關于蔚汾河河道治理及提升河道防洪能力的探析

薛瑋瑤

（呂梁市水利勘測設計研究院,山西 呂梁 033000）

1 工程概況

蔚汾河河道未進行過系統治理,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題較為突出,嚴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河道,兩岸地貌系典型的黃土丘陵溝壑區,溝壑發育,現狀支溝匯入主河道未進行過治理,洪水來襲對兩岸耕地沖刷破壞較為嚴重。

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

本次治理的工程任務為：①河道治理8 km,樁號范圍0+000～8+000,兩岸堤防建設長度8912 m,支溝治理8 條,總長1625 m,支溝匯入口整治過水涵洞8 處。②蔚汾河二十里鋪村段堤防水毀修復700 m。

該工程實施完畢后,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支流,地處呂梁山西麓,屬黃土高原東部。河流全長81.8 km,流域面積1478 km2,興縣境內河長55 km、流域面積1249.11 km2。程區位于蔚汾河河谷,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 國道依山而過。河道治理段發育地層巖性主要為太古界變質巖、古生界寒武系、奧陶系碳酸鹽巖及第四系松散堆積物。

本項目區位于興縣奧家灣鄉,蔚汾河興縣奧家灣鄉段防洪標準為10 年一遇,工程為Ⅴ等5 級。本次水文計算分兩部分,一部分為明通溝水庫上游,另一部分為二十里鋪村段。水文計算采用流域模型法進行推算,即根據流域點雨量推求面雨量,進而推算項目區產匯流,最終求得項目區各斷面流域流量。

根據式（1）及式（2）計算設計點雨量：

式中：模比系數Kp由《山西省水文計算手冊》附表Ⅰ-2 查用。

根據式（3）、式（4）計算設計面雨量：

式中：Hp,A（tb）為標準歷時為tb、設計標準為p、流域面積為A 的設計面雨量,mm；（tb）為設計點雨量的流域平均值,mm；ηp（A,tb）為設計暴雨點～面折減系數。

根據式（5）計算流域瞬時匯流曲線：

式中：u 為線性水庫個數；k 為一個線性水庫的調蓄參數,h；t 為時間,h；Γ（n）為伽瑪函數。

經過計算匯總,項目區右岸支溝6 匯入前,10 年一遇洪峰流量為236.2 m3/s；項目區末端10 年一遇洪峰流量為253.4 m3/s。

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

計算公式見式（6）：

經計算,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目區河道經過清淤疏浚后10 年一遇洪水情況下水面線水位。

1）根據公式計算堤防超高：

式中：Y 為壩頂超高,m；Rp為設計波浪爬高,m；e 為設計風壅增水高度；A 為安全加高,本項目不允許越浪,根據洪水標準取0.5 m。

式中：KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數；Kv為經驗系數；Kp為爬高累積頻率換算系數,H/d 據和累計頻率查表求得。

式中：H 為平均坡高,m；d 為水深,m；V 為計算風速,m/s,取19.4 m/s；F 為風區長度,m；g 為重力加速度,取9.81 m/s。

2）根據公式計算風壅水面高：

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

3）根據公式計算彎道橫向水位差：

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,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）根據公式計算沖刷

水流平行于河堤產生的沖刷式計算：

式中：H0為沖刷處水深,m；hs為局部沖刷深度,m；n 與防護岸坡在平面上的形狀有關,一般取n=1/4；Ucp為近岸垂線平均流速,m/s；Uc為泥沙起動流速,m/s；對于黏性與砂質河床可采用張瑞瑾公式計算；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。

根據公式計算彎道最大沖深值：

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,經計算并綜合分析,順壩2.5 m 高堤防,基礎埋深為1.8 m；3 m 高堤防基礎埋深為2 m,彎道段堤防基礎埋深2.2 m。

5）堤防、護坡高度計算

堤防、護坡高度=設計水深+堤頂超高。堤防高度確定以水力計算成果的基礎上,并結合實際地形綜合確定。計算結果見表1。

表1 新建堤防高度計算結果表

3 河道治理方案

現狀河道淤積嚴重,首先需對設計河道進行清淤整治,整治長度為8 km,充分考慮土方平衡等問題,清淤主要為主河槽清淤,清淤以現有深泓線高程為準向兩岸延伸,寬度控制在10 m。這樣既可以穩定主槽,又能增加過洪斷面。

3.1 堤防修建方案

現狀蔚汾河項目區有極少段土堤或砌石堤防,防洪標準較低,無法應對洪水來襲對兩岸建筑、耕地的沖刷破壞。現狀堤防具體情況為：

左岸樁號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,砌石呈弱風化狀態,勾縫均勻,局部有勾縫脫落現象。

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,砌石呈弱風化狀態,勾縫均勻,部分段堤防缺失,連續性不夠。

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,砌石呈弱風化狀態,勾縫均勻,堤防基本連續。

根據原有堤防,制定擬建堤防方案：新建堤防依據護村護地因地制宜合理布置,對山體側,原狀堤防完好段,國道側有原路基護基等段不再進行布置。兩岸堤防建設長度8912 m。本項目工程處于鄉村段,防護對象為鄉村、耕地和鄉村企業,山區河道縱坡陡,流速大,綜合考慮當地材料適用性,工程投資、工程施工、生態性、運行安全可靠性等因素,確定堤防結構為M7.5 漿砌石重力式和M7.5 漿砌石護坡式。

3.2 支溝整治方案

本項目河道屬典型的山區河道,兩岸地貌系典型的黃土丘陵溝壑區,溝壑發育,現狀支溝匯入主河道未進行過治理,洪水來襲對兩岸耕地沖刷破壞嚴重。本次共有8 條支溝需要治理,支溝治理長度依據現狀公路涵洞至主河道的距離確定,以保護兩岸耕地及村莊,支溝治理總長1625 m。

支溝整治兩岸堤防斷面高度確定在水力計算的基礎上結合實際地形以及上游過公路涵洞等因素確定,支溝1～5 由于流域面積小,公路為省級道路,防洪標準較高,出于安全考慮,且結合實際地形,現狀沖溝寬度與涵洞寬度基本一致,依據其上游公路過水涵洞確定。支溝6～8 流域面積較大依據水力計算結合現狀地形確定開口寬。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,長度20 m,堤防高度與主溝道保持一致。

支溝匯入口整治過水涵洞8 處。支溝6 和支溝8 采用2 m×10 m 過水涵洞,支溝7 采用1 m×10 m 過水涵洞,支溝1～支溝5 采用1 m×4 mm 過水涵洞。過水涵洞下部結構采用M10 重力式漿砌石結構,上部采用預制空心板結構。

（1）水毀堤防修復方案

二十里鋪村段水毀堤防按原狀進行修復重建,堤防高3 m,修復長度700 m。

（2）施工期導流設計方案

根據工程布置及地形條件,施工導流采用順河道分段圍堰,順河流方向用圍堰將水流隔開,每段工程建設完成后,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,恢復河床。

計算采用明渠均勻流公式。

式中：Q 為河道流量；A 為過水面積,根據流量和斷面形狀計算,m2；R 為水力半徑,R=A/X,m；X 為濕周,根據流量和斷面形狀計算,m。

式中：C 為謝才系數；n 為糙率；i 為河道縱坡。

波浪爬高風壅增水高度忽略不計,水深為0.55 m,超高計入0.3 m,最終確定圍堰高度取1.0 m,圍堰結構型式采用土石圍堰。圍堰頂寬2.0 m,邊坡均為1∶1.5。

4 結論及建議

4.1 結論

本項目通過分析現狀河道情況,結合實際提出河道整治、堤防建設、支溝及匯入口整治及水毀堤防修復重建的方案,通過這些措施將使河道的行洪能力大大提高,滿足河道10 年一遇的防洪標準。進而構建出防洪安全、河勢穩定的河道自然形態,在設防標準內消除了河道兩岸的防洪隱患,同時改善河道生態環境,保障沿河居民生命財產安全。項目的建設對社會環境、生態環境等多方面都將產生積極影響,并為經濟社會提供一個可持續發展的空間。

4.2 建議

施工過程中局部地段的基坑可能存在涌水,根據山區河道特征,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上基坑抽排設6 個點輔助排水。施工過程中應維護區域生態系統的完整性以及生物多樣性,對工程建設占用和破壞的地表植被,采取切實有效的恢復措施,減少工程建設對施工區地表植被的破壞,使工程的負面影響降低到最低,控制在生態環境可以承受的范圍內,維護生態系統的多樣性和完整性。同時也要控制施工對水環境、聲環境、大氣環境以及土壤環境等影響范圍及程度,并對環境進行監測,施工結束后應清理施工現場并盡可能復原。