佳縣黃河防洪工程洪水分析與沖刷確定

賀曉玲，劉振燕

1 概況

佳縣東臨黃河，與山西臨縣隔河相望，總土地面積2028 km2。全縣轄8鎮(zhèn)12個(gè)鄉(xiāng)27萬人，是中國紅棗名鄉(xiāng)。佳縣城區(qū)屬大陸性半濕潤、半干旱氣候，干旱少雨，年平均氣溫8.2℃，年平均降水量384 mm，最大年降水量為1978年的642.3 mm，最小年降水量為1997年的296.2 mm。佳縣白云寺是當(dāng)?shù)刂包c(diǎn)，每年游客達(dá)百萬。寺門前黃河灘上的紅棗林不僅給圣地增添了一份美景，也是峪口鄉(xiāng)五個(gè)村唯一的平坦可用耕地。然而，黃河漲水，經(jīng)常威脅到該區(qū)域及沿線公路兩側(cè)居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。為了營造一個(gè)穩(wěn)定、安詳?shù)纳a(chǎn)、生活環(huán)境，規(guī)劃在佳臨黃河公路大橋以下譚家坪村段修建防洪工程，需對(duì)此段洪水及河道沖情況進(jìn)行分析。

2 工程區(qū)防洪現(xiàn)狀及洪水特性分析

2.1 防洪現(xiàn)狀及河勢(shì)分析

工程所在河段為府谷～吳堡區(qū)間中段偏向下游的黃河干流。河長242 km，河道落差180.3 m，比降0.75‰，寬400～600 m。該段河道主要穿行于晉陜大峽谷之間，山坡陡峭，河道狹窄，河床堆積物一般較薄。干流切深，8條支溝密布，水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密度大。兩側(cè)入?yún)R支流大都屬于季節(jié)性溝道，河谷深切，河床比降大。

擬建工程位于佳縣峪口鄉(xiāng)南河底村東的黃河灘區(qū)，工程西靠白云山風(fēng)景區(qū)，東隔黃河與山西省呂梁市臨縣。黃河在本河段內(nèi)自北向南流動(dòng)，主流緊靠左岸山腳，近河兩岸多為石山，屬峽谷型河道。左岸為山西臨縣，山體基巖裸露；右岸為佳縣峪口鄉(xiāng)。河道在該段形成左岸沖刷、右岸淤泥的現(xiàn)象，右岸灘地目前寬度在100～300 m左右，為峪口鄉(xiāng)五個(gè)村唯一的平坦可用耕地。該段河谷寬約450～740 m，河槽窄深，河床質(zhì)由砂礫石組成，基巖埋深較小。兩岸山體陡峭，巖石外露。在右岸灘區(qū)上游修建有漿砌石堤防工程240 m，該段堤防工程外型為“n”形，高出灘面約5 m。分別于1978年、1989年分兩次修建，目前工程一直運(yùn)行良好，無損毀現(xiàn)象。

2.2 洪水特性分析

工程位于黃河晉陜峽谷大北干流范圍內(nèi)，上游最近水文站為1953年7月建成測(cè)流的原黃河干流義門水文站，控制流域面積403877 km2；1972年1月由于修建天橋水電站移至下游7 km處的府谷縣城，并更名為黃河府谷水文站，控制流域面積404039 km2。工程下游最近水文站為黃河吳堡水文站，1935年6月建成測(cè)流，控制流域面積433514 km2。

府谷～吳堡區(qū)間流域面積29475 km2，多年平均降水量423.1 mm，降水量年際變化大，時(shí)空分布不均，具有很強(qiáng)的集中性和突發(fā)性。吳堡水文站的洪水主要由黃河干流府谷以上洪水和府谷～吳堡區(qū)間洪水組成。上游地區(qū)的洪水是由大面積、小強(qiáng)度、長歷時(shí)的暴雨造成，主要集中在7月和9、10月。受天橋水電站的攔蓄影響，洪水較矮胖歷時(shí)長，是府谷～吳堡段洪峰的基流部分。府谷～吳堡段暴雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大、籠罩面積小，故洪水匯流快、峰型尖瘦、峰高量小、含沙量大。洪水除干流外，主要來自吳堡站以上的窟野河、皇鋪川、孤山川等支流，是洪峰的主體。洪水多為復(fù)式峰型，過程歷時(shí)長。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，吳堡站一次較大洪水（洪峰流量大于10000 m3/s）歷時(shí)16～68小時(shí)，平均33.6小時(shí)，漲水歷時(shí)為2～21小時(shí)，平均8小時(shí)。

2.3 工程任務(wù)

為了確保佳縣白云寺旅游景區(qū)及黃河灘地的安全，規(guī)劃在譚家坪建設(shè)堤防3180 m，其中：加固改造堤防240 m，新修堤防2940 m，工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪峰。

3 洪水分析

3.1 水文資料分析

吳堡水文站有1935～1937年、1951年至今的實(shí)測(cè)水文資料。擬建工程處無實(shí)測(cè)洪水資料，工程區(qū)域以上集水面積為429598 km2，為吳堡站控制流域面積的99%。本次工程區(qū)域與吳堡水文站僅相距85 km，其間幾乎沒有太大的支流匯入，可以認(rèn)為兩者集水面積、產(chǎn)匯流條件基本一致。直接采用下游吳堡站洪水成果代表本次工程設(shè)計(jì)洪水成果，誤差小，且偏安全。因而，可以選用吳堡站設(shè)計(jì)洪水成果作為工程區(qū)域的設(shè)計(jì)洪水成果。

黃河吳堡水文站于1935年6月建成，以后觀測(cè)中斷，解放后又于1952年恢復(fù)觀測(cè)，至今已有53年的實(shí)測(cè)資料，實(shí)測(cè)最大流量是1976年8月2日發(fā)生的24000 m3/s，其次為1967年8月10日實(shí)測(cè)洪峰流量19500 m3/s。該水文站斷面處有4場(chǎng)歷史調(diào)查洪水資料：1842年7月23日洪峰流量為32000 m3/s，洪水位646.10 m；1933年7月13日洪峰流量為14000 m3/s，洪水位642.24 m；1946年7月19日洪峰流量為23000 m3/s，洪水位644.27 m；1951年8月15日洪峰流量為11800 m3/s。此站多年平均流量為887.9 m3/s。

3.2 洪水影響分析

在實(shí)測(cè)系列中，由于系列相對(duì)較長，上游黃河干流上又修建了許多大、中型水利樞紐工程和支流上的一些小型工程、流域治理等，這些人類活動(dòng)的影響是否會(huì)造成系列的不一致性，現(xiàn)根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析說明。由于天橋電站的影響，上游和中游地區(qū)的洪水一般是不相遭遇的。1973年編寫的《榆林地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中對(duì)吳堡站1952～1971年20年資料進(jìn)行頻率分析計(jì)算，其結(jié)果為30年一遇洪峰流量20700 m3/s。本次對(duì)吳堡站53年長系列實(shí)測(cè)資料并考慮和歷史洪水進(jìn)行頻率分析計(jì)算，其結(jié)果為30年一遇洪峰流量22232 m3/s，長短系列計(jì)算成果相差不大。在對(duì)天橋水庫進(jìn)行調(diào)洪演算，百年洪水入庫15600 m3/s，出庫洪峰13950 m3/s，對(duì)小于水庫限制水位下的泄流量，限制水位830 m，相應(yīng)泄量10736 m3/s，按穿堂過出庫與入庫流量保持不變。天橋自建成后只有1977年入庫洪峰最大，為11100 m3/s，故可以認(rèn)為天橋自建成后對(duì)下游洪峰影響較小。工程區(qū)以下吳堡以上黃河支流雖然多年來進(jìn)行了一些流域治理，興建了一批小型水利工程，但控制面積較小，削峰作用不大，不會(huì)對(duì)吳堡站的洪峰有大的影響。歷史調(diào)查洪水摘自《榆林地區(qū)使用水文手冊(cè)》，黃委會(huì)匯編，采用水位一流量法線法計(jì)算，可靠程度除1842年洪水較可靠外，其余調(diào)查洪水均可靠。

綜上所述，人類活動(dòng)的影響對(duì)吳堡站實(shí)測(cè)洪峰流量的影響較小，說明吳堡水文站實(shí)測(cè)系列具有一致性。所以選用吳堡站設(shè)計(jì)洪水成果作為工程區(qū)域的設(shè)計(jì)洪水成果。

3.3 洪水頻率分析

采用工程中常用的目估適線法來確定最佳參數(shù)。由于有歷史調(diào)查特大洪水資料，所以應(yīng)加入特大洪水來進(jìn)行配線，按三點(diǎn)法進(jìn)行配線。由于資料系列較長，三點(diǎn)的頻率取3%、50%、97%。配線成果如表1、表1。

表1 頻率分析計(jì)算參數(shù)表

表2 理論頻率曲線配線結(jié)果表 單位：m3/s

根據(jù)配線結(jié)果，在Cv=0.68，Cs=3Cv，20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為18940 m3/s，30年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為21102 m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為23980 m3/s。1990年修訂已經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)的《黃河治理開發(fā)規(guī)劃報(bào)告》中，吳堡水文站20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為19900 m3/s，30年一遇洪峰是22232 m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為24800 m3/s，與之相比，此次計(jì)算值普遍偏小?！扒鍗u至銀川高速公路吳堡黃河公路大橋”、“清澗石樓黃河公路大橋”等論證、評(píng)價(jià)報(bào)告均采用了《黃河治理開發(fā)規(guī)劃報(bào)告》中吳堡水文站不同頻率的洪水成果。因此，本次黃河譚家坪村堤防工程也采用此成果，即30年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為22200 m3/s。

4 河道沖刷分析

佳縣白云山段河道屬于峽谷型河道，兩岸高山相挾，河谷寬600 m左右。主流緊靠左岸，非汛期水面寬130～340 m，水深為3.0～4.2 m，最深處5.6 m，水面比降0.57‰。行洪寬度小、流速大，雖然河勢(shì)比較穩(wěn)定，但隨著河道流量的變化，沿岸頂沖位置難免會(huì)上提下挫，特別是彎道段河勢(shì)的變化，對(duì)直流河段影響更是明顯。因此，要重視頂沖段護(hù)根工程的深度和寬度，也要重視平順河段的護(hù)根工程設(shè)計(jì)。工程所在河段地處峽谷型河道“S”彎道中，河谷寬約450～740 m，河槽窄深，河床質(zhì)由砂礫石組成，基巖埋深較小。兩岸山體陡峭，巖石外露。工程場(chǎng)區(qū)基巖地層主要為中生代侏羅紀(jì)砂巖地層?；鶐r的天然容重為2.2～2.6 g/cm3，比重 2.6～2.75 g/cm3，滲透系數(shù) 3.8×10-3～4.06×10-5m/d，承載力300～800 kPa，與漿砌塊石的摩擦系數(shù)為0.4，具有很強(qiáng)的防沖刷性。

沖刷坑深度主要取決于河流的洪水流量、流速、流勢(shì)及河床質(zhì)粒徑。本次設(shè)計(jì)采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D公式進(jìn)行計(jì)算。

①水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度由下式計(jì)算：

式中：hB為從水面算起的局部沖刷深度，m；hp為沖刷處的水深，m；Vcp為平均流速，m/s；V允為河床面允許不沖流速，m/s，按中砂取0.7 m/s；n為系數(shù)，取1/4。

經(jīng)計(jì)算 Δhp＝0.744 m。

②水流斜沖護(hù)岸坡產(chǎn)生的沖刷按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的公式：

式中，Δhp為從河底算起的局部沖刷坑深度，m；Vj為水流的局部沖刷流速取值5.83 m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；d為坡腳處土壤計(jì)算粒徑cm，取0.55 cm；α為水流與岸坎的交角，取30°；m為防護(hù)建筑物的邊坡系數(shù)，取m=0.6。

計(jì)算得局部沖刷坑深度△hp＝4.73 m。

比較水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度和水流斜沖護(hù)岸坡產(chǎn)生的沖刷深度，取△hp＝5 m。該段河道覆蓋層不厚，覆蓋層以下為基巖，洪水對(duì)基巖的沖刷相對(duì)很小，故只考慮到基巖面上。設(shè)計(jì)的堤防基礎(chǔ)應(yīng)全部放在新鮮的基巖面上并嵌入基巖1 m深度，這樣可保證堤防基礎(chǔ)免受沖刷破壞。

5 結(jié)語

佳縣白云寺河段缺乏實(shí)測(cè)水文資料，通過對(duì)下游吳堡水文站的監(jiān)測(cè)資料和區(qū)間洪水的分析，提出工程防洪標(biāo)準(zhǔn)取30年一遇洪水為宜，以吳堡水文站設(shè)計(jì)洪水成果作為工程區(qū)域的設(shè)計(jì)洪水成果。根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)和河勢(shì)、洪水情況，計(jì)算出河道沖刷深度為5 m，提出設(shè)計(jì)的堤防基礎(chǔ)應(yīng)全部放在新鮮的基巖面上并嵌入基巖1 m深度，以確保堤防建設(shè)安全。工程建成后，多年平均防洪效益為703.05萬元。