是府谷～吳堡段洪峰的基流部分。府谷～吳堡段暴雨歷時短、強度大、籠罩面積小，故洪水匯流快、峰型尖瘦、峰高量小、含沙量大。洪水除干流外，主要來自吳堡站以上的窟野河、皇鋪川、孤山川等支流，是洪峰的主體。洪水多為復式峰型，過程歷時長。經統計分析，吳堡站一次較大洪水（洪峰流量大于10000 m3/s）歷時16～68小時，平均33.6小時，漲水歷時為2～21小時，平均8小時。

2.3 工程任務

為了確保佳縣白云寺旅游景區及黃河灘地的安全，規劃在譚家坪建設堤防3180 m，其中：加固改造堤防240 m，新修堤防2940 m，工程防洪標準為30年一遇洪峰。

3 洪水分析

3.1 水文資料分析

吳堡水文站有1935～1937年、1951年至今的實測水文資料。擬建工程處無實測洪水資料，工程區域以上集水面積為429598 km2，為吳堡站控制流域面積的99%。本次工程區域與吳堡水文站僅相距85 km，其間幾乎沒有太大的支流匯入，可以認為兩者集水面積、產匯流條件基本一致。直接采用下游吳堡站洪水成果代表本次工程設計洪水成果，誤差小，且偏安全。因而，可以選用吳堡站設計洪水成果作為工程區域的設計洪水成果。

黃河吳堡水文站于1935年6月建成，以后觀測中斷，解放后又于1952年恢復觀測，至今已有53年的實測資料，實測最大流量是1976年8月2日發生的24000 m3/s，其次為1967年8月10日實測洪峰流量19500 m3/s。該水文站斷面處有4場歷史調查洪水資料：1842年7月23日洪峰流量為32000 m3/s，洪水位646.10 m；1933年7月13日洪峰流量為14000 m3/s，洪水位642.24 m；1946年7月19日洪峰流量為23000 m3/s，洪水位644.27 m；1951年8月15日洪峰流量為11800 m3/s。此站多年平均流量為887.9 m3/s。

3.2 洪水影響分析

在實測系列中，由于系列相對較長，上游黃河干流上又修建了許多大、中型水利樞紐工程和支流上的一些小型工程、流域治理等，這些人類活動的影響是否會造成系列的不一致性，現根據實測資料進行分析說明。由于天橋電站的影響，上游和中游地區的洪水一般是不相遭遇的。1973年編寫的《榆林地區實用水文手冊》中對吳堡站1952～1971年20年資料進行頻率分析計算，其結果為30年一遇洪峰流量20700 m3/s。本次對吳堡站53年長系列實測資料并考慮和歷史洪水進行頻率分析計算，其結果為30年一遇洪峰流量22232 m3/s，長短系列計算成果相差不大。在對天橋水庫進行調洪演算，百年洪水入庫15600 m3/s，出庫洪峰13950 m3/s，對小于水庫限制水位下的泄流量，限制水位830 m，相應泄量10736 m3/s，按穿堂過出庫與入庫流量保持不變。天橋自建成后只有1977年入庫洪峰最大，為11100 m3/s，故可以認為天橋自建成后對下游洪峰影響較小。工程區以下吳堡以上黃河支流雖然多年來進行了一些流域治理，興建了一批小型水利工程，但控制面積較小，削峰作用不大，不會對吳堡站的洪峰有大的影響。歷史調查洪水摘自《榆林地區使用水文手冊》，黃委會匯編，采用水位一流量法線法計算，可靠程度除1842年洪水較可靠外，其余調查洪水均可靠。

綜上所述，人類活動的影響對吳堡站實測洪峰流量的影響較小，說明吳堡水文站實測系列具有一致性。所以選用吳堡站設計洪水成果作為工程區域的設計洪水成果。

3.3 洪水頻率分析

采用工程中常用的目估適線法來確定最佳參數。由于有歷史調查特大洪水資料，所以應加入特大洪水來進行配線，按三點法進行配線。由于資料系列較長，三點的頻率取3%、50%、97%。配線成果如表1、表1。

表1 頻率分析計算參數表

表2 理論頻率曲線配線結果表 單位：m3/s

根據配線結果，在Cv=0.68，Cs=3Cv，20年一遇設計洪峰流量為18940 m3/s，30年一遇設計洪峰流量為21102 m3/s，50年一遇設計洪峰流量為23980 m3/s。1990年修訂已經國務院批準的《黃河治理開發規劃報告》中，吳堡水文站20年一遇設計洪峰流量為19900 m3/s，30年一遇洪峰是22232 m3/s，50年一遇設計洪峰流量為24800 m3/s，與之相比，此次計算值普遍偏小。“清島至銀川高速公路吳堡黃河公路大橋”、“清澗石樓黃河公路大橋”等論證、評價報告均采用了《黃河治理開發規劃報告》中吳堡水文站不同頻率的洪水成果。因此，本次黃河譚家坪村堤防工程也采用此成果，即30年一遇設計洪峰流量為22200 m3/s。

4 河道沖刷分析

佳縣白云山段河道屬于峽谷型河道，兩岸高山相挾，河谷寬600 m左右。主流緊靠左岸，非汛期水面寬130～340 m，水深為3.0～4.2 m，最深處5.6 m，水面比降0.57‰。行洪寬度小、流速大，雖然河勢比較穩定，但隨著河道流量的變化，沿岸頂沖位置難免會上提下挫，特別是彎道段河勢的變化，對直流河段影響更是明顯。因此，要重視頂沖段護根工程的深度和寬度，也要重視平順河段的護根工程設計。工程所在河段地處峽谷型河道“S”彎道中，河谷寬約450～740 m，河槽窄深，河床質由砂礫石組成，基巖埋深較小。兩岸山體陡峭，巖石外露。工程場區基巖地層主要為中生代侏羅紀砂巖地層。基巖的天然容重為2.2～2.6 g/cm3，比重 2.6～2.75 g/cm3，滲透系數 3.8×10-3～4.06×10-5m/d，承載力300～800 kPa，與漿砌塊石的摩擦系數為0.4，具有很強的防沖刷性。

沖刷坑深度主要取決于河流的洪水流量、流速、流勢及河床質粒徑。本次設計采用《堤防工程設計規范》附錄D公式進行計算。

①水流平行于岸坡產生的沖刷深度由下式計算：

式中：hB為從水面算起的局部沖刷深度，m；hp為沖刷處的水深，m；Vcp為平均流速，m/s；V允為河床面允許不沖流速，m/s，按中砂取0.7 m/s；n為系數，取1/4。

經計算 Δhp＝0.744 m。

②水流斜沖護岸坡產生的沖刷按《堤防工程設計規范》推薦的公式：

式中，Δhp為從河底算起的局部沖刷坑深度，m；Vj為水流的局部沖刷流速取值5.83 m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；d為坡腳處土壤計算粒徑cm，取0.55 cm；α為水流與岸坎的交角，取30°；m為防護建筑物的邊坡系數，取m=0.6。

計算得局部沖刷坑深度△hp＝4.73 m。

比較水流平行于岸坡產生的沖刷深度和水流斜沖護岸坡產生的沖刷深度，取△hp＝5 m。該段河道覆蓋層不厚，覆蓋層以下為基巖，洪水對基巖的沖刷相對很小，故只考慮到基巖面上。設計的堤防基礎應全部放在新鮮的基巖面上并嵌入基巖1 m深度，這樣可保證堤防基礎免受沖刷破壞。

5 結語

佳縣白云寺河段缺乏實測水文資料，通過對下游吳堡水文站的監測資料和區間洪水的分析，提出工程防洪標準取30年一遇洪水為宜，以吳堡水文站設計洪水成果作為工程區域的設計洪水成果。根據工程區地質和河勢、洪水情況，計算出河道沖刷深度為5 m，提出設計的堤防基礎應全部放在新鮮的基巖面上并嵌入基巖1 m深度，以確保堤防建設安全。工程建成后，多年平均防洪效益為703.05萬元。