石馬川河折家村段溢流堰建設防洪影響分析

趙春紅

(陜西省府谷縣水利工作隊，陜西 榆林 719000)

1 工程概況

石馬川河折家村段擬建設的1#、2#和3#三道溢流堰所在河道均沒有河堤，3個溢流堰垂直于河道布置，按編號順序河道上下間隔分別為312 m和265 m。兩岸與現狀岸坡銜接，溢流堰分別長約50 m、42 m和44 m，采用C15埋石混凝土結構，表層采用30 cmC25鋼筋混凝土溢流面，下部為50 cm厚C20混凝土基礎，溢流堰高度為0.8 m，每處溢流堰左右兩岸上游10 m至下游15 m范圍設置導水墻，可形成1.9 hm2的生態(tài)水面。三座溢流堰按照10 a一遇防洪能力設計，影響分析范圍分別為上下游各200 m、168 m和176 m。

2 河道演變分析

石馬川屬黃河右岸一級支流，河道全長47.72 km，流域總面積243 km2。河道有堤防1處，920 m。輸沙量597萬t，7—9月占97.2%。最大流量2180 m3/s，最小流量是0。具有洪峰暴漲暴落、流量與水位變幅大、洪水歷時短的特點。工程區(qū)位于石馬川下游，溢流堰溝底和兩岸下部為石基，兩岸石基上部有豐厚的黃土覆蓋，土料為Ⅱ～Ⅲ級。項目河段所在地質塊屬長期穩(wěn)定地塊，由于河床和兩岸處于中生代沉積侏羅系和白堊系地層，對河床側向侵蝕有限制作用，因而形成相對穩(wěn)定的河槽。

2.1 河道平面變化

石馬川河在較干旱的季節(jié)發(fā)生斷流，喪失了河道生態(tài)廊道的功能，濕地生態(tài)系統(tǒng)結構破壞、功能衰退，無法維持水生動植物的穩(wěn)定性，濕地資源喪失；而雨季則洪水泛濫，無法發(fā)揮過濾污染物、調控水流、減少入黃泥沙量的功能。該三個溢流堰間距較小，因而所處河道斷面均呈“U”型，寬約40～60 m左右。該河段遠離城鎮(zhèn)，其周圍環(huán)境受人類活動影響較小，岸坡較穩(wěn)定，河槽由黃土、塊石基巖組成，淤積層很薄。項目河段河道平面基本保持穩(wěn)定。

2.2 河道沖淤變化分析

根據當地水文資料和實際勘察分析，折家村河段河槽為基巖河床，其上有少量淤積物。河床沖淤遵循山溪性河流的沖淤變化規(guī)律，即豐水年份表現為沖刷，可沖至基巖，枯水年份表現為淤積，淤積量較小；洪水過程中，一般為漲水過程沖刷，落水過程淤積，受巖石河床的控制，最大沖至基巖面，受來水來沙條件的控制，落水過程淤積量較小。總體上沖淤基本平衡，河床基本穩(wěn)定。

3 壅水和行洪能力分析

3.1 壅水分析

石馬川河徑流量較小、年內分配很不均勻，徑流主要由暴雨形成，全年徑流量集中在汛期，且多集中在幾次極端降水過程中。1#、2#和3#溢流堰河流斷面如圖1～圖3所示。

圖1 1#溢流堰河道斷面

圖2 2#溢流堰河道斷面

圖3 3#溢流堰河道斷面

3.1.1 壅水高度

計算堰前壅水高度，如式(1)～式(4)[1]：

(1)

(2)

(3)

(4)

經計算，10 a一遇洪水時，1#、2#和3#溢流堰建成后堰前最大壅水高度分別為0.23 m、0.33 m和0.28 m。

3.1.2 壅水范圍

壅水曲線的長度可按下列近似公式估算，如式(5)[1]：

(5)

式中：L為壅水曲線全長，m；ΔZ為最大壅水高度，m；s為堰位河段天然水流比降，取10.6‰。

經計算，10 a一遇洪水時，1#、2#和3#溢流堰建成后堰前最大壅水曲線長分別為0.04 m、0.09 m和0.05 m。

3.2 1#、2#和3#溢流堰行洪能力分析計算

溢流堰采用 WES 實用堰，堰寬根據河道實際寬度確定，其泄流計算如式(6)～式(7)[2]：

(6)

(7)

式中：Q為泄流量，m3/s；c為上游堰坡影響修正系數，取1.0；m為自由溢流的流量系數；ε為側收縮系數；σs為淹沒系數；B為溢流堰凈寬，m；g為重力加速度，m/s2；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭，m；H為堰頂水深，m；V0為行近流速，對水庫近似為零。

各溢流堰泄流能力計算結果見表1。由表1知，1#、2#和3#三道溢流堰的行洪流量分別為：1632 m3/s、1645 m3/s、1628 m3/s。

表1 溢流堰泄流能力

4 沖刷淤積與岸坡影響分析

4.1 溢流堰的沖刷計算

根據前面的河勢演變分析，溢流堰工程區(qū)自然沖刷微弱，河勢穩(wěn)定，所以計算沖刷中可忽略河床自然沖刷。現就一般沖刷進行分析，如式(8)～式(9)：

(8)

(9)

經計算，溢流堰設計洪水標準下實際最低沖刷線結果為：1#一般沖刷深度0.593 m，2#一般沖刷深度0.597 m；3#一般沖刷深度0.591 m。根據溢流堰設計報告，溢流堰設計基底埋深低于設計沖刷線 1.9 m 以上，大于沖刷深度，設計基底埋深符合規(guī)范要求。

因為這是一個小型工程且采用的是混凝土結構，在建溢流堰的時候已經考慮到消能的作用，所以在平水期和枯水期基本不存在沖刷作用，在洪水期即使超過設計洪峰流量，由于是淹沒出流，所以和天然河道的沖刷基本一致，因此，綜合來看，建設溢流堰后對整個河道的沖刷影響基本不大。

4.2 溢流堰淤積計算

河流泥沙的來源是暴雨對地表的沖刷侵蝕，以及河岸受水流沖蝕崩塌使泥沙進入河中水流。根據《陜西省榆林地區(qū)實用水文手冊》，1#、2#和3#溢流堰所在流域多年侵蝕模數為4.0萬t/(km2·a)，泥沙容重1.35 t/m3。則工程控制流域年輸沙量計算如式(10)：

Ws=S·F/γ

(10)

式中：Ws為多年平均輸沙量，萬m3/a；S為多年平均侵蝕模數[4]，取4.0萬t/(km2·a)；F為流域面積，km2；γ為泥沙容重，取1.35 t/m3。

式中相關參數及計算結果見表2。

表2 溢流堰流域多年平均懸移質輸沙量計算

由表2可知，1#、2#和3#溢流堰流域多年平均懸移質輸沙量分別為528萬m3、552萬m3、536萬m3。按照經驗來看，3個溢流堰工程較小，泥沙的淤積為洪水的沖刷和挾沙作用沖刷下游，根據溢流堰淤積情況的計算，其淤積影響不大。

4.3 堤防及岸坡影響分析

三道溢流堰影響范圍內沒有堤防設施，因而不存在對岸坡的影響。由于1#、2#和3#溢流堰均基本垂直于河道布置，兩岸與現狀岸坡銜接，且溢流堰所在河流位置兩岸上游10 m和下游15 m范圍內設置導水墻，且墻頂高程采用堰頂高程以上 1.5 m，故較穩(wěn)定。

5 對河道行洪影響分析

1#、2#和3#溢流堰工程防洪標準為10 a一遇，符合《防洪標準》(GB 50201—2014)對在河道管理范圍內建設項目要求的防洪標準規(guī)定。

5.1 項目施工期對河道行洪的影響

施工期對河道行洪的影響主要是施工圍堰開挖產生的土石方，施工設施、便道、料場及施工隊生活區(qū)等的影響。項目施工應避開主汛期。應將施工機具等搬至行洪斷面以外的安全區(qū)域，并對已完成的下部基礎工程及時回填、整平，使河道過流順暢。為確保施工單位人員及財產的安全，如需在汛期施工應制定一套完整的度汛施工方案，以確保溢流堰安全施工和河道泄洪順暢。

5.2 項目建成后對和河道行洪的影響

根據溢流堰設計報告，1#溢流堰設計的10 a一遇洪峰流量為1547 m3/s。1#溢流堰設計的10 a一遇洪水總量為848萬 m3；2#溢流堰設計的10 a一遇的洪峰流量為1617 m3/s，2#溢流堰設計的10 a一遇的洪水總量為881萬 m3；3#溢流堰設計的10 a一遇洪峰流量值為1574 m3/s，3#溢流堰設計的10 a一遇洪水總量為857萬m3。3個溢流堰設計的10 a一遇洪水總量均小于溢流堰項目的行洪流量，因而本項目建設后對河道的行洪能力不會產生影響。

5.3 建設項目對河勢穩(wěn)定的影響

項目河段在基巖河床及岸坡的控制下，河道平面、河床基本保持穩(wěn)定，河道主槽深泓線、中泓線在洪水時仍基本保持不變。溢流堰屬于小工程，在河道內造成的壅水影響可以忽略，溢流堰建成后河道斷面形態(tài)基本保持不變，河道的沖刷是自然沖刷，溢流堰兩岸采取漿石砌體護坡即水工保護等措施，對于岸坡的迎水面進行漿砌石護面處理。基本與原巖石岸坡的條件相近，所以主槽仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，項目河段的水流狀態(tài)及河床沖淤變化基本不變；且溢流堰設有消能設施沖刷小，所以該項目的建設不會改變河段總體河勢，河段河勢將長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.4 對堤防岸坡及其他水利工程的影響

該建設項目所在河段岸坡均為天然狀態(tài)，多年形成天然堤防，因而不存在安全穩(wěn)定性問題。由于建設三個溢流堰的影響范圍內不存在其他水利工程，因而不存在對其他水利工程的影響。

5.5 建設項目對防汛搶險影響評價

本項目的建設是在不影響河道發(fā)防洪安全的前提下進行設置的，盡可能形成大的生態(tài)水面，產生足夠的生態(tài)效益，對調節(jié)生態(tài)具有很重要意義，因而項目建成后不會對防汛搶險造成壓力。在施工期間，運輸施工機械、物料等的重型車輛增多，在一定程度上會影響左岸道路的交通情況，從而對防汛搶險產生不利影響。施工應避開主汛期，保證施工期間防洪搶險道路暢通，同時應編制防洪應急預案，并報相關部門批準，確保防洪安全。

6 結 語

經過分析探討，府谷縣石馬川河干流折家村段河勢穩(wěn)定，1#、2#和3#溢流堰工程建設后，其壅水、淤積、沖刷對防洪產生的影響較小，不會對河道行洪和周邊其他設施造成威脅和影響，其建設是可行的，為工程建設和防洪審批提供了科學依據。