關(guān)于蔚汾河河道治理及提升河道防洪能力的探析

薛瑋瑤

（呂梁市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 呂梁 033000）

1 工程概況

蔚汾河河道未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)治理,村民自建房、耕地、材料堆放侵占河道、垃圾傾倒污染河道等問(wèn)題較為突出,嚴(yán)重侵占河道行洪斷面,影響河道行洪安全。該段河道屬典型的山區(qū)河道,兩岸地貌系典型的黃土丘陵溝壑區(qū),溝壑發(fā)育,現(xiàn)狀支溝匯入主河道未進(jìn)行過(guò)治理,洪水來(lái)襲對(duì)兩岸耕地沖刷破壞較為嚴(yán)重。

為解決該地區(qū)的防洪隱患,本次治理范圍為：①蔚汾河河道上游,起點(diǎn)為興縣嵐縣交界處,下游至明通庫(kù)庫(kù)尾處,治理段長(zhǎng)8 km。②蔚汾河河道二十里鋪村段。

本次治理的工程任務(wù)為：①河道治理8 km,樁號(hào)范圍0+000～8+000,兩岸堤防建設(shè)長(zhǎng)度8912 m,支溝治理8 條,總長(zhǎng)1625 m,支溝匯入口整治過(guò)水涵洞8 處。②蔚汾河二十里鋪村段堤防水毀修復(fù)700 m。

該工程實(shí)施完畢后,將大幅提升河道的防洪能力。

2 水文概況

蔚汾河是黃河流域河口至龍門左岸的一級(jí)支流,地處呂梁山西麓,屬黃土高原東部。河流全長(zhǎng)81.8 km,流域面積1478 km2,興縣境內(nèi)河長(zhǎng)55 km、流域面積1249.11 km2。程區(qū)位于蔚汾河河谷,該段蔚汾河河谷整體流向呈東西向,河谷底寬50 m～200 m,河谷兩岸岸坡均陡峭直立,為“U”型谷。左岸為巖石邊坡,岸坡較陡立,坡度約為50°～60°,右岸岸坡為巖石邊坡,G337 國(guó)道依山而過(guò)。河道治理段發(fā)育地層巖性主要為太古界變質(zhì)巖、古生界寒武系、奧陶系碳酸鹽巖及第四系松散堆積物。

本項(xiàng)目區(qū)位于興縣奧家灣鄉(xiāng),蔚汾河興縣奧家灣鄉(xiāng)段防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇,工程為Ⅴ等5 級(jí)。本次水文計(jì)算分兩部分,一部分為明通溝水庫(kù)上游,另一部分為二十里鋪村段。水文計(jì)算采用流域模型法進(jìn)行推算,即根據(jù)流域點(diǎn)雨量推求面雨量,進(jìn)而推算項(xiàng)目區(qū)產(chǎn)匯流,最終求得項(xiàng)目區(qū)各斷面流域流量。

根據(jù)式（1）及式（2）計(jì)算設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量：

式中：模比系數(shù)Kp由《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》附表Ⅰ-2 查用。

根據(jù)式（3）、式（4）計(jì)算設(shè)計(jì)面雨量：

式中：Hp,A（tb）為標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)為tb、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為p、流域面積為A 的設(shè)計(jì)面雨量,mm；（tb）為設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量的流域平均值,mm；ηp（A,tb）為設(shè)計(jì)暴雨點(diǎn)～面折減系數(shù)。

根據(jù)式（5）計(jì)算流域瞬時(shí)匯流曲線：

式中：u 為線性水庫(kù)個(gè)數(shù)；k 為一個(gè)線性水庫(kù)的調(diào)蓄參數(shù),h；t 為時(shí)間,h；Γ（n）為伽瑪函數(shù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算匯總,項(xiàng)目區(qū)右岸支溝6 匯入前,10 年一遇洪峰流量為236.2 m3/s；項(xiàng)目區(qū)末端10 年一遇洪峰流量為253.4 m3/s。

經(jīng)調(diào)查蔚汾河二十里鋪計(jì)算斷面與興縣水文站均在蔚汾河干流上,下墊面條件一致。蔚汾河計(jì)算斷面以上控制流域面積為581.2 km2。興縣水文站位于計(jì)算斷面下游2km 處,流域面積650 km2。流域面積僅差11%。因此,計(jì)算斷面的洪峰流量考慮采用水文比擬法進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算公式見(jiàn)式（6）：

經(jīng)計(jì)算,二十里鋪斷面10 年一遇洪峰流量為320 m3/s。

選擇HEC-RAS 軟件中一維恒定非均勻漸變流模型推演項(xiàng)目區(qū)河道經(jīng)過(guò)清淤疏浚后10 年一遇洪水情況下水面線水位。

1）根據(jù)公式計(jì)算堤防超高：

式中：Y 為壩頂超高,m；Rp為設(shè)計(jì)波浪爬高,m；e 為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度；A 為安全加高,本項(xiàng)目不允許越浪,根據(jù)洪水標(biāo)準(zhǔn)取0.5 m。

式中：KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)；Kv為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Kp為爬高累積頻率換算系數(shù),H/d 據(jù)和累計(jì)頻率查表求得。

式中：H 為平均坡高,m；d 為水深,m；V 為計(jì)算風(fēng)速,m/s,取19.4 m/s；F 為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度,m；g 為重力加速度,取9.81 m/s。

2）根據(jù)公式計(jì)算風(fēng)壅水面高：

式中：e 為計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)壅水面高度,m；K 為綜合壅阻系數(shù),可取K=3.6×10-6；V 為計(jì)算風(fēng)速,計(jì)算風(fēng)速取多年平均最大風(fēng)速16 m/s；F 為計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離,m；d 為水域平均水深,m；β為風(fēng)向與垂直于壩軸線法線的夾角,取β=0。

3）根據(jù)公式計(jì)算彎道橫向水位差：

式中：Δh 為凹岸和凸岸的水面差,m；v 為彎道上游直渠段的斷面平均流速,m/s；a0為流速分布系數(shù),為重力加速度,取9.81 m/s2；B 為彎道水面寬度,B=γ2-γ1,m；γ1為凸岸的曲率半徑,m；γ2為凹岸的曲率半徑,m。

4）根據(jù)公式計(jì)算沖刷

水流平行于河堤產(chǎn)生的沖刷式計(jì)算：

式中：H0為沖刷處水深,m；hs為局部沖刷深度,m；n 與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),一般取n=1/4；Ucp為近岸垂線平均流速,m/s；Uc為泥沙起動(dòng)流速,m/s；對(duì)于黏性與砂質(zhì)河床可采用張瑞瑾公式計(jì)算；d50為床沙的中值料徑,m,取0.0265 m；rs、r 為泥沙與水的容重,kN/m3,rs取18 kN/m3,r 取9.8 kN/m3。

根據(jù)公式計(jì)算彎道最大沖深值：

式中：Hmax為最大沖深值（從水面算起）,m；Hm為計(jì)算斷面平均水深,m；B 為河面寬,m；R1為凹岸曲率半徑,m。

堤防基礎(chǔ)埋深為順壩沖深或彎道沖深加安全值確定,安全埋深為0.5 m,經(jīng)計(jì)算并綜合分析,順壩2.5 m 高堤防,基礎(chǔ)埋深為1.8 m；3 m 高堤防基礎(chǔ)埋深為2 m,彎道段堤防基礎(chǔ)埋深2.2 m。

5）堤防、護(hù)坡高度計(jì)算

堤防、護(hù)坡高度=設(shè)計(jì)水深+堤頂超高。堤防高度確定以水力計(jì)算成果的基礎(chǔ)上,并結(jié)合實(shí)際地形綜合確定。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 新建堤防高度計(jì)算結(jié)果表

3 河道治理方案

現(xiàn)狀河道淤積嚴(yán)重,首先需對(duì)設(shè)計(jì)河道進(jìn)行清淤整治,整治長(zhǎng)度為8 km,充分考慮土方平衡等問(wèn)題,清淤主要為主河槽清淤,清淤以現(xiàn)有深泓線高程為準(zhǔn)向兩岸延伸,寬度控制在10 m。這樣既可以穩(wěn)定主槽,又能增加過(guò)洪斷面。

3.1 堤防修建方案

現(xiàn)狀蔚汾河項(xiàng)目區(qū)有極少段土堤或砌石堤防,防洪標(biāo)準(zhǔn)較低,無(wú)法應(yīng)對(duì)洪水來(lái)襲對(duì)兩岸建筑、耕地的沖刷破壞。現(xiàn)狀堤防具體情況為：

左岸樁號(hào)1+860～2+100 段,該段防洪堤為重力式漿砌石,堤高約2.5 m,堤防基本完好,外觀完整,砌石呈弱風(fēng)化狀態(tài),勾縫均勻,局部有勾縫脫落現(xiàn)象。

右岸0+885～2+343 段,該段防洪堤為重力式漿砌石,堤高3.0 m,堤防基本完好,外觀完整,砌石呈弱風(fēng)化狀態(tài),勾縫均勻,部分段堤防缺失,連續(xù)性不夠。

右岸2+863～3+070、3+483～4+000、4+500～4+690、6+113～6+600 段,該段防洪堤為重力式漿砌石,堤高2.5 m～3.0 m,堤防基本完好,外觀完整,砌石呈弱風(fēng)化狀態(tài),勾縫均勻,堤防基本連續(xù)。

根據(jù)原有堤防,制定擬建堤防方案：新建堤防依據(jù)護(hù)村護(hù)地因地制宜合理布置,對(duì)山體側(cè),原狀堤防完好段,國(guó)道側(cè)有原路基護(hù)基等段不再進(jìn)行布置。兩岸堤防建設(shè)長(zhǎng)度8912 m。本項(xiàng)目工程處于鄉(xiāng)村段,防護(hù)對(duì)象為鄉(xiāng)村、耕地和鄉(xiāng)村企業(yè),山區(qū)河道縱坡陡,流速大,綜合考慮當(dāng)?shù)夭牧线m用性,工程投資、工程施工、生態(tài)性、運(yùn)行安全可靠性等因素,確定堤防結(jié)構(gòu)為M7.5 漿砌石重力式和M7.5 漿砌石護(hù)坡式。

3.2 支溝整治方案

本項(xiàng)目河道屬典型的山區(qū)河道,兩岸地貌系典型的黃土丘陵溝壑區(qū),溝壑發(fā)育,現(xiàn)狀支溝匯入主河道未進(jìn)行過(guò)治理,洪水來(lái)襲對(duì)兩岸耕地沖刷破壞嚴(yán)重。本次共有8 條支溝需要治理,支溝治理長(zhǎng)度依據(jù)現(xiàn)狀公路涵洞至主河道的距離確定,以保護(hù)兩岸耕地及村莊,支溝治理總長(zhǎng)1625 m。

支溝整治兩岸堤防斷面高度確定在水力計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際地形以及上游過(guò)公路涵洞等因素確定,支溝1～5 由于流域面積小,公路為省級(jí)道路,防洪標(biāo)準(zhǔn)較高,出于安全考慮,且結(jié)合實(shí)際地形,現(xiàn)狀沖溝寬度與涵洞寬度基本一致,依據(jù)其上游公路過(guò)水涵洞確定。支溝6～8 流域面積較大依據(jù)水力計(jì)算結(jié)合現(xiàn)狀地形確定開(kāi)口寬。溝道堤防采用漿砌石重力式堤防。考慮干流頂托影響,支溝匯入口處,長(zhǎng)度20 m,堤防高度與主溝道保持一致。

支溝匯入口整治過(guò)水涵洞8 處。支溝6 和支溝8 采用2 m×10 m 過(guò)水涵洞,支溝7 采用1 m×10 m 過(guò)水涵洞,支溝1～支溝5 采用1 m×4 mm 過(guò)水涵洞。過(guò)水涵洞下部結(jié)構(gòu)采用M10 重力式漿砌石結(jié)構(gòu),上部采用預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)。

（1）水毀堤防修復(fù)方案

二十里鋪村段水毀堤防按原狀進(jìn)行修復(fù)重建,堤防高3 m,修復(fù)長(zhǎng)度700 m。

（2）施工期導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工程布置及地形條件,施工導(dǎo)流采用順河道分段圍堰,順河流方向用圍堰將水流隔開(kāi),每段工程建設(shè)完成后,利用上段拆除的圍堰砌筑下段工程的圍堰,施工期安排在非汛期。工程施工完成后,拆除圍堰,恢復(fù)河床。

計(jì)算采用明渠均勻流公式。

式中：Q 為河道流量；A 為過(guò)水面積,根據(jù)流量和斷面形狀計(jì)算,m2；R 為水力半徑,R=A/X,m；X 為濕周,根據(jù)流量和斷面形狀計(jì)算,m。

式中：C 為謝才系數(shù)；n 為糙率；i 為河道縱坡。

波浪爬高風(fēng)壅增水高度忽略不計(jì),水深為0.55 m,超高計(jì)入0.3 m,最終確定圍堰高度取1.0 m,圍堰結(jié)構(gòu)型式采用土石圍堰。圍堰頂寬2.0 m,邊坡均為1∶1.5。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

本項(xiàng)目通過(guò)分析現(xiàn)狀河道情況,結(jié)合實(shí)際提出河道整治、堤防建設(shè)、支溝及匯入口整治及水毀堤防修復(fù)重建的方案,通過(guò)這些措施將使河道的行洪能力大大提高,滿足河道10 年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)而構(gòu)建出防洪安全、河勢(shì)穩(wěn)定的河道自然形態(tài),在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)消除了河道兩岸的防洪隱患,同時(shí)改善河道生態(tài)環(huán)境,保障沿河居民生命財(cái)產(chǎn)安全。項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)社會(huì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等多方面都將產(chǎn)生積極影響,并為經(jīng)濟(jì)社會(huì)提供一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的空間。

4.2 建議

施工過(guò)程中局部地段的基坑可能存在涌水,根據(jù)山區(qū)河道特征,縱坡較陡,宜采用明溝順排方式,施工基坑排水在順向自排的基礎(chǔ)上基坑抽排設(shè)6 個(gè)點(diǎn)輔助排水。施工過(guò)程中應(yīng)維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的完整性以及生物多樣性,對(duì)工程建設(shè)占用和破壞的地表植被,采取切實(shí)有效的恢復(fù)措施,減少工程建設(shè)對(duì)施工區(qū)地表植被的破壞,使工程的負(fù)面影響降低到最低,控制在生態(tài)環(huán)境可以承受的范圍內(nèi),維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和完整性。同時(shí)也要控制施工對(duì)水環(huán)境、聲環(huán)境、大氣環(huán)境以及土壤環(huán)境等影響范圍及程度,并對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),施工結(jié)束后應(yīng)清理施工現(xiàn)場(chǎng)并盡可能復(fù)原。