沭河王莊閘下河道治理方案研究

蘇崇峰

（徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院 徐州 221018）

1 河道概況

沭河是沂沭泗河洪水東調(diào)南下工程中的骨干工程之一。沭河源于沂蒙山區(qū)的沂山南麓，南經(jīng)莒縣、臨沭、新沂，于口頭入新沂河，河道全長(zhǎng)300km，流域面積6400km2，其中徐州市境內(nèi)沭河長(zhǎng)44.7km。

根據(jù) 《沂沭泗河洪水東調(diào)南下續(xù)建工程實(shí)施規(guī)劃》，沭河防洪標(biāo)準(zhǔn)由20年一遇提高到50年一遇，設(shè)計(jì)流量為塔山閘以上2500m3／s，塔山閘以下3000m3／s。

根據(jù)新安鎮(zhèn)水文站1950～2005年的歷年最大流量統(tǒng)計(jì)分析，多年平均流量865m3／s，5年一遇流量1300m3／s，2年一遇流量550m3／s，最小流量163m3／s。非汛期最大多年平均流量80m3／s，5年一遇150m3／s，10年一遇250m3／s。

根據(jù)新安鎮(zhèn)水文站泥沙統(tǒng)計(jì)分析，輸沙率（kg／s）：多年平均12.4，年平均最大65.2；多年平均輸沙量39.1萬(wàn)t；含沙量 （kg／m3）：多年平均0.76，年平均最大1.47。

沭河地處郯廬斷裂帶，河槽為天然河道，河床、堤防土質(zhì)基本上為砂性土，兩岸堤防質(zhì)量差，部分堤段為砂堤砂基，河道比降陡，流速大，彎道多，形成險(xiǎn)工險(xiǎn)段較多，特別是沭河下游王莊閘至新沂河河道長(zhǎng)16.5km，成為沭河防洪工程治理的重點(diǎn)。

2 河道特性及河床演變趨勢(shì)分析

沭河王莊閘下至新沂河河道長(zhǎng)16.5km，彎道眾多，河灘地隨河道形式而變化，急彎內(nèi)側(cè)灘地較寬，外側(cè)狹窄，河岸十分陡峻。河床平均比降為1／1400。河流地質(zhì)作用沉積物以砂質(zhì)為主，河流地質(zhì)作用以沖刷為主，部分堤段沖刷嚴(yán)重，形成崩岸，河床邊界穩(wěn)定性差，河道抗沖刷能力低。

2.1 沭河出口處與新沂河水面線和河底高程不銜接

新沂河是南下工程的入海通道，匯集南下的來(lái)水，其中駱馬湖以上流域面積51200km2，嶂山閘以上來(lái)水有駱馬湖調(diào)蓄，泄洪幾率相對(duì)總沭河較小，特別是中小流量時(shí)，嶂山閘不泄洪或泄洪流量較小，新沂河口頭以西的區(qū)間排水面積又很少，造成新沂河常處于低水位狀態(tài)。水位統(tǒng)計(jì)資料顯示，1982年以前口頭汛期多年平均最低水位為10.89m，1982～1999年為8.77m，1999～2003年為7.79m；1990～2003年汛期月平均水位為9.05m。沭河出口處新沂河設(shè)計(jì)洪水位為16.52m，當(dāng)駱馬湖嶂山閘不泄洪時(shí)，新沂河水位常處在9.0m以下。而沭河為經(jīng)常性來(lái)水河道，特別是沭河中小流量時(shí)，使得沭河口頭處與新沂河水面線不銜接。根據(jù)1982年測(cè)量資料，沭河口頭處河底高程為10.7m，新沂河口頭處河底高程9.64m，河底相差1.06m，2005年沭河口頭處河底高程為5.0m，新沂河口頭處河底高程3.5m，河底相差1.5m。因此沭河出口處與新沂河水面線和河底高程均不銜接，導(dǎo)致河床沖刷下切嚴(yán)重。

2.2 沭河河道彎曲，比降陡

沭河王莊閘下至新沂河段河床灘地自西北向東南傾斜，灘面寬度125m～1039m，河口寬度141m～518m。左右大堤堤距為430m～1250m，地面高程由20.0m至16.0m，河底高程由14.0至3.5m。河道邊坡大多在1∶2以下，河岸十分陡峻。該河段彎道較多，90°彎道達(dá)7處，曲折系數(shù)在1.14～1.26之間，曲率半徑在0.45～0.96km之間，擺幅在0.52～1.2km之間。該段河床縱向比降達(dá)1／1400，中小流量常處于急流狀態(tài)，大流量時(shí)流速大于允許不沖流速，現(xiàn)狀河道縱向比降較之1982年及1999年的河道縱向比降相比，沒(méi)有改觀，在現(xiàn)狀及以后的年份中，河床比降陡、流速大依然是引發(fā)河床繼續(xù)沖刷下切的主要因素之一。

2.3 上游來(lái)水含沙量不斷減少

河流泥沙的主要來(lái)源是自然力對(duì)流域表面的地表侵蝕和因重力失衡引起的重力侵蝕，影響河流輸沙量的主要因素為氣候因素、下墊面因素和人類(lèi)活動(dòng)等三個(gè)方面。上個(gè)世紀(jì)60年代初沭河上游興建了沙溝、青峰嶺、小仕陽(yáng)、陡山4座大型水庫(kù)和石泉湖等4座中型水庫(kù)，水庫(kù)控制流域面積占沭河總流域面積約30%，河道上多道閘壩等攔河建筑物的興建，上游山區(qū)水土保持措施的加強(qiáng)，以及人工采砂等，上個(gè)世紀(jì)80年代以前和以后，年累計(jì)輸沙量與年累計(jì)徑流量曲線的斜率有明顯變化，前后時(shí)段平均含沙量減少約50%，近年來(lái)含沙量呈進(jìn)一步減少趨勢(shì)。特別是中小流量時(shí)，上游水庫(kù)和攔河建筑物的攔水?dāng)r沙，下游河道含沙量減少，亦造成下游河道的沖刷下切。

2.4 河道抗沖能力分析

計(jì)算流量的選擇，通常利用某一頻率洪水作為造床流量，根據(jù)國(guó)內(nèi)研究，造床流量接近略小于2年一遇洪水，較多使用的是1.5年一遇洪水作為造床流量，也有取多年平均洪峰流量即常年洪水作為造床流量。根據(jù)沭河歷年最大流量統(tǒng)計(jì)分析成果，主要針對(duì)河道行洪500m3／s和800m3／s進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)沭河王莊閘以下河道地質(zhì)勘探資料，河道以砂性土為主，最大厚度達(dá)到20m以上，層底高程達(dá)到－2.0m以下，抗沖能力弱。按照 《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算不同水深不同河段允許不沖流速情況如下：①小流量時(shí) （200m3／s）河道允許不沖流速為0.20m／s～0.77m／s，現(xiàn)狀河道流速 為 0.58m／s～ 2.41m／s； ② 1.5 年 一 遇 時(shí)（500m3／s） 河 道 允 許 不 沖 流 速 為 0.32m／s～0.82m／s，現(xiàn)狀河道流速為0.82m／s～2.67m／s；③中等流量時(shí) （800m3／s）河道允許不沖流速為0.34m／s～0.84m／s，現(xiàn)狀河道流速為1.14m／s～3.20m／s。計(jì)算結(jié)果表明，中小流量時(shí)現(xiàn)狀河道流速均要大于河床允許的不沖流速，造成河床有沖刷下切趨勢(shì)。

綜合以上分析，因該段河道出口處與新沂河河底高程和水面線均不銜接，河道縱向比降大，河床土質(zhì)基本上為砂性土，中小流量常處于急流狀態(tài)，大流量時(shí)流速大于允許不沖流速，加之河道彎道較多，導(dǎo)致河床下切灘面沖刷趨勢(shì)嚴(yán)重，造成河勢(shì)不穩(wěn)，河坡不斷坍塌，大量的險(xiǎn)工不斷出現(xiàn)，跨河及穿堤建筑物出現(xiàn)不斷沖毀，已嚴(yán)重威脅堤防、跨河建筑物和河道的防洪安全，而且灘面上群眾賴(lài)以生存的良田、桑園、果園等不斷塌入河中，水土流失嚴(yán)重。為確保王莊閘下河道穩(wěn)定，達(dá)到規(guī)劃治理的目標(biāo)，保證行洪安全，避免土地資源流失等問(wèn)題，必須解決王莊閘下河道持續(xù)沖刷下切趨勢(shì)。

3 王莊閘下河道治理方案

針對(duì)王莊閘下河道不斷沖刷下切的趨勢(shì)，為達(dá)到防洪規(guī)劃治理的目標(biāo)，我院在 《沂沭泗河洪水東調(diào)南下續(xù)建工程實(shí)施規(guī)劃》階段，進(jìn)行了建設(shè)壅水壩與河道裁彎取直兩個(gè)方案的比選，由于裁彎取直方案占地較多，投資超過(guò)3億元，效果也難以估計(jì)，因此仍采用對(duì)原河道的治理方案。在可研和設(shè)計(jì)階段，我院又進(jìn)一步對(duì)險(xiǎn)工護(hù)砌與建設(shè)壅水壩兩個(gè)方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

3.1 險(xiǎn)工護(hù)砌方案

沭河王莊閘下險(xiǎn)工眾多，河道現(xiàn)狀邊坡大多在1∶2以下，最陡處幾乎為1∶0，河道灘面至河底深度一般都在10m以上，堤頂至河底深度一般在14m左右，最大達(dá)到17m以上，河岸十分陡峻。因河道不斷沖刷下切，該段河道老險(xiǎn)工坡面不斷坍塌，底腳墻沖毀，新險(xiǎn)工逐年出現(xiàn)，王莊閘以下河道護(hù)砌長(zhǎng)度累計(jì)達(dá)7.35km，修筑丁壩10余處，治理效果依然很差，舊險(xiǎn)工修復(fù)時(shí)間不久，新的險(xiǎn)工又不斷出現(xiàn)。目前從王莊閘至口頭16.5km范圍內(nèi)，兩岸險(xiǎn)工段長(zhǎng)度達(dá)26.4km，其中處于彎道、沒(méi)有灘面或?yàn)┟妾M窄的險(xiǎn)工段長(zhǎng)度為14.3km。

采用傳統(tǒng)的漿砌塊石對(duì)險(xiǎn)工進(jìn)行護(hù)砌，該方案施工工藝簡(jiǎn)單，工程投資約為8000萬(wàn)元，可以暫時(shí)解決防洪安全問(wèn)題，但不能解決河床持續(xù)沖刷下切問(wèn)題，隨著河床不斷沖刷下切，新的險(xiǎn)工會(huì)不斷出現(xiàn)，且護(hù)坡需不斷向下接長(zhǎng)，維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，管理難度大，不能從根本上解決該河段的防洪問(wèn)題。

3.2 壅水壩方案

根據(jù)總沭河王莊閘下河道比降陡，中小流量行洪時(shí)，流速大，對(duì)河床沖刷嚴(yán)重，而且設(shè)計(jì)流量最大值達(dá)到3000m3／s的特點(diǎn)，建設(shè)壅水壩主要是中小流量時(shí)分段抬高水位，減緩水面比降，降低河床流速，大流量時(shí)不阻礙行洪，通過(guò)多年運(yùn)行，可使中小流量時(shí)河床淤積，抬高河床，最終減緩河床比降，改變沭河河床沖刷下切，達(dá)到穩(wěn)定河床的目的。

壅水壩數(shù)量的比選：經(jīng)過(guò)對(duì)1～4道壩的計(jì)算分析，主要選取3道壩和4道壩兩個(gè)方案進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。比較結(jié)果表明，3道壩方案水流比較平緩，流速較小，可比項(xiàng)投資7570萬(wàn)元；4道壩方案水流較3道壩方案緩，流速較3道壩方案小，但差別程度不大，可比項(xiàng)投資11420萬(wàn)元。經(jīng)綜合比較，3道壩方案建壩后水流較平緩，流速較小，建壩效果也相當(dāng)明顯，而且投資較4道壩方案省3850萬(wàn)元，因此選擇3道壩作為實(shí)施方案。

壅水壩壩頂高程的比選：壩頂高程確定的過(guò)高則投資較大，過(guò)低難以起到降低水面比降和流速的作用。影響沭河河道穩(wěn)定的主要是出現(xiàn)機(jī)率較高的中小流量，通過(guò)擬定不同的壩頂高程，分別計(jì)算設(shè)計(jì)流量下的水位情況和中小流量時(shí)降低水面比降及流速的程度，計(jì)算擬定了3種壩頂高程，從比較結(jié)果分析，壩頂高程越高，沿程水面比降緩，流速小，但造價(jià)高；壩頂高程越低，沿程水面比降陡，流速大，對(duì)河床穩(wěn)定不利。因此壩頂高程是既考慮了3座壅水壩相互配合協(xié)調(diào)，起到穩(wěn)定各段河床的作用，在河床穩(wěn)定后各段河道水面比降與河底比降基本一致，又考慮了投資省，經(jīng)綜合比選確定3座壅水壩的壩頂高程分別為廣玉15.0m、邵店12.0m和口頭10m。

壅水壩堰型比較：經(jīng)實(shí)用堰和寬頂堰兩種堰型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選用WES型實(shí)用堰作為壅水壩的堰型。

根據(jù)理論計(jì)算，3座壅水壩興建后，可改善水流特性，從大中小不同流量，對(duì)比建壩前后水面線的變化，建設(shè)壅水壩可以利用建筑物集中消能，既可實(shí)現(xiàn)河道出口處與新沂河的水面線銜接，又大大減緩分段河道的水面縱向比降，大大減小中小流量時(shí)的河道流速，可使中等流量的流速由現(xiàn)狀1.14m／s～3.20m／s下降至0.62m／s～0.8m／s，達(dá)到不沖流速。經(jīng)運(yùn)行后河道會(huì)形成一定的淤積，長(zhǎng)期形成平衡比降。建設(shè)壅水壩治理的主要是中低水河槽，經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)流量水面線計(jì)算，興建壅水壩對(duì)行洪沒(méi)有影響。

1992年沂沭泗河洪水東調(diào)南下一期工程治理時(shí)，針對(duì)王莊閘下的沭河治理，就設(shè)置了簡(jiǎn)易壅水試驗(yàn)壩，對(duì)比邵店試驗(yàn)壩建設(shè)前后壩上河道淤積情況，一個(gè)汛期后壩上河道200m范圍內(nèi)河槽淤積了0.5～0.7m，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，直接驗(yàn)證了建設(shè)壅水壩對(duì)改善河床特性，調(diào)整水面比降，穩(wěn)定河床的顯著效果。另外，王莊閘以上段河道建有塔山閘和王莊閘兩個(gè)梯級(jí)控制工程，對(duì)調(diào)節(jié)中小流量，穩(wěn)定河床起到了顯著效果，通過(guò)計(jì)算塔山閘以上及塔山閘～王莊閘現(xiàn)狀河道縱向比降、河道流速狀況，這兩段河道相對(duì)穩(wěn)定，根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，近20年來(lái)河床變化不大，也類(lèi)比說(shuō)明建設(shè)壅水壩對(duì)穩(wěn)定河床的顯著效果。

綜合以上險(xiǎn)工護(hù)砌和壅水壩兩個(gè)方案比較結(jié)果表明：險(xiǎn)工護(hù)砌方案一次性投資稍小，但不能從根本上解決王莊閘以下河道沖刷問(wèn)題，河床將繼續(xù)下切，常年整修和維護(hù)費(fèi)用高。壅水壩方案雖然一次性投資較險(xiǎn)工護(hù)砌方案大些，但可以從根本上解決王莊閘下河道的沖刷下切問(wèn)題，保護(hù)堤防及跨河和沿線建筑物的安全，且維護(hù)管理費(fèi)用低。故選擇興建3座壅水壩的治理方案。

另外，通過(guò)壅水壩的建設(shè)，除對(duì)穩(wěn)定河床，達(dá)到防洪安全的目標(biāo)外，對(duì)改善河道生態(tài)，也會(huì)起到積極的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

沭河王莊閘下河道的治理，是江蘇段沭河治理的重點(diǎn)內(nèi)容。通過(guò)對(duì)王莊閘下河道特性及沖刷下切趨勢(shì)的原因分析，治理方案的比選，建設(shè)壅水壩方案能較徹底解決該河段存在的突出問(wèn)題，以達(dá)到防洪規(guī)劃的目標(biāo)。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(jì)，已于2008年經(jīng)水利部和國(guó)家發(fā)改委審批，目前王莊閘下3座壅水壩已建設(shè)完成。