灘區公路對水庫下游游蕩型河段洪水及整治工程的影響

劉明瀟，徐夢鑫，朱勇杰，孫東坡，駱亞茹，蔣冠宇

（華北水利水電大學 水力學及河流研究所，河南 鄭州 450046 ）

近年來我國交通基礎設施建設飛速發展，有些公路選擇在比較開闊的河漫灘內修建，這給河流管理帶來很大的挑戰［1］。 一方面面對社會經濟發展與空間利用的迫切需求，另一方面則是對河流環境保護與安全行洪的擔憂。 這是一類具有共性的工程技術問題，必須通過嚴謹的科學分析與工程規劃才能使兩者協調起來［2-3］。 從河流管理者的角度看河漫灘修路是否適宜，關鍵是要判斷路堤選線是否科學合理。 這就需要評估河漫灘公路是否造成對河流行洪及整治工程的干擾及其影響程度，需要研究灘區公路建設是否影響河道的灘區過洪能力，研究對已有河道整治工程體系的影響；對于沖積性河流，還要預測未來河道沖淤變化對河床邊界的影響。 這是一項既涉及洪水特性與河床變形研究，又涉及河勢演變與整治工程安全分析的綜合性工作，開展該項工作具有十分重要的現實意義與科學價值。

一些學者［4-5］基于河流健康的理念，分析了人類活動對河漫灘的影響及河流功能維護的重要性，給出維持河道行洪能力的相應水沙條件。 劉培斌等［6］分析了滹沱河寬灘區特性，認為灘區建設公路應順河布線并多設置透水橋涵，以有利于降低工程阻水影響。李國志等［7］、王兆印等［8］研究了水庫下游沖積性河流在未來水沙條件下的河床變化趨勢及分析預測方法。李新杰等［9］針對黃河灘區存在的各類工程，分析了其對黃河下游漫灘水流的影響。 江恩慧等［10］將黃河下游河道河流系統劃分為3 個子系統，即維持河槽基本功能的行洪輸沙子系統、保障灘區居民生產生活安全的社會經濟子系統、維持灘槽生態環境健康的生態環境子系統，分別構建了主控因子與各子系統灘槽協同治理目標的驅動—響應關系，提出了黃河下游灘槽協同治理模式下多維治理目標及其主控因子閾值。

本文選擇緊鄰小浪底水庫下游的游蕩型寬灘河段作為典型河段，以灘區擬建公路為例，借助河流動力學方法，分析研究在未來水沙及河床邊界變化條件下擬建公路對河道行洪、洪水河勢發展及整治工程的影響，試圖通過多方面的分析評價，厘清影響程度與公路選線的關系，為類似河流的行洪功能維護與適度開發建設提供借鑒。

1 擬建灘區道路及河段概況

為適應黃河流域高質量發展需求，解決沿黃村鎮交通問題并開發黃河灘區綠色廊道旅游，擬在原有低等級的鄉村道路基礎上改建一條省級公路。 線路規劃使部分路段通過黃河右岸河漫灘，可解決十多個村鎮的交通問題，線路位置見圖1。 涉及的河段上距小浪底水利樞紐18 km，對岸是溫孟灘移民安置區。 這是一個河勢經常變化、整治工程密集、沖淤發展規律復雜、對防洪安全十分敏感的河段。

圖1 河漫灘公路規劃線路及所在河段平面特征

擬建公路的選線經過多次修改，基本選擇沿邙山嶺北側山腳布線，走向與河槽基本平行，線路選擇盡量遠離河道主槽，一般距主槽1 200 ～2 500 m，涉及灘區的路段全長17.94 km。 擬建道路為二級公路，設計路寬10 m，一般比當地灘面高0.5 m；全線在低洼汊溝處設有中、小橋梁3 座，排洪涵洞49 道用于灘區過流。

擬建線路涉及河段為黃河下游鐵謝險工—開儀控導工程河段，上端鐵謝險工位于白鶴鎮下游約2 km處，下端開儀控導工程在裴峪水文斷面上游約17 km處。 河道右岸依邙山嶺，有2～5 km 廣闊的河漫灘；主槽左岸為溫孟灘移民安置區圍堤，圍堤以北至黃河大堤為移民安置灘區。 移民區圍堤防洪標準為10 000 m3／s 洪水，洪水頻率相當于小浪底水文站百年一遇標準。 線路所經河段主河槽寬0.8 ～2.5 km，有深槽和嫩灘，歷史上該河段主槽經常遷徙擺動。 20 世紀80 年代以來，通過系統的河道整治工程修建和小浪底水庫對洪水的調控，該段河勢基本穩定［9］。 但是，在這一敏感河段修建灘區公路，對河流洪水演進、河道整治工程以及防洪搶險工作帶來何種影響，必須予以全面、認真的分析研究。

2 河道洪水特性與河床邊界變動分析

2.1 研究河段洪水泥沙特性

研究河段緊鄰小浪底水庫下游，水文泥沙分析主要依據小浪底水文站數據并參考鐵謝、裴峪水位站相關資料。 水文泥沙資料分析表明，擬建公路河段洪水發生時間一般為6—10 月，其中大洪水和特大洪水發生時間多為7 月中旬至8 月中旬。 該河段洪水主要源自3 個區域：中游的河龍（河口鎮至龍門）區間、龍三（龍門至三門峽）區間、三花（三門峽至花園口）區間，形成的洪水具有洪峰高、歷時短、陡漲陡落的特點。 河龍區間形成的洪水過程線最為尖瘦，含沙量最大，最大洪峰流量一般為11 000 ～15 000 m3／s，最大含沙量可達900 kg／m3；龍三區間河道調蓄作用大，洪水過程線較為低胖，最大洪峰流量一般為7 000 ～10 000 m3／s，最大含沙量一般為400 ～600 kg／m3；三花區間發生洪水的過程線也比較尖瘦，最大洪峰流量一般為9 000 ～15 000 m3／s，最大含沙量一般為80 ～90 kg／m3。 三門峽水庫、小浪底水庫建成后，黃河下游洪水受到有效控制［10］，擬建公路河段緊鄰小浪底水利樞紐與西霞院反調節水庫下游，河段洪水直接受水利工程運用、調控影響。

2.2 水庫調控下的設計洪水

為滿足黃河防洪要求，工程建設河段的設計洪水流量應按近期規定的設防流量確定。 根據防御花園口22 000 m3／s 設防標準，鐵謝設防流量為10 000 m3／s；按該河段防洪要求，溫孟灘防護堤防御百年一遇洪水流量也為10 000 m3／s。 因此，將研究河段上游進口鐵謝斷面的設防流量作為研究河段洪水影響分析的設計洪水流量。 另外考慮到鐵謝上游已經運用的西霞院水庫最大泄洪流量為14 000 m3／s，擬以流量14 000 m3／s作為研究河段的校核洪峰流量（計算洪水的上限）條件。

2.3 基于沖淤預測的河床邊界條件變動分析

研究河段處于水庫下游的沖積性河段，以主槽沖淤為主要標志的再造床過程始終存在，河床深泓點高程也一直在變化調整中。 因此，預測河道行洪影響的河床邊界條件必須與時間相關，應該根據沖淤規律按預測時間適當調整河床邊界，科學確定預測期研究河段各斷面的河床深泓點高程。 按擬建公路對預測年的研究要求，現狀年取2020 年，可分為兩種預測邊界條件：預測15 a（2035 年）河床邊界和預測25 a（2045年）河床邊界。 根據對該河段河床演變規律的研究成果［11］分析，以黃河工程規劃建設相關指標為依據，提出對河床地形的預測期概化處理方法。

（1）預測15 a 后（2035 年）河床邊界條件按如下考慮：根據2020 年以后預測期該河段的淤積速率研究，河道主槽每年淤積抬高約0.05 m。 15 a 后的2035年就以2020 年的河道地形為基礎，將主槽抬高0.25 m（5 a 淤積厚度）作為2035 年的河床基礎地形。

（2）預測25 a 后（2045 年）地形則是按25 a 后2045 年的河道預測地形應以2020 年的河道地形為基礎，將主槽抬高0.75 m（15 a 淤積厚度）作為2045 年的河床基礎地形。

2.4 控制斷面的洪水位分析

黃河下游河道在洪水過程中沖淤調整劇烈，河道斷面形態與河床高程都會發生變化，因此預測期研究河段控制斷面的設計洪水位必然與現狀設計洪水位不同。 河道斷面的水位流量關系通常是根據實測資料，采用水力因子法、流量面積法、沖淤改正法及水位漲率法等進行推求。 不同預測期設計洪水位與當時的河床沖淤狀態相適應，都有一個受沖淤影響的變化過程。各預測年控制斷面的設計洪水位應根據河道沖淤特性采用水力因子法和水位漲率法兩者結合推算確定。

研究河段的下端是南開儀斷面。 該斷面上下河槽比較順直，槽寬相對較窄。 考慮到小浪底水庫攔沙期結束后，水庫下游河床總體仍要逐漸淤積抬升，實測資料分析表明南開儀斷面河槽相對窄深，該斷面的河床回淤速率比其他斷面相對較低，因此預測2035 年和2045 年的設計洪水位是以2020 年為基準水位，按洪水位年增長0.026～0.029 m 的速率推算，結果見表1。根據已有資料建立了南開儀斷面水位流量關系，見圖2。

表1 南開儀斷面特征流量及對應水位

圖2 下游控制斷面水位流量關系（現狀）

3 灘區公路對預測年河道行洪的影響分析

3.1 公路建設后對河道洪水位的影響分析

為研究擬建公路對所在河段沿程洪水位的影響，本文采用一維水動力模擬方法對預測15～25 a 河道洪水進行模擬計算，分析未來不同預測期與不同邊界條件下的洪水特征及公路建設可能帶來的差異。 計算采用的洪水量級及河床邊界條件按前節所述。 進行水面線計算時，研究河段涉及的計算斷面共有10 個，自下而上為南開儀、張莊、扣馬、花園鎮、李家臺、鐵爐、雙槐、下古街、西莊、鐵謝，斷面間距一般不超過2.0 km，見圖3。

圖3 研究河段計算斷面的設置

洪水模擬時，主槽糙率采用0.019，灘地糙率采用0.035，下游南開儀與上游鐵謝斷面分別為洪水水面線計算的起始斷面與結束斷面。 通過對不同預測期、不同工況及不同洪水的水力計算，獲得研究河段在各種條件下的沿程洪水位及其變化情況。 在設計洪水時，不同預測期研究河段特征大斷面的洪水位及公路工程影響的分析成果見表2；不同預測期校核洪峰流量為14 000 m3／s 時的河段水面線見圖4。 分析表2 和圖4中不同邊界條件的洪水位，可以看出公路對河道洪水位影響很小；特別在李家臺斷面以下河段，在設計洪水條件下，預測15 a 和預測25 a 擬建公路對河道泄洪基本沒有影響。 分析李家臺—鐵謝河段各斷面在洪峰期洪水位的變化表明，部分路段因壓縮了過水面積而對泄洪產生阻滯影響，造成洪水位有少許抬高。 在流量為10 000 m3／s 時，與無公路狀態相比，修建公路后洪水位壅高Δh分別為0.002 ～0.025 m（預測15 a）和0.006 ～0.047 m（預測25 a）；在流量為14 000 m3／s 時，與無公路狀態相比，修建公路后洪水位抬高值分別為0.014～0.055 m（預測15 a）和0.024 ～0.064 m（預測25 a），西莊斷面的水位增量最大。 計算出的兩種頻率洪水水面線在鐵謝斷面的水位與該站設計水位流量關系曲線基本一致，這也說明洪水模擬計算時阻力參數選擇比較適宜，水面線計算成果較為合理。 由于水力計算中沒有考慮公路沿線透水橋涵的作用，因此前述壅水分析成果是偏于安全的。

表2 設計洪水10 000 m3／s，不同工況、不同預測期各斷面洪水位及水位壅高 m

圖4 預測年鐵謝—南開儀河段水面線（流量14 000 m3／s）

3.2 公路建設對洪水河勢及防汛搶險的影響分析

研究河段目前受河段控導工程制約，河勢比較穩定，主流集中在深槽運行。 預測期河道整治工程布局與現狀基本相同，河槽平面邊界條件受到工程控制，因此水深、流速與水流動力軸線均與現狀條件基本相同。在控導工程導引約束下，“小水走彎、大水趨直”的洪水動力特性將依然保持，整治工程對漫灘洪水傳播有一定影響。 擬建公路為土基公路，一般比當地灘面僅高0.5 m，由于公路選線遠離主槽，因此公路最大阻水面積不會超過灘區過流面積的0.3%。 由于河道整治工程控制占主導作用，因此道路建設對洪水河勢的影響很小，洪水河勢基本保持未修公路時的狀態。

另外，沿黃灘地修建的公路貫穿研究河段灘區，同時也和沿線控導工程建立了支線聯系，大大提高了防汛物資的輸運能力以及防洪搶險隊伍的快速投送能力。 對于當地群眾，灘區公路平時有利于促進灘區地方經濟的發展，特大洪水時有利于快速遷安避險轉移；對于河務部門，平時有利于河流防洪控導工程的建設管理，汛期有利于搶險物料輸送及對險情及時響應與應急處置。

4 灘區公路修建對河流工程的影響分析

河漫灘道路修建對河流整治工程的影響主要有3個方面：一是如果壓縮主流，那么將引起河槽水流挾沙能力的變化，改變河道沖淤規律，從而影響整治工程布局；二是如果引起主流調整，那么將改變流速、流向，引起局部沖刷、影響整治工程基礎安全；三是如果造成河勢改變，那么將引起整治工程脫流，導致主流控導失效。

4.1 公路建設后河道水流挾沙力的變化分析

公路建成后研究河段的沖淤變化可以用水流挾沙力的變化進行趨勢評估。 工程建設后水流挾沙力的變化體現在流速的變化上，研究河段流速發生變化的區域主要集中在局部路段有阻水作用、影響泄洪寬度的河段。 根據設防流量條件下水動力數學模型的計算結果，在靠水路基處、受公路影響范圍內的控導工程處及防護堤區域，流速變化一般在-0.01 ～0.1 m／s 之間，變化較小。 流速變化引起的水流挾沙力的變化率可用常用的水流挾沙力公式推算。

根據張瑞瑾水流挾沙力公式，建設公路工程后水流挾沙力的變化率η為式中分別為公路建成前水流挾沙力、流速和水力半徑分別為公路建成后水流挾沙力、流速和水力半徑；m為挾沙力指數，根據項目區床沙質資料綜合分析，m取1.05。

公路建成后水位變化很小，最大不超過0.06 m。如果主槽平均水深取8 m，相對增高僅為0.75%；灘地平均水深取2 m，相對增高僅3%。 對于寬淺河流，水深與水力半徑相近，因此對水力半徑的影響甚微。

因此，水流挾沙力的變化主要取決于流速的變化。根據公路建成后水位和流速的變化，計算設防流量條件下公路建設后水流挾沙力變化率；各斷面水流挾沙力變化趨勢與流速變化趨勢基本一致，主槽區水流挾沙力的變化率最大不超過1%。

綜上分析，擬建公路位于右岸灘地，遠離主槽，公路附近流速普遍很低，對水流的擠壓作用有限，傳遞反映到控導工程和防護堤附近就更小了。 因此，從分析水流挾沙力的變化可以得出，科學規劃的線路可以維持河道在洪水期的沖淤規律基本不變，使該河段流路穩定，保證控導工程的布局依然有效。

4.2 公路建設后對河道控導及護岸工程的局部沖刷

影響分析

借助水流挾沙力分析可以判斷洪水期河道的沿程沖淤規律，但對整治工程基礎的影響，還要分析判斷工程附近局部流場的改變情況。 灘區道路建設是否使局部河段壓縮主流，導致對河道整治工程局部沖刷產生影響，還需要進行具體分析。

4.2.1河道整治工程局部沖刷的計算方法

河道整治工程處的河床局部沖刷可采用有關河道工程的沖刷公式進行計算［12］。

（1）非淹沒丁壩沖刷深度計算方法。 研究河段的控導工程多為丁壩，工程附近局部沖刷可參照《堤防工程設計規范》進行計算，非淹沒丁壩沖刷深度計算公式為

式中：hs為沖刷深度，m；H0為行近水流水深，m；LD為丁壩的有效長度（丁壩壩頭到岸線的垂直距離），m；Um為壩頭最大流速，m／s；Uc為泥沙起動流速，m／s；k1、k2、k3分別為丁壩與水流方向的交角、護岸段的平面形態及丁壩壩頭的坡比對沖刷深度影響的修正系數，位于彎曲河段凹岸的單丁壩k2＝1.34，位于過渡段或順直段的單丁壩k2＝1.00，k3＝e-0.07m（m為丁壩壩頭坡率，丁壩壩頭坡率一般為1 ∶1，取m＝1）。

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k1按下式確定：

式中：θ為丁壩與水流的交角，（°）。

Um可按下式計算：

式中：U為主槽平均行近流速，m／s。

對于黏性與沙質河床，起動流速采用張瑞瑾公式計算：

對于卵石河床，起動流速采用長江科學院公式計算：

式中：d50為床沙的中值粒徑，mm；H為河道水深，m。

（2）順壩及平順護岸的沖刷深度計算方法。 研究河段的整治工程也有順壩與堤防護岸，水流對順壩及平順護岸的沖刷與近岸流速、水深、水流方向與岸坡的夾角、河床組成等因素有關，平順護岸的沖刷深度可按下式進行計算：

式中：n為與防護岸坡在平面上的形狀有關的指數，一般取n＝1／4～1／6；Ucp為近岸垂線平均流速，m／s。

式中：α為水流流速分配不均勻系數，根據水流流向與護岸坡線交角A查表3 得到。

表3 水流流速不均勻系數

4.2.2公路對河道工程局部沖刷影響分析

采用上述沖刷計算公式（式（2）～式（6））及一維水動力模擬計算成果，對研究河段不同時期各險工（控導）工程的局部沖刷進行計算，結果見表4；同時依據式（7）～式（8），對相應條件下各堤防順堤沖刷進行分析計算，有關數據見表5。 分析表4 和表5 中的河床變形計算結果及相應的工況條件，可以看出：

表4 預測15、25 a 各險工、控導工程局部沖刷及增加值 m

表5 預測15、25 a 河道沿線各處順堤及護岸局部沖刷及增加值 m

（1）控導工程。 整體看各控導工程在洪水期的局部沖刷深度與洪水河勢有關；沿線洪水主流貼靠控導工程的流速大，局部沖刷深度就大。 如鐵謝險工歷年洪水靠河概率最大，主流靠岸頂沖，工程局部沖刷深度在6.5～8.5 m 之間，與歷史調查險工的沖刷深度比較一致；2000 年以來南開儀控導工程靠河也比較好，控導作用明顯，所以主流貼靠沖刷是必然的，工程局部沖刷深度在6.8～7.8 m 之間，也是比較可靠的。 其余控導工程的局部沖刷深度都與主流對工程的貼靠程度有關，貼靠較近的沖深較大，遠離主流的沖深較小；鐵爐護灘工程遠離主流，工程邊岸流速很小，因此幾乎沒有局部沖刷。

公路建設前后的局部沖刷深度差（即沖刷增量Δhs）體現了公路修建對控導工程洪水期局部沖刷深度的影響。 由表4、表5 中所列不同流量、不同預測期的沖刷增量可以看出，公路引起的沖刷增量很小，大多在0.1 m以下。 鐵謝險工的上中部位沖刷增值稍大，但最大也僅為0.125 m；逯村控導工程處流速受公路阻水影響稍大，但局部沖刷增量最大也不超過0.174 m。

（2）平順護岸。 由于受主流頂沖少，平順護岸的局部沖刷深度遠小于控導工程的。 受鐵謝險工靠河影響，附近的鐵謝堤防距主流較近，因此局部沖刷深度也受主流貼靠程度影響，越靠上游，主流貼近度越高，局部沖刷就越大，最大5.82 m；越靠下游，主流貼近度越低，局部沖刷就越小。 同鐵爐護灘工程一樣，鐵爐堤防幾乎沒有局部沖刷，公路引起的增量在0.089 m 以下。在其他平順護岸堤段，公路對洪水期堤防護岸局部沖刷的影響也很小，都在0.087 m 以下。 由此可見公路建設對控導、護岸工程在洪水期局部沖刷期影響均很小。

4.3 河勢發展趨勢及對整治工程的影響分析

研究河段歷史上游蕩性很強，經過長期的河道整治，目前基本形成了比較完善的河道整治工程系統。左岸有逯村控導工程、開儀控導工程及溫孟灘防護堤，右岸有鐵謝險工、鐵爐護灘工程、花園鎮控導工程，這些工程基本控制了這一河段的洪水河勢，見圖5。 小浪底水庫運用以來，中小洪水增多而極少發生大漫灘洪水。 受水庫的調控作用，下游沖積性河流都會有前期清水沖刷、后期逐漸回淤的再造床過程，西霞院反調節水庫運用后也維持這一河床演變趨勢。 因此，多年來形成的中水河槽已經適應了該河段的整治工程體系決定的河勢，保持相對的穩定性。 從圖5 中可以看到，研究河段中鐵謝險工、逯村工程、開儀工程靠河相對較好，這意味著中水整治修建的河道控導工程對該河段河勢發揮了控制作用。 經過小浪底、西霞院兩級水庫對洪水泄流的調整，該河段的來水來沙條件相對穩定。隨著下游河道整治工程的進一步完善，鐵謝險工至開儀工程直至裴峪河段主流與河道整治規劃流路將進一步適應；在中水控導工程體系的作用下，河勢將會進一步趨于穩定。 水動力模擬計算表明，在漫灘大洪水時，遠離主槽布置的線路只在西莊附近局部輕微影響洪水邊流，但對主流形成不了有效的干擾，因此對灘區過流影響極小的道路建設是不可能導致河勢發生較大變化的。 以往的河勢分析與工程條件下的模擬計算都表明，該河段的中水河勢基本穩定，大洪水期主流流路依然受控導工程體系的控制；形成漫灘洪水在鐵謝險工處受到制約，沿程逯村、花園鎮、開儀控導工程都基本保持靠流的洪水常態河勢。 這說明擬建公路沒有改變洪水河勢的基本狀態，因此也不會對河道整治工程形成附加的不利影響。

圖5 2005—2013 年線路所在河段主流線套繪

4.4 洪水對公路路堤的沖刷分析

在洪水期，擬建公路路堤有些路段也會有漫灘洪水偎路堤行水的狀況，水力計算表明沿路基最大流速不超過1.06 m／s。 為了評估大洪水對路堤的沖刷影響，這里也采用式（7）、式（8）對擬建公路的路堤沖刷進行了分析計算。 不同預測期、不同洪水條件下，沿程路堤偎水沖刷狀況見圖6。 由圖6 可以看出，無防護襯砌條件下，沿程路堤局部沖刷深度一般為0.1 ～0.5 m，西莊附近的局部沖刷比較大，在0.36 ～0.53 m之間。 由于路堤偎水流速不大，在有局部沖刷的路堤段適當采取襯砌或生態護坡措施是可以保證路堤安全的。

圖6 擬建公路路堤沿程偎水沖刷情況

5 結 論

（1）寬灘河流若有系統的控導工程維持中小洪水河勢穩定，河漫灘內建路只可能對漫灘大洪水產生影響。 如公路選線能順依河道大洪水輸運方向，盡可能減小灘區阻水面積，公路建設對大洪水的影響就會控制在很低的程度，依然可以保持該河段原有洪水河勢不變。

（2）對水庫下游沖積性河流河漫灘建設工程進行洪水預測分析時，必須考慮預測期河床邊界條件與時間的關聯性，根據研究河段的沖淤規律，科學確定預測期造床過程引起的河床邊界變化，才能提高預測期洪水分析的可靠度。 工程模擬計算表明，預測25 a 后局部路段可能最大壅水高度0.064 m，個別控導工程附近流速增值1.6%左右，對該河段河道行洪安全干擾極小。

（3）河漫灘公路修建對河流整治工程的影響主要為挾沙力改變引起的河道沿程沖淤，主流調整引起的整治工程局部沖刷，以及洪水河勢改變引起整治工程脫流、控導失效。 分析表明，整治工程與洪水河勢有較好的互適性，研究河段洪水沖淤趨勢維持不變，控導與護岸工程局部沖刷增量不超過0.17 m，擬建公路對洪水演進影響輕微；說明沒有改變洪水河勢基本狀態，不會對整治工程形成附加不利影響。

（4）局部線路偎水處的路基局部沖刷一般不超過0.5 m，適當進行邊坡襯砌防護或生態護坡處理，就可以避免路基破壞危及運行安全。 關注大洪水期河勢變化動態，做好河勢發生突變的應急預案，無疑是河漫灘公路運行期間必須重視的工作。