大同市御河生態(tài)濕地工程洪水影響分析

范 源

（山西水利發(fā)展研究中心，山西 太原 030002）

1 流域及水文概況

御河是海河流域永定河水系桑干河的一級支流，發(fā)源于內蒙古自治區(qū)豐鎮(zhèn)市西北部的三義泉鄉(xiāng)三岔河村，內蒙古境內稱飲馬河，由北向南流經(jīng)豐鎮(zhèn)，于新榮區(qū)堡子灣鄉(xiāng)姜村流入大同市境內，流域面積5 016 km2，干流全長148 km，其中大同市境內干流長69.2 km，流域面積2 613 km2，流域平均縱坡3‰，在大同市南部的吉家莊村匯入桑干河。流域內為典型的大陸性季風氣候區(qū)。最大年降水量為675 mm（1959年），最少年降水量為194.1 mm（1965年），年均蒸發(fā)量1 152.1 mm。

2 地質情況

工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度為Ⅶ度。鋼閘壩場地土的類型屬中硬土，場地類別為I類，場地屬對建筑抗震有利地段。工程區(qū)標準凍深1.50 m，最大凍深1.86 m。河道淺層①礫石為強透水層，其可作為護岸擋墻基礎持力層，承載力220～240 kPa，內摩擦角32°。本次御河重點治理河段地下水位埋深多在1.0～2.0 m，地下水主要接受地表水流及排污水和大氣降水的入滲補給，變化整體向下游補給排泄。河道水對混凝土具硫酸鹽型弱腐蝕性。工程段砂巖產狀平緩，無斷裂、褶皺等地質構造。

根據(jù)《山西省地表水資源》資料分析，工程區(qū)域的年徑流主要由大氣降水產生。6～9月為夏汛期，徑流量占年徑流總量的60%～70%，一般在3月下旬至4月上旬為春汛期，徑流量占年徑流量的比值一般小于10%，11～12月和次年1～2月為枯水期，徑流量占年徑流總量的5%～10%，4月中旬至5月和10月，分別為枯水至豐水和豐水至枯水的過渡期。徑流的年際變化較大。

御河流域的洪水由暴雨形成，暴雨主要發(fā)生在每年的6～9月份。根據(jù)《山西省暴雨普查資料》和《山西省場次洪水分析》等資料的統(tǒng)計分析，造成本流域大洪水的暴雨地面天氣系統(tǒng)主要是臺風、華北氣旋、蒙古氣旋和江淮氣旋。據(jù)孤山水文站1953—2013年資料統(tǒng)計，最大洪峰流量為2 020 m3/s（1967年），最小洪峰流量為9.3 m3/s（2007年），兩者的比值達217倍。

3 河道歷史演變

根據(jù)本河段河道前期演變情況，預測未來主河槽的擺動明顯受控于兩岸河堤和來水量的大小；隨來水來沙的不同，沖刷和淤積情況均有發(fā)生，總趨勢是淤積量增加。小水時，水流基本穩(wěn)定在主槽內，平面變形比較小，但水流流速小，容易產生淤積。大水時水流流速加大，河床的縱向變形將加??；本河段堤防標準為20年一遇，發(fā)生超標準洪水時，溢流潰壩，水面加寬，但根據(jù)地形情況，水流主線仍在現(xiàn)狀河道內，主槽大幅擺動可能性較小。

4 壅水分析

天然河道興建阻水建筑物后，除引起行洪斷面面積的減小外，還會由于阻水建筑物造成水流邊界形狀的突然改變，使邊界層發(fā)生離體并產生漩渦，形成建筑物前壅水。新建滾水壩和鋼壩閘，造成水工建筑物前壅水后將產生回水。

4.1 壅水高度計算

在計算通過設計流量情況下的壅水高度Δh（h=hhs）時，首先確定建筑物前的總水頭，hs為堰頂以上的下游水深，h為堰頂以上的堰前水深。

經(jīng)計算，上游最大水位977.20 m。下游最大水位977.00 m。壅水高度為0.20 m。滾水壩設計洪水位977.0 m，下游水位976.0 m，壅水高度為1.0 m。

4.2 回水長度計算

回水曲線全長按下列公式計算：

式中：Ly——回水曲線全長，m；

ΔZM——最大壅水高度，m；

I0——河段天然水面坡度，取河道比降。

計算結果見表1。

表1 壅水計算結果

從表1可以看出，滾水壩和鋼壩閘因壅水產生的回水較短，上游無其他水利設施，不會對回水范圍內的上游設施產生任何影響。本建設工程其他水利設施不在主槽內，洪水來臨時，不會形成壅水。

4.3 淹沒影響分析計算

根據(jù)御河生態(tài)濕地工程建設可行性研究報告中新建攔水閘采用鋼壩閘，閘孔凈寬為1×30 m，閘頂高程976.0 m，閘門頂高程977.0 m，由上游鋪蓋段、閘室段、下游消力池段及海漫段組成。水閘正常行洪設計水位977.0 m，底板高程974.0 m。

閘孔過流能力按《水閘設計規(guī)范》（SL265-2001）中堰流公式計算，計算公式為：

式中：B0——閘孔總凈寬，m；

Q——過閘流量；

H0——計入行進流速水頭的堰上水深；

g——重力加速度，取9.81m/s；

ε——堰流側收縮系數(shù)，取0.95；

σ——堰流淹沒系數(shù)，閘前最高水位時取1.0；

m——堰流流量系數(shù)。

擬定閘孔為1孔，凈寬30 m，經(jīng)復核，正常最大過流能力為275.651 m3/s。

為減少鋼壩閘的頻繁起落，設計允許壩頂在一定水深范圍內溢流，溢流水深最大控制在0.6 m，溢流水位為976.60 m。

新建滾水壩采用混凝重力壩，壩長30 m，壩頂高程976.0 m，兩側擋墻頂高程977.0 m，由上游鋪蓋段、壩身段、下游消力池段及海漫段、防沖槽組成。水閘正常行洪設計水位977.0 m，底板高程974.50 m。

壩頂最大溢流量按自由堰流計算。計算公式如下：

式中：m——流量系數(shù)，薄壁型實用堰，經(jīng)計算得0.4；

b——壩頂以上過水斷面的寬度，取30 m；

ε——側收縮系數(shù)，采用0.96；

H溢——不計行進流速水頭的堰上水頭，取0.6 m；

經(jīng)計算，鋼壩閘壩頂最大溢流量為23.9 m3/s。超過該流量，應采取塌壩措施。新建滾水壩最大流能力為48.68 m3/s。

建設項目20年一遇洪峰流量為1 394 m3/s。遠大于鋼壩閘最大過流能力275.65 m3/s，壩頂塌壩流量23.9 m3/s與滾水壩流量48.68 m3/s之和。因此，20年一遇洪峰流量來臨時，洪水將漫過鋼壩閘和滾水壩進行溢流，多余洪水量1 045.77 m3/s需從河道右岸進行泄洪，才能使洪水正常通過。

5 沖刷與淤積影響分析計算

水工建筑物建成后會在建筑物各腳點處引起河床的變形，即由于束窄河床引起的一般沖刷和建筑物阻水改變水流結構引起的局部沖刷。

5.1 主槽防沖刷計算：

墻基沖刷有縱向沖刷和斜向沖刷兩種情況，根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286—2013），平順護岸沖刷深度公式如下：

式中：hs——局部沖刷深度，m；

H0——沖刷處的水深，m；

Ucp——近岸垂直平均流速，m/s；

U——行近流速，m/s，根據(jù)主槽水力計算成果，取最大流速3.5 m/s。

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，取1/4。

η——水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表D.2.2采用；

d50——床沙的中值粒徑，m；

γs———泥沙的容重，kN/m3；

γ——水的容重，kN/m3。

經(jīng)計算：順向沖刷深度為0.6～1.0 m，故順向沖刷埋深取1.0 m；斜向沖刷深度30°以內，沖刷深度為0.9～1.18 m，故30°以內的斜沖基礎埋深取1.2 m；斜向沖刷深度30°以上，沖刷深度為1.2～1.46 m，30°以上的斜沖基礎埋深取1.5 m。設計主槽斷面尺寸和形式滿足10年一遇洪水要求。

5.2 鋼壩閘和滾水壩海漫沖刷深度

海漫沖刷深度采用以下公式計算：

式中：dm——海漫末端河床沖刷深度，m；

qm——海漫末端單寬流量，m2/s；

[v0]——河床土質允許不沖流速，取0.81，m/s；

hm——海漫末端水深，m。

經(jīng)計算，鋼壩閘下游沖刷深度0.7 m，海漫末端不設防沖槽，設1.5 m深齒墻。設計鋼壩閘海漫斷面尺寸和形式滿足10年一遇洪水要求。

滾水壩下游沖刷深度1.333 m，海漫末端設防沖槽，設1.5 m深防沖槽。滾水壩海漫斷面尺寸和形式滿足10年一遇洪水要求。

渠道不淤流速經(jīng)驗公式：V不淤=C×R0.5，式中，C為不淤流速系數(shù)，取0.65；R為水力半徑，取2.36 m。根據(jù)主槽水力計算成果，最大行進流速為3.5 m/s，遠大于不淤流速1.0 m/s。因此，一般不會存在淤積的現(xiàn)象。

6 河道行洪影響分析

本項目在河道上新建滾水壩和鋼壩閘，將造成水工建筑物前壅水。雖然產生壅水和回水，但滾水壩和鋼壩閘的建設不影響河道行洪。因此，壅水產生的回水不會對周邊設施產生任何影響。御河生態(tài)濕地工程其他水利設施不在主槽內，洪水來臨時，不會形成壅水。因主槽右岸無任何建筑物，且地勢低于左岸，洪水出槽后將形成漫灘，因此，這些建筑物雖產生一定的壅水，但對行洪影響很小。

7 結論

本項目在河道上新建滾水壩和鋼壩閘，通過壅水分析，滾水壩和鋼壩閘建設不會影響河道行洪要求。水工建筑物軸線布設與水流基本平行，挑流較小，對河道沖刷影響較輕，項目建設對河勢穩(wěn)定的影響較小。沉砂池、曝氣濾池等建筑物最低高程均低于設計水位，但因主槽右岸無任何建筑物，且地勢低于左岸，洪水出槽后將形成漫灘，因此，這些建筑物雖產生一定的壅水，但對行洪影響很小。目前，河道兩岸無堤防以及其它防洪工程，因此生態(tài)濕地工程的建設對防洪工程不存在影響。