大同市御河生態(tài)濕地工程洪水影響分析

范 源

（山西水利發(fā)展研究中心，山西 太原 030002）

1 流域及水文概況

御河是海河流域永定河水系桑干河的一級支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)豐鎮(zhèn)市西北部的三義泉鄉(xiāng)三岔河村，內(nèi)蒙古境內(nèi)稱飲馬河，由北向南流經(jīng)豐鎮(zhèn)，于新榮區(qū)堡子灣鄉(xiāng)姜村流入大同市境內(nèi)，流域面積5 016 km2，干流全長148 km，其中大同市境內(nèi)干流長69.2 km，流域面積2 613 km2，流域平均縱坡3‰，在大同市南部的吉家莊村匯入桑干河。流域內(nèi)為典型的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。最大年降水量為675 mm（1959年），最少年降水量為194.1 mm（1965年），年均蒸發(fā)量1 152.1 mm。

2 地質(zhì)情況

工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度為Ⅶ度。鋼閘壩場地土的類型屬中硬土，場地類別為I類，場地屬對建筑抗震有利地段。工程區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深1.50 m，最大凍深1.86 m。河道淺層①礫石為強透水層，其可作為護岸擋墻基礎(chǔ)持力層，承載力220～240 kPa，內(nèi)摩擦角32°。本次御河重點治理河段地下水位埋深多在1.0～2.0 m，地下水主要接受地表水流及排污水和大氣降水的入滲補給，變化整體向下游補給排泄。河道水對混凝土具硫酸鹽型弱腐蝕性。工程段砂巖產(chǎn)狀平緩，無斷裂、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造。

根據(jù)《山西省地表水資源》資料分析，工程區(qū)域的年徑流主要由大氣降水產(chǎn)生。6～9月為夏汛期，徑流量占年徑流總量的60%～70%，一般在3月下旬至4月上旬為春汛期，徑流量占年徑流量的比值一般小于10%，11～12月和次年1～2月為枯水期，徑流量占年徑流總量的5%～10%，4月中旬至5月和10月，分別為枯水至豐水和豐水至枯水的過渡期。徑流的年際變化較大。

御河流域的洪水由暴雨形成，暴雨主要發(fā)生在每年的6～9月份。根據(jù)《山西省暴雨普查資料》和《山西省場次洪水分析》等資料的統(tǒng)計分析，造成本流域大洪水的暴雨地面天氣系統(tǒng)主要是臺風(fēng)、華北氣旋、蒙古氣旋和江淮氣旋。據(jù)孤山水文站1953—2013年資料統(tǒng)計，最大洪峰流量為2 020 m3/s（1967年），最小洪峰流量為9.3 m3/s（2007年），兩者的比值達217倍。

3 河道歷史演變

根據(jù)本河段河道前期演變情況，預(yù)測未來主河槽的擺動明顯受控于兩岸河堤和來水量的大小；隨來水來沙的不同，沖刷和淤積情況均有發(fā)生，總趨勢是淤積量增加。小水時，水流基本穩(wěn)定在主槽內(nèi)，平面變形比較小，但水流流速小，容易產(chǎn)生淤積。大水時水流流速加大，河床的縱向變形將加劇；本河段堤防標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，溢流潰壩，水面加寬，但根據(jù)地形情況，水流主線仍在現(xiàn)狀河道內(nèi)，主槽大幅擺動可能性較小。

4 壅水分析

天然河道興建阻水建筑物后，除引起行洪斷面面積的減小外，還會由于阻水建筑物造成水流邊界形狀的突然改變，使邊界層發(fā)生離體并產(chǎn)生漩渦，形成建筑物前壅水。新建滾水壩和鋼壩閘，造成水工建筑物前壅水后將產(chǎn)生回水。

4.1 壅水高度計算

在計算通過設(shè)計流量情況下的壅水高度Δh（h=hhs）時，首先確定建筑物前的總水頭，hs為堰頂以上的下游水深，h為堰頂以上的堰前水深。

經(jīng)計算，上游最大水位977.20 m。下游最大水位977.00 m。壅水高度為0.20 m。滾水壩設(shè)計洪水位977.0 m，下游水位976.0 m，壅水高度為1.0 m。

4.2 回水長度計算

回水曲線全長按下列公式計算：

式中：Ly——回水曲線全長，m；

ΔZM——最大壅水高度，m；

I0——河段天然水面坡度，取河道比降。

計算結(jié)果見表1。

表1 壅水計算結(jié)果

從表1可以看出，滾水壩和鋼壩閘因壅水產(chǎn)生的回水較短，上游無其他水利設(shè)施，不會對回水范圍內(nèi)的上游設(shè)施產(chǎn)生任何影響。本建設(shè)工程其他水利設(shè)施不在主槽內(nèi)，洪水來臨時，不會形成壅水。

4.3 淹沒影響分析計算

根據(jù)御河生態(tài)濕地工程建設(shè)可行性研究報告中新建攔水閘采用鋼壩閘，閘孔凈寬為1×30 m，閘頂高程976.0 m，閘門頂高程977.0 m，由上游鋪蓋段、閘室段、下游消力池段及海漫段組成。水閘正常行洪設(shè)計水位977.0 m，底板高程974.0 m。

閘孔過流能力按《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）中堰流公式計算，計算公式為：

式中：B0——閘孔總凈寬，m；

Q——過閘流量；

H0——計入行進流速水頭的堰上水深；

g——重力加速度，取9.81m/s；

ε——堰流側(cè)收縮系數(shù)，取0.95；

σ——堰流淹沒系數(shù)，閘前最高水位時取1.0；

m——堰流流量系數(shù)。

擬定閘孔為1孔，凈寬30 m，經(jīng)復(fù)核，正常最大過流能力為275.651 m3/s。

為減少鋼壩閘的頻繁起落，設(shè)計允許壩頂在一定水深范圍內(nèi)溢流，溢流水深最大控制在0.6 m，溢流水位為976.60 m。

新建滾水壩采用混凝重力壩，壩長30 m，壩頂高程976.0 m，兩側(cè)擋墻頂高程977.0 m，由上游鋪蓋段、壩身段、下游消力池段及海漫段、防沖槽組成。水閘正常行洪設(shè)計水位977.0 m，底板高程974.50 m。

壩頂最大溢流量按自由堰流計算。計算公式如下：

式中：m——流量系數(shù)，薄壁型實用堰，經(jīng)計算得0.4；

b——壩頂以上過水?dāng)嗝娴膶挾龋?0 m；

ε——側(cè)收縮系數(shù)，采用0.96；

H溢——不計行進流速水頭的堰上水頭，取0.6 m；

經(jīng)計算，鋼壩閘壩頂最大溢流量為23.9 m3/s。超過該流量，應(yīng)采取塌壩措施。新建滾水壩最大流能力為48.68 m3/s。

建設(shè)項目20年一遇洪峰流量為1 394 m3/s。遠大于鋼壩閘最大過流能力275.65 m3/s，壩頂塌壩流量23.9 m3/s與滾水壩流量48.68 m3/s之和。因此，20年一遇洪峰流量來臨時，洪水將漫過鋼壩閘和滾水壩進行溢流，多余洪水量1 045.77 m3/s需從河道右岸進行泄洪，才能使洪水正常通過。

5 沖刷與淤積影響分析計算

水工建筑物建成后會在建筑物各腳點處引起河床的變形，即由于束窄河床引起的一般沖刷和建筑物阻水改變水流結(jié)構(gòu)引起的局部沖刷。

5.1 主槽防沖刷計算：

墻基沖刷有縱向沖刷和斜向沖刷兩種情況，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286—2013），平順護岸沖刷深度公式如下：

式中：hs——局部沖刷深度，m；

H0——沖刷處的水深，m；

Ucp——近岸垂直平均流速，m/s；

U——行近流速，m/s，根據(jù)主槽水力計算成果，取最大流速3.5 m/s。

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取1/4。

η——水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表D.2.2采用；

d50——床沙的中值粒徑，m；

γs———泥沙的容重，kN/m3；

γ——水的容重，kN/m3。

經(jīng)計算：順向沖刷深度為0.6～1.0 m，故順向沖刷埋深取1.0 m；斜向沖刷深度30°以內(nèi)，沖刷深度為0.9～1.18 m，故30°以內(nèi)的斜沖基礎(chǔ)埋深取1.2 m；斜向沖刷深度30°以上，沖刷深度為1.2～1.46 m，30°以上的斜沖基礎(chǔ)埋深取1.5 m。設(shè)計主槽斷面尺寸和形式滿足10年一遇洪水要求。

5.2 鋼壩閘和滾水壩海漫沖刷深度

海漫沖刷深度采用以下公式計算：

式中：dm——海漫末端河床沖刷深度，m；

qm——海漫末端單寬流量，m2/s；

[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速，取0.81，m/s；

hm——海漫末端水深，m。

經(jīng)計算，鋼壩閘下游沖刷深度0.7 m，海漫末端不設(shè)防沖槽，設(shè)1.5 m深齒墻。設(shè)計鋼壩閘海漫斷面尺寸和形式滿足10年一遇洪水要求。

滾水壩下游沖刷深度1.333 m，海漫末端設(shè)防沖槽，設(shè)1.5 m深防沖槽。滾水壩海漫斷面尺寸和形式滿足10年一遇洪水要求。

渠道不淤流速經(jīng)驗公式：V不淤=C×R0.5，式中，C為不淤流速系數(shù)，取0.65；R為水力半徑，取2.36 m。根據(jù)主槽水力計算成果，最大行進流速為3.5 m/s，遠大于不淤流速1.0 m/s。因此，一般不會存在淤積的現(xiàn)象。

6 河道行洪影響分析

本項目在河道上新建滾水壩和鋼壩閘，將造成水工建筑物前壅水。雖然產(chǎn)生壅水和回水，但滾水壩和鋼壩閘的建設(shè)不影響河道行洪。因此，壅水產(chǎn)生的回水不會對周邊設(shè)施產(chǎn)生任何影響。御河生態(tài)濕地工程其他水利設(shè)施不在主槽內(nèi)，洪水來臨時，不會形成壅水。因主槽右岸無任何建筑物，且地勢低于左岸，洪水出槽后將形成漫灘，因此，這些建筑物雖產(chǎn)生一定的壅水，但對行洪影響很小。

7 結(jié)論

本項目在河道上新建滾水壩和鋼壩閘，通過壅水分析，滾水壩和鋼壩閘建設(shè)不會影響河道行洪要求。水工建筑物軸線布設(shè)與水流基本平行，挑流較小，對河道沖刷影響較輕，項目建設(shè)對河勢穩(wěn)定的影響較小。沉砂池、曝氣濾池等建筑物最低高程均低于設(shè)計水位，但因主槽右岸無任何建筑物，且地勢低于左岸，洪水出槽后將形成漫灘，因此，這些建筑物雖產(chǎn)生一定的壅水，但對行洪影響很小。目前，河道兩岸無堤防以及其它防洪工程，因此生態(tài)濕地工程的建設(shè)對防洪工程不存在影響。