北江大堤西南歷史險(xiǎn)段整治效果分析

張廣傳，李海彬,黃 東,劉畫(huà)眉，練偉航

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635)

北江大堤是全國(guó)七大重點(diǎn)堤圍之一，是廣東省最重要的堤圍。大堤的防洪安全直接關(guān)系到廣東經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展，捍衛(wèi)著廣州、佛山、清遠(yuǎn)3市14個(gè)縣(區(qū))、2 000多萬(wàn)人口、100多萬(wàn)畝耕地和2萬(wàn)多億元國(guó)民生產(chǎn)總值，以及白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)、京廣鐵路、武廣高鐵、京珠高速等重要設(shè)施的防洪安全。北江大堤西南段位于北江下游新沙洲河段左汊，三水區(qū)西南水閘上游，起訖樁號(hào)為51+893～53+550(新樁號(hào))，全長(zhǎng)1 657 m。該堤段為迎流頂沖、深槽迫岸堤段，且堤基為透水地基，易發(fā)生崩岸、裂縫、滑坡等，屬于歷史險(xiǎn)段。堤內(nèi)為三水市區(qū)，房屋密集，搶險(xiǎn)條件極差[1-3]。

北江大堤加固達(dá)標(biāo)工程已于2008年底完工，強(qiáng)透水堤基滲漏問(wèn)題經(jīng)過(guò)加固達(dá)標(biāo)工程的截滲壓滲減壓處理后，已基本滿足設(shè)計(jì)要求[4-5]。為了解決迎流頂沖造成堤岸失穩(wěn)的問(wèn)題，西南河段采取了拋石、模袋混凝土防護(hù)、擴(kuò)挖河汊、魚(yú)嘴導(dǎo)堤控制、拆除丁壩等工程措施。由于河床是不斷變化的，沖刷與淤積交替出現(xiàn)，北江大堤達(dá)標(biāo)加固工程實(shí)施后，尚未遭遇設(shè)計(jì)頻率100年一遇洪水，迎流頂沖河段特別是西南河段的整治效果及穩(wěn)定情況備受社會(huì)各界關(guān)注。

根據(jù)馬興瑞省長(zhǎng)2017年4月10日現(xiàn)場(chǎng)檢查北江大堤防汛備汛工作時(shí)提出的對(duì)北江大堤可能存在隱患的歷史險(xiǎn)段進(jìn)行排查，確定堤圍的安全性的指示精神(簽報(bào)201700154)，本文對(duì)北江大堤西南險(xiǎn)段開(kāi)展分析研究，對(duì)其整治效果進(jìn)行評(píng)估，分析其變化趨勢(shì)，為西南險(xiǎn)段整治效果后評(píng)估和防洪決策提供參考。

1 險(xiǎn)段治理

1.1 整治目標(biāo)

北江大堤西南歷史險(xiǎn)段整治總體原則與目標(biāo)為：控制左汊，疏導(dǎo)右汊，穩(wěn)定左汊河床不繼續(xù)下切，逐漸恢復(fù)左、右汊的分流比。即采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧拗谱筱夂哟渤掷m(xù)下切，創(chuàng)造條件，使河床回淤，起到固堤作用；適當(dāng)疏浚右汊河道，使得右汊的分流比逐漸恢復(fù)以減輕左汊的壓力。

1.2 險(xiǎn)段整治過(guò)程

北江大堤西南堤段全段均為堤腳臨河，迎流頂沖，1983—1987年曾對(duì)樁號(hào)51+953～52+253進(jìn)行拋石護(hù)腳處理，對(duì)樁號(hào)52+366～52+566做高壓定噴防滲墻處理。

1998—2000年，西南堤段多次出現(xiàn)堤頂混凝土路面裂縫，堤防管理部門于2001—2003年實(shí)施了堤身加固、堤基處理及護(hù)岸工程：堤頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加超高2.2 m，堤頂寬8 m，采用泥灰結(jié)石加瀝青表面處治層路面，堤后改建防汛公路；在迎水坡及背水坡腳設(shè)置反壓平臺(tái)，堤后填砂壓滲、修建減壓井和排水渠；采用拋石護(hù)岸、護(hù)坦，220 cm厚C20模袋砼護(hù)岸及干砌石。

北江大堤加固達(dá)標(biāo)工程于2005年開(kāi)始實(shí)施，西南段重點(diǎn)實(shí)施了河勢(shì)控導(dǎo)措施、堤基處理與護(hù)岸工程。其中，河勢(shì)控導(dǎo)與整治包括：① 老沙洲整治：拆除老沙洲地面建筑物；降低老沙洲地面高程至4.0 m；② 解除護(hù)岸約束：將兩岸拋石拆至-6.0 m高程，同時(shí)，為擴(kuò)大左汊過(guò)水?dāng)嗝妫仙持拮蟀锻谶M(jìn)10 m，挖除高程-6.0 m；③ 右汊河道進(jìn)口清除丁壩及疏浚涉及的攔沙坎，疏浚寬度60 m，疏浚底高程為-4.8 m。④ 魚(yú)嘴導(dǎo)堤整治。堤基處理包括強(qiáng)透水層堤段采用400 mm厚砼防滲墻、高壓旋噴樁墻補(bǔ)接處理，設(shè)置壓滲配套減壓井，全段填塘固基。護(hù)岸工程采用拋石護(hù)岸、護(hù)坦，C20模袋砼護(hù)岸厚220及干砌石(見(jiàn)圖1)。

圖1 北江大堤加固達(dá)標(biāo)工程西南堤段整治措施布置示意

2 數(shù)據(jù)源及技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究主要收集到：北江大堤西南河段1998年、2005年、2008年、2012年、2014年、2016年共6 a西南河段典型大斷面或水下地形測(cè)圖資料；新沙洲左、右汊分流比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；西南河段2015年9月22日10：00—9月23日12：00的同步水文泥沙觀測(cè)資料。同時(shí)還搜集了“06.7”等典型歷史洪水、西南河段床沙顆粒分析等資料。

2.2 方法

1) 基于實(shí)測(cè)地形資料，分析近年來(lái)西南河段近年來(lái)河道演變情況及變化趨勢(shì)；

2) 運(yùn)用平面二維水沙數(shù)值模擬手段，分析設(shè)計(jì)洪水條件下(100年一遇)，該河段沖淤變化趨勢(shì)及分流比變化等，在此基礎(chǔ)上，綜合分析整治工程效果及日常防護(hù)重點(diǎn)。

3 西南河段河道演變及分流比變化

綜合考慮資料系列時(shí)限、北江大堤整治加固達(dá)標(biāo)起止時(shí)間節(jié)點(diǎn)，本次主要采用1998年、2005年、2008年、2012年、2014年、2016年共6 a西南河段典型大斷面或水下地形測(cè)圖資料進(jìn)行比較，以分析各時(shí)期的河道演變情況。

3.1 河床沖淤變化

西南河段自1998年以來(lái)，左、右汊河道均有較大幅度下切；北江大堤整治工程實(shí)施期間(2005—2008年)，主槽仍呈下切趨勢(shì)，左汊下切幅度達(dá)2.33 m，右汊下切幅度約0.73 m；自2008年整治工程實(shí)施后，北江大堤岸灘基本穩(wěn)定，老沙洲解除護(hù)岸約束后，2012—2016年間沙洲邊坡內(nèi)潰約4.6 m；2014—2016年左槽有所淤升，淤積厚度約0.26 m。右槽過(guò)水?dāng)嗝孑^左岸寬闊，2014年前逐年變深，2014—2016年明顯淤升，淤積厚度約1.69 m(見(jiàn)圖2)。

(1)

3.2 河道深泓變化

從平面變化來(lái)看，新沙洲左汊河道西南段，深泓線基本居于河道中央，1998—2016年間深泓線略有擺動(dòng)，但擺幅不大，新沙洲右汊河道深泓線基本位于河道中間偏右(見(jiàn)圖1所示)。

從縱向變化來(lái)看，2005年以前，新沙洲左汊河道西南段總體表現(xiàn)為深泓變深，2005年以后基本表現(xiàn)為深泓淤升。其中，北江大堤達(dá)標(biāo)加固工程實(shí)施后，2008—2016年西南段深泓年平均淤升幅度約為0.20 m/a。

3.3 分流比變化

西南河段被新沙洲分為左、右兩汊，在20世紀(jì)50～70年代，分流比相差不大；70年代末以前，主航道在右汊；進(jìn)入80年代，航道部門在右汊河道進(jìn)口處進(jìn)行多次航道整治，包括修建分水壩，左右汊分流比發(fā)生劇變，左汊河道變成主航道，至2001年底，左汊枯水期分流量占比92%～100%；中水期占比70%以上，洪水期(20～100年一遇)約占68%～69%。

經(jīng)對(duì)比分析整治工程實(shí)施前、后汊道分流比情況(見(jiàn)表1)，與2002年相比，在綜合整治措施實(shí)施后，北江干流水道新沙洲左汊枯、中、洪水期(2008—2015年，洪水期未進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)，采用數(shù)值模擬計(jì)算成果)的分流比均小于整治工程實(shí)施前，整治工程發(fā)揮了一定的效果。

表1 西南段左、右汊河道分流比

4 河道沖淤變化趨勢(shì)

研究建立了平面二維曲線網(wǎng)格水流泥沙數(shù)學(xué)模型，水流連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程、泥沙輸移方程參考文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

4.1 模型建立及基礎(chǔ)資料

研究區(qū)域的范圍見(jiàn)圖1，研究河段地形資料均采用2015年9月實(shí)測(cè)的1∶1 000水下地形圖，床沙顆粒分析資料采用西南河段實(shí)際采樣成果。

4.2 模型率定

1) 水位、流速率定

以2015年9月10日12：00—9月11日14：00同步水文測(cè)驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行了率定。模型所模擬的各驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)水位過(guò)程與天然情況比較吻合；計(jì)算的各條垂線(觀測(cè)斷面位置見(jiàn)圖1)的流速大小和流向變化與實(shí)測(cè)結(jié)果趨于一致(流速值相對(duì)誤差基本在10%以內(nèi)，個(gè)別流速值誤差略大，但流速差值在0.08 m/s以內(nèi))。限于篇幅，僅列出了部分觀測(cè)點(diǎn)率定過(guò)程線(見(jiàn)圖3～4)。

(1)2#斷面(觀測(cè)點(diǎn)1)

(1)2#斷面(觀測(cè)點(diǎn)1)

2) 河道沖淤驗(yàn)證

初始地形采用2014年11月實(shí)測(cè)地形，復(fù)演至2015年9月，驗(yàn)證左汊洲頭至洲尾范圍的河床沖淤變化。分析可知，河道左汊整體以微淤為主，計(jì)算的沖淤量與實(shí)測(cè)值接近(見(jiàn)表2)。

表2 工程附近河床驗(yàn)證誤差統(tǒng)計(jì)

模型率定和驗(yàn)證成果符合水力計(jì)算相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，可進(jìn)行實(shí)際方案計(jì)算。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

選取堤防設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)(P=1%)水文條件采用恒定流計(jì)算分析北江大堤西南段河道水動(dòng)力條件特征：上邊界流量：16 200 m3/s；下邊界水位：8.84 m(珠基)。

選取北江發(fā)洪典型大洪水(06.7洪水)，進(jìn)行非恒定流水沙沖淤計(jì)算，分析河段沖淤演變趨勢(shì)。

4.3.1流速分布特征

在百年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下，流速最大值分布在老沙洲洲尾附近，該位置堤段迎流頂沖，最大流速在2.2～3.0 m/s；近岸流速達(dá)到了1.60～1.80 m/s。

4.3.2河道沖淤分布

根據(jù)泥沙沖淤結(jié)果分析(見(jiàn)圖5)，在老沙洲河槽及洲灘位置，河床將發(fā)生沖刷，沖刷幅度約0.6～1 m。左汊拋石護(hù)腳工程拋石塊石重量在50～70 kg，選取應(yīng)用廣泛的沙莫夫公式等進(jìn)行起動(dòng)流速進(jìn)行計(jì)算，防護(hù)塊石能夠滿足抗沖刷防護(hù)的要求。盡管如此，由于拋石區(qū)域與河槽結(jié)合部位易發(fā)生沖刷，為避免河床沖刷引起拋石平臺(tái)失穩(wěn)而影響防護(hù)效果，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)充防護(hù)。

圖5 西南險(xiǎn)段典型洪水沖淤變化示意

4.3.3分流比變化

由表1可知，魚(yú)嘴導(dǎo)堤整治工程的實(shí)施，新沙洲左汊的分流比有逐漸縮小的趨勢(shì)；通過(guò)2009—2015年流量監(jiān)測(cè)，水位越高，右汊流量占比越大：新沙洲左、右汊分流比低水位從73.5%和26.5%調(diào)整到67.7%和32.3%，高水位從68.4%和31.6%調(diào)整到63.2%和36.8%。根據(jù)水沙數(shù)值模擬成果，在百年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下，新沙洲左汊的分流比進(jìn)一步減小，約為58.5%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在北江大堤西南險(xiǎn)段河道演變分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)西南險(xiǎn)段的整治效果進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)，主要結(jié)論如下：

1) 北江大堤加固達(dá)標(biāo)工程實(shí)施后，西南險(xiǎn)段河床岸灘基本穩(wěn)定；近年(2014—2016年)河道演變分析表明，西南段河槽總體有所淤積，淤積幅度在0.5 m以內(nèi)。該段深槽迫岸態(tài)勢(shì)得到遏制，整治效果良好。

2) 魚(yú)嘴導(dǎo)堤整治工程的實(shí)施，新沙洲左汊的分流比有逐漸縮小的趨勢(shì)；流量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，水位越高，右汊分流比越大；在百年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下，新沙洲右汊的分流比約為41.5%。

3) 拋石區(qū)域與原河槽結(jié)合部位的河床易發(fā)生沖刷，因此需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)拋石防護(hù)平臺(tái)的穩(wěn)定情況，避免河床沖刷引起拋石流失而影響整治效果。

由于北江大堤在加固達(dá)標(biāo)工程實(shí)施后，還未遭遇過(guò)百年一遇設(shè)計(jì)洪水，因此，需加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)和汛期檢查，對(duì)存在安全隱患的地方作進(jìn)一步分析研究，采取合適的加固方案進(jìn)行進(jìn)一步治理，確保大堤安全。

研究成果于2017年6月1日通過(guò)了省水利廳組織的專家評(píng)審，并報(bào)省政府，為省政府相關(guān)決策提供了技術(shù)支撐。研究成果目前已被堤防管理部門采納，應(yīng)用于日常運(yùn)行管理和堤防防護(hù)。西南險(xiǎn)段綜合整治工程為珠江三角洲迎流頂沖、深槽迫岸等險(xiǎn)段治理提供了解決方案，實(shí)施效果明顯，具有廣闊的推廣價(jià)值和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。