关于蔚汾河河道治理及提升河道防洪能力的探析

薛玮瑶

（吕梁市水利勘测设计研究院,山西 吕梁 033000）

1 工程概况

蔚汾河河道未进行过系统治理,村民自建房、耕地、材料堆放侵占河道、垃圾倾倒污染河道等问题较为突出,严重侵占河道行洪断面,影响河道行洪安全。该段河道属典型的山区河道,两岸地貌系典型的黄土丘陵沟壑区,沟壑发育,现状支沟汇入主河道未进行过治理,洪水来袭对两岸耕地冲刷破坏较为严重。

为解决该地区的防洪隐患,本次治理范围为：①蔚汾河河道上游,起点为兴县岚县交界处,下游至明通库库尾处,治理段长8 km。②蔚汾河河道二十里铺村段。

本次治理的工程任务为：①河道治理8 km,桩号范围0+000～8+000,两岸堤防建设长度8912 m,支沟治理8 条,总长1625 m,支沟汇入口整治过水涵洞8 处。②蔚汾河二十里铺村段堤防水毁修复700 m。

该工程实施完毕后,将大幅提升河道的防洪能力。

2 水文概况

蔚汾河是黄河流域河口至龙门左岸的一级支流,地处吕梁山西麓,属黄土高原东部。河流全长81.8 km,流域面积1478 km2,兴县境内河长55 km、流域面积1249.11 km2。程区位于蔚汾河河谷,该段蔚汾河河谷整体流向呈东西向,河谷底宽50 m～200 m,河谷两岸岸坡均陡峭直立,为“U”型谷。左岸为岩石边坡,岸坡较陡立,坡度约为50°～60°,右岸岸坡为岩石边坡,G337 国道依山而过。河道治理段发育地层岩性主要为太古界变质岩、古生界寒武系、奥陶系碳酸盐岩及第四系松散堆积物。

本项目区位于兴县奥家湾乡,蔚汾河兴县奥家湾乡段防洪标准为10 年一遇,工程为Ⅴ等5 级。本次水文计算分两部分,一部分为明通沟水库上游,另一部分为二十里铺村段。水文计算采用流域模型法进行推算,即根据流域点雨量推求面雨量,进而推算项目区产汇流,最终求得项目区各断面流域流量。

根据式（1）及式（2）计算设计点雨量：

式中：模比系数Kp由《山西省水文计算手册》附表Ⅰ-2 查用。

根据式（3）、式（4）计算设计面雨量：

式中：Hp,A（tb）为标准历时为tb、设计标准为p、流域面积为A 的设计面雨量,mm；（tb）为设计点雨量的流域平均值,mm；ηp（A,tb）为设计暴雨点～面折减系数。

根据式（5）计算流域瞬时汇流曲线：

式中：u 为线性水库个数；k 为一个线性水库的调蓄参数,h；t 为时间,h；Γ（n）为伽玛函数。

经过计算汇总,项目区右岸支沟6 汇入前,10 年一遇洪峰流量为236.2 m3/s；项目区末端10 年一遇洪峰流量为253.4 m3/s。

经调查蔚汾河二十里铺计算断面与兴县水文站均在蔚汾河干流上,下垫面条件一致。蔚汾河计算断面以上控制流域面积为581.2 km2。兴县水文站位于计算断面下游2km 处,流域面积650 km2。流域面积仅差11%。因此,计算断面的洪峰流量考虑采用水文比拟法进行计算。

计算公式见式（6）：

经计算,二十里铺断面10 年一遇洪峰流量为320 m3/s。

选择HEC-RAS 软件中一维恒定非均匀渐变流模型推演项目区河道经过清淤疏浚后10 年一遇洪水情况下水面线水位。

1）根据公式计算堤防超高：

式中：Y 为坝顶超高,m；Rp为设计波浪爬高,m；e 为设计风壅增水高度；A 为安全加高,本项目不允许越浪,根据洪水标准取0.5 m。

式中：KΔ为斜坡的糙率及渗透性系数；Kv为经验系数；Kp为爬高累积频率换算系数,H/d 据和累计频率查表求得。

式中：H 为平均坡高,m；d 为水深,m；V 为计算风速,m/s,取19.4 m/s；F 为风区长度,m；g 为重力加速度,取9.81 m/s。

2）根据公式计算风壅水面高：

式中：e 为计算点的风壅水面高度,m；K 为综合壅阻系数,可取K=3.6×10-6；V 为计算风速,计算风速取多年平均最大风速16 m/s；F 为计算点逆风向量到对岸的距离,m；d 为水域平均水深,m；β为风向与垂直于坝轴线法线的夹角,取β=0。

3）根据公式计算弯道横向水位差：

式中：Δh 为凹岸和凸岸的水面差,m；v 为弯道上游直渠段的断面平均流速,m/s；a0为流速分布系数,为重力加速度,取9.81 m/s2；B 为弯道水面宽度,B=γ2-γ1,m；γ1为凸岸的曲率半径,m；γ2为凹岸的曲率半径,m。

4）根据公式计算冲刷

水流平行于河堤产生的冲刷式计算：

式中：H0为冲刷处水深,m；hs为局部冲刷深度,m；n 与防护岸坡在平面上的形状有关,一般取n=1/4；Ucp为近岸垂线平均流速,m/s；Uc为泥沙起动流速,m/s；对于黏性与砂质河床可采用张瑞瑾公式计算；d50为床沙的中值料径,m,取0.0265 m；rs、r 为泥沙与水的容重,kN/m3,rs取18 kN/m3,r 取9.8 kN/m3。

根据公式计算弯道最大冲深值：

式中：Hmax为最大冲深值（从水面算起）,m；Hm为计算断面平均水深,m；B 为河面宽,m；R1为凹岸曲率半径,m。

堤防基础埋深为顺坝冲深或弯道冲深加安全值确定,安全埋深为0.5 m,经计算并综合分析,顺坝2.5 m 高堤防,基础埋深为1.8 m；3 m 高堤防基础埋深为2 m,弯道段堤防基础埋深2.2 m。

5）堤防、护坡高度计算

堤防、护坡高度=设计水深+堤顶超高。堤防高度确定以水力计算成果的基础上,并结合实际地形综合确定。计算结果见表1。

表1 新建堤防高度计算结果表

3 河道治理方案

现状河道淤积严重,首先需对设计河道进行清淤整治,整治长度为8 km,充分考虑土方平衡等问题,清淤主要为主河槽清淤,清淤以现有深泓线高程为准向两岸延伸,宽度控制在10 m。这样既可以稳定主槽,又能增加过洪断面。

3.1 堤防修建方案

现状蔚汾河项目区有极少段土堤或砌石堤防,防洪标准较低,无法应对洪水来袭对两岸建筑、耕地的冲刷破坏。现状堤防具体情况为：

左岸桩号1+860～2+100 段,该段防洪堤为重力式浆砌石,堤高约2.5 m,堤防基本完好,外观完整,砌石呈弱风化状态,勾缝均匀,局部有勾缝脱落现象。

右岸0+885～2+343 段,该段防洪堤为重力式浆砌石,堤高3.0 m,堤防基本完好,外观完整,砌石呈弱风化状态,勾缝均匀,部分段堤防缺失,连续性不够。

右岸2+863～3+070、3+483～4+000、4+500～4+690、6+113～6+600 段,该段防洪堤为重力式浆砌石,堤高2.5 m～3.0 m,堤防基本完好,外观完整,砌石呈弱风化状态,勾缝均匀,堤防基本连续。

根据原有堤防,制定拟建堤防方案：新建堤防依据护村护地因地制宜合理布置,对山体侧,原状堤防完好段,国道侧有原路基护基等段不再进行布置。两岸堤防建设长度8912 m。本项目工程处于乡村段,防护对象为乡村、耕地和乡村企业,山区河道纵坡陡,流速大,综合考虑当地材料适用性,工程投资、工程施工、生态性、运行安全可靠性等因素,确定堤防结构为M7.5 浆砌石重力式和M7.5 浆砌石护坡式。

3.2 支沟整治方案

本项目河道属典型的山区河道,两岸地貌系典型的黄土丘陵沟壑区,沟壑发育,现状支沟汇入主河道未进行过治理,洪水来袭对两岸耕地冲刷破坏严重。本次共有8 条支沟需要治理,支沟治理长度依据现状公路涵洞至主河道的距离确定,以保护两岸耕地及村庄,支沟治理总长1625 m。

支沟整治两岸堤防断面高度确定在水力计算的基础上结合实际地形以及上游过公路涵洞等因素确定,支沟1～5 由于流域面积小,公路为省级道路,防洪标准较高,出于安全考虑,且结合实际地形,现状冲沟宽度与涵洞宽度基本一致,依据其上游公路过水涵洞确定。支沟6～8 流域面积较大依据水力计算结合现状地形确定开口宽。沟道堤防采用浆砌石重力式堤防。考虑干流顶托影响,支沟汇入口处,长度20 m,堤防高度与主沟道保持一致。

支沟汇入口整治过水涵洞8 处。支沟6 和支沟8 采用2 m×10 m 过水涵洞,支沟7 采用1 m×10 m 过水涵洞,支沟1～支沟5 采用1 m×4 mm 过水涵洞。过水涵洞下部结构采用M10 重力式浆砌石结构,上部采用预制空心板结构。

（1）水毁堤防修复方案

二十里铺村段水毁堤防按原状进行修复重建,堤防高3 m,修复长度700 m。

（2）施工期导流设计方案

根据工程布置及地形条件,施工导流采用顺河道分段围堰,顺河流方向用围堰将水流隔开,每段工程建设完成后,利用上段拆除的围堰砌筑下段工程的围堰,施工期安排在非汛期。工程施工完成后,拆除围堰,恢复河床。

计算采用明渠均匀流公式。

式中：Q 为河道流量；A 为过水面积,根据流量和断面形状计算,m2；R 为水力半径,R=A/X,m；X 为湿周,根据流量和断面形状计算,m。

式中：C 为谢才系数；n 为糙率；i 为河道纵坡。

波浪爬高风壅增水高度忽略不计,水深为0.55 m,超高计入0.3 m,最终确定围堰高度取1.0 m,围堰结构型式采用土石围堰。围堰顶宽2.0 m,边坡均为1∶1.5。

4 结论及建议

4.1 结论

本项目通过分析现状河道情况,结合实际提出河道整治、堤防建设、支沟及汇入口整治及水毁堤防修复重建的方案,通过这些措施将使河道的行洪能力大大提高,满足河道10 年一遇的防洪标准。进而构建出防洪安全、河势稳定的河道自然形态,在设防标准内消除了河道两岸的防洪隐患,同时改善河道生态环境,保障沿河居民生命财产安全。项目的建设对社会环境、生态环境等多方面都将产生积极影响,并为经济社会提供一个可持续发展的空间。

4.2 建议

施工过程中局部地段的基坑可能存在涌水,根据山区河道特征,纵坡较陡,宜采用明沟顺排方式,施工基坑排水在顺向自排的基础上基坑抽排设6 个点辅助排水。施工过程中应维护区域生态系统的完整性以及生物多样性,对工程建设占用和破坏的地表植被,采取切实有效的恢复措施,减少工程建设对施工区地表植被的破坏,使工程的负面影响降低到最低,控制在生态环境可以承受的范围内,维护生态系统的多样性和完整性。同时也要控制施工对水环境、声环境、大气环境以及土壤环境等影响范围及程度,并对环境进行监测,施工结束后应清理施工现场并尽可能复原。