沂河華沂至鐵路橋段河道治理方案研究

蘇崇峰

（徐州市水利建筑設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221018）

沂河是沂沭泗流域骨干行洪河道之一，源于山東沂蒙山南麓，流經(jīng)山東省臨沂市，至江蘇省新沂市苗圩入駱馬湖。沂河流域面積11820km2，河道全長333km，其中江蘇境內(nèi)長45.5km。

經(jīng)過1953年的導(dǎo)沂整沭工程、1957年汛后全線加固、1974年特大洪水后全線整修加固和東調(diào)南下一期工程等多次治理后，沂河防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到20年一遇。根據(jù)《沂沭泗河洪水東調(diào)南下續(xù)建工程規(guī)劃》，沂河的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到50年一遇，設(shè)計行洪流量由7000m3／s增至8000m3／s。

根據(jù)沂河港上站1972～2005年實測年最大流量統(tǒng)計，多年平均流量為1748m3／s。沂河上游來水含沙量多年平均為0.5kg／m3，最小為0.2kg／m3，最大為1.0kg／m3。沂河上游山東境內(nèi)興建了多座大中型水庫和多級攔河閘壩，并隨著面上水土保持措施的加強(qiáng)，上游來水的含沙量近年來呈逐年減少的趨勢。

沂河原在華沂以上從老沂河入駱馬湖，1953年導(dǎo)沂整沭時，沂河改道，自華沂順勢向南挖泓束堤行洪，在苗圩處入駱馬湖。沂河華沂以上為天然河道，具有一定的河槽，鐵路橋以下，在沂河改道時開挖了中泓，底寬為150m，而華沂至鐵路橋段4.8km，利用原有白馬河的小河槽排小水而未開挖中泓，并建有華沂閘、隴海鐵路橋和徐海一級公路橋等3座建筑物，該河段水流紊亂，東岸沖刷大堤，西側(cè)灘面淤積嚴(yán)重，行洪能力明顯下降，已成為沂河提高防洪標(biāo)準(zhǔn)需重點治理的河段。

1 存在主要問題

1.1 河道淤積，阻水嚴(yán)重

華沂至鐵路橋段河道長4.8km，在1953年導(dǎo)沂整沭時未開中泓，左岸支流白馬河從華沂開始，在大堤里側(cè)向南延伸1.2km進(jìn)入沂河。白馬河來水沿東偏泓向南，在鐵路橋處拐到河道中心。因該段沂河沒有中泓，行洪時主流在東偏泓，西側(cè)灘面普遍淤積，淤積寬度400～600m，高度在1m以上，局部淤高3m。由于水流紊亂，河道淤積，行洪水位逐漸抬高，行洪能力明顯下降。1997年8月沂河行洪僅4040m3／s，比1974年流量小2340m3／s，而華沂水位卻高出1974年水位0.25m，中、小流量高水位的現(xiàn)象已成為沂河行洪的新特點。沂河代表年華沂段行洪情況見下表。

表1 沂河1974～1997年行洪情況統(tǒng)計表

1.2 主流沖刷東大堤，形成險工

沂河華沂至鐵路橋段河道無中泓，白馬河沿沂河?xùn)|偏泓（白馬河河槽）向南，在鐵路橋下才拐到下游中泓，東偏泓長期承受著沂河來水和白馬河來水雙重壓力，河槽沖寬沖深，底寬50～100m，造成東偏泓緊鄰東大堤，幾乎無灘地，河坡與堤坡相連，行洪時主流直接沖刷東大堤，因大堤內(nèi)外側(cè)均臨水，無復(fù)堤土源，現(xiàn)狀堤頂筑有擋浪墻，土堤相對薄弱，形成較長的險工段。

1.3 華沂閘阻水，影響水流

華沂漫水閘位于沂河和老沂河交匯口下500m，調(diào)節(jié)沂河上游枯水季節(jié)的徑流，用于農(nóng)業(yè)灌溉及便于兩岸交通，1957年興建，共24孔，每孔凈寬1.3m，閘上下游灘地平均高程約25.0m，閘頂和兩側(cè)連接道路路面高程均為26.10m。由于華沂閘至鐵路橋段無中泓，水流紊亂，華沂閘上河道有沖有淤，閘孔無法啟閉，起不到蓄水作用，節(jié)制閘已廢棄，僅作為交通橋使用。該閘閘孔很小，總凈寬僅31.2m，阻水嚴(yán)重，且影響水流流態(tài)。

2 治理方案研究

沂河華沂至鐵路橋段河道，上游建有華沂漫水閘；中游白馬河在東側(cè)堤內(nèi)與沂河交匯；下游建有隴海鐵路橋和徐海一級公路橋。針對該河段現(xiàn)狀無中泓，東偏泓緊鄰東大堤，水流不順，流態(tài)復(fù)雜，建筑物阻水等情況，2002年委托揚(yáng)州大學(xué)水利學(xué)院進(jìn)行了治理方案的動床模型試驗，試驗于2003年底完成。

2.1 模型試驗設(shè)計和中泓治理方案

（1）模型律及模型比。模型試驗遵循《河工模型試驗規(guī)程》規(guī)定的有關(guān)相似準(zhǔn)則，保證原模型河道水流運(yùn)動相似和動力相似，即原模型滿足重力相似和粘滯力相似。根據(jù)模型試驗要求并結(jié)合場地等條件，取模型比Lr＝120。經(jīng)分析計算，為保證行洪時模型河道水流處于粗糙紊流區(qū)并排除表面張力的影響，需適當(dāng)加大水深，故采用變態(tài)模型方案，取變態(tài)系數(shù)ξ＝3，水深比尺h(yuǎn)r＝120／3。流速比尺及流量比尺分別為：

（2）模型河床底砂。原型河道淤砂為中細(xì)砂。試驗采用動床模型，為滿足試驗要求，須實現(xiàn)河床底砂模擬。泥沙開動流速用下式計算：

式中：γs、γ分別為淤沙和水比重；h為河道水深；a為泥沙開動阻力系數(shù)，取a≈1。運(yùn)用相似變換可得開動流速比尺：

為準(zhǔn)確模擬沖淤狀態(tài)，經(jīng)計算比較試驗選用滑石粉作為動床模型河床底砂，其比重γm＝2.80，顆粒直徑d50≈4×10－3mm，可求得開動流速比尺vkr＝6.13，與流速比尺基本一致，滿足模擬要求。

（3）糙率比尺。根據(jù)續(xù)建工程規(guī)劃，中泓糙率n為0.029，灘面綜合糙率n為0.033，原模型河床糙率比尺為：

（4）模型試驗方案和結(jié)果。試驗按沂河50年一遇流量8000m3／s，中等年份5000m3／s，一般年份2000～3000m3／s和中泓平槽流量等4種來流條件，白馬河按最大（20年一遇流量629m3／s）和無水條件下運(yùn)行試驗。主要觀測各種條件下中泓、灘面的沖刷和淤積狀態(tài)，分析和預(yù)測沖淤狀態(tài)的變化關(guān)系。試驗將河道沖淤區(qū)域大致分為三個區(qū)域：上游區(qū)，華沂壩向上1km地段；中游區(qū)，華沂閘至白馬河與沂河交匯處；下游區(qū)，白馬河與沂河交匯口以下河段。根據(jù)試驗結(jié)果，上游區(qū)因河道平直，水流平穩(wěn)，各種流量條件下中泓無沖淤，因華沂閘壅水，閘前水深大，流速小，各種流量下灘面呈沙壟狀；中游區(qū)由于華沂閘及白馬河交匯的影響，水流狀態(tài)變化較大，河床存在沖淤，在大中流量條件下，華沂閘下中泓部位及灘面均有不同程度的沖淤；下游區(qū)沖淤情況比中游區(qū)為輕，鐵路橋橋墩對河床沖淤影響不明顯。該河段按規(guī)劃擬定方案整治后，試驗表明平槽流量時未見沖淤，中泓、灘面一起行洪流量較小時，也未見沖淤，其它流量除局部有沖淤外，與現(xiàn)狀沖、淤情況對比，整治效果明顯。從模型試驗結(jié)果分析，沂河華沂至鐵路橋段開挖中泓的治理方案合理可行。

（5）中泓治理工程設(shè)計。根據(jù)模型試驗結(jié)論，沂河華沂至鐵路橋段采用開挖中泓的治理方案。該河段堤距約800m，中泓設(shè)計中心線基本沿左右岸大堤中間，北端接上游河槽，穿過隴海鐵路橋和徐海一級公路橋預(yù)留的中段深孔接下游中泓，設(shè)計河底高程和底寬與鐵路橋以南段中泓一致，即河底高程22.79m，河底寬150m，河坡1∶3。河道開挖的土方可綜合利用，利用部分土方填平東偏泓，理順?biāo)?，消除東大堤險工；部分宜復(fù)堤的土方，用于加復(fù)堤防斷面；該河段的西大堤為砂堤險工，利用中泓開挖的棄土堆于西大堤背水側(cè)，以加固堤防。

2.2 白馬河調(diào)尾入沂河中泓的整治方案

白馬河位于沂、沭河之間，上游發(fā)源于分沂入沭水道以南馬陵山區(qū)，自東北向西南縱貫郯城縣全境，至新沂市吳樓入沂河，河道全長60km，流域面積668km2。1951年在華沂附近開辟沂河時，白馬河改于小河莊入沂河。1953年春，為了降低白馬河出口水位利于排澇，將白馬河口下移至華沂下1.2km處入沂河，并與沂河中間建有1.2km長的隔堤，白馬河來水沿東偏泓向南，在隴海鐵路橋處拐到下游河道中泓。白馬河在華沂閘至鐵路橋段匯入，流態(tài)復(fù)雜，為確定白馬河出口段調(diào)尾入沂河中泓的整治方案，與開挖中泓同時進(jìn)行了模型試驗。

2.2.1 模型試驗

模型試驗根據(jù)白馬河入沂河的交匯口位置不同擬定了兩種方案：第一方案為在白馬河與沂河現(xiàn)狀交匯口位置入沂河中泓；第二方案為白馬河出口上移至華沂閘下300m，以30°角入沂河中泓，并將白馬河下段與沂河中間隔堤切除。

試驗主要觀測各種條件下中泓、灘面及交匯口處的沖淤狀態(tài)，觀測沂河不同流量、水位及白馬河不同來水條件下河道斷面流速分布及水流流態(tài)，分析預(yù)測沖刷和淤積狀態(tài)，找出影響沖淤規(guī)律的主要因素，研究白馬河入沂河中泓的連接方案。

根據(jù)試驗結(jié)果，白馬河來水的影響，由于白馬河水流與沂河交匯時對交匯口上游沂河水流有頂托作用，白馬河來流量最大時，白馬河與沂河交匯口河槽水位比附近沂河灘面水位高0.8～1.5mm（相當(dāng)于原型3.2～6.0cm）；沂河中泓交匯口處水位高于相鄰中泓水位1.5mm左右（相當(dāng)于原型6.6cm左右）。在各種流量條件下，白馬河來水對局部沖刷和淤積有一定的影響，但沖淤的影響僅限于局部范圍內(nèi)，影響程度很小。

根據(jù)試驗結(jié)果，白馬河入沂河交匯口上移方案，沖淤規(guī)律和現(xiàn)狀位置不上移時類似，同樣劃分為三個區(qū)域，上游區(qū)：華沂閘上游1km地段；中游區(qū)：華沂閘至白馬河與沂河交匯口；下游區(qū)：交匯口以下河段。上游區(qū)沖淤情況和現(xiàn)狀位置相同；中游區(qū)華沂閘下部位沖淤類似，交匯口處白馬河向沂河轉(zhuǎn)向處的下游灘面及交匯口以下中泓沖淤比現(xiàn)狀位置方案的沖淤均略有增加，其它位置的沖淤情況，兩種方案無明顯變化。

2.2.2 白馬河入沂河中泓段治理方案設(shè)計

根據(jù)模型試驗結(jié)果，白馬河入沂河交匯口上移和不上移兩種方案沖淤情況無明顯變化，河道水面線及斷面平均流速分布基本無區(qū)別，且交匯口上移后白馬河口處水位抬高，增加白馬河的排澇負(fù)擔(dān)，所以設(shè)計方案仍保持白馬河與沂河交匯口位置基本不變，在交匯口處，白馬河不再沿東偏泓向南，而是按現(xiàn)狀交匯口位置的試驗方案，將白馬河調(diào)尾接入沂河新開挖的中泓，使白馬河來水順利納入沂河主槽，設(shè)計連接段中心線沿現(xiàn)狀河道折向西南，與沂河中泓夾角為25°平順連接，連接段長度1200m，河道設(shè)計底寬為50m，河底高程從白馬河現(xiàn)狀23.45m漸變到沂河中泓河底高程22.79m，河道邊坡1∶3。白馬河調(diào)尾后，利用中泓及連接段開挖的土方，將東偏泓即白馬河下段河槽填平，消除偏流對東大堤的沖刷。

2.3 華沂漫水閘改橋工程

華沂閘閘孔凈寬僅31.2m，華沂至鐵路橋段開挖中泓，該閘與上下游河槽極不相適應(yīng)，阻水嚴(yán)重，擬結(jié)合中泓開挖拆除漫水閘，同時為滿足兩岸防汛及生產(chǎn)交通，將漫水閘改建為漫水橋，橋長與開挖的中泓相適應(yīng)，橋面高程平兩側(cè)連接道路路面。根據(jù)模型試驗結(jié)果，華沂閘現(xiàn)狀條件下，壩下500m范圍內(nèi)中泓有一定程度的沖刷和淤積，華沂閘改橋后，中泓部位上下游均無明顯沖淤。

3 治理效果分析

沂河華沂至鐵路橋段，通過開挖中泓和整灘，改建華沂閘，并將白馬河出口調(diào)尾等治理措施，可理順?biāo)?，降低行洪水位，減少堤防險工等綜合效益顯著。根據(jù)計算，中泓開挖可降低華沂水位0.27m，華沂漫水閘改橋可降低水位0.07m，不僅可減少復(fù)堤工程量，而且可降低砂堤堤防的防洪風(fēng)險；根據(jù)試驗測量中泓平槽流量為637m3／s，中小流量可歸槽平順下泄，大流量時理順了水流；中泓開挖的土方可綜合利用，部分土方填平東偏泓，可消除東大堤險工，部分土方用于加復(fù)堤防斷面，剩余土方堆于西大堤背水側(cè)，可加固砂堤堤防。

華沂至鐵路橋段河道治理后的沖淤等河勢變化情況，根據(jù)模型試驗結(jié)果，治理方案的運(yùn)行效果良好，不會產(chǎn)生新的淤積。鐵路橋以下至新戴河口段，1953年開挖的中泓，低水歸槽，灘地平整，已運(yùn)行了幾十年，經(jīng)測量資料對比分析，河道基本不沖不淤，斷面形態(tài)穩(wěn)定，運(yùn)行狀況良好，類比說明華沂至鐵路橋段開挖中泓理順?biāo)骱螅拥罃嗝娣€(wěn)定。

4 結(jié) 語

沂河華沂至鐵路橋段，1953年導(dǎo)沂整沭時未開挖中泓，水流紊亂，淤積嚴(yán)重，水位壅高，行洪能力下降，采取開挖中泓連通上下游河槽，對灘地進(jìn)行整理，華沂漫水閘該為漫水橋，白馬河調(diào)尾接入新開挖中泓的綜合治理方案，可理順?biāo)?，有效降低行洪水位，消除大堤險工，以達(dá)到防洪規(guī)劃的目標(biāo)，并經(jīng)河道動床模型試驗研究，是合理可行的治理方案。沂沭泗河洪水東調(diào)南下續(xù)建工程沂河、沭河、邳蒼分洪道治理工程的設(shè)計，已于2008年經(jīng)水利部和國家發(fā)改委審批，目前該河段治理工程已建設(shè)完成。