北京市山區(qū)河道治理工程設(shè)計(jì)的體會(huì)

閆永旺

（北京禹冰水利勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 北京 100048）

1 引言

北京的山區(qū)面積占市域總面積的62%，山區(qū)河道多位于房山、門(mén)頭溝、懷柔、密云、延慶等京郊區(qū)縣內(nèi)，其特點(diǎn)是：區(qū)域內(nèi)地形變化較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，上下游氣候存在較大差異；河道縱坡陡，集雨面積小，暴雨相對(duì)集中，且強(qiáng)度非常大，匯流時(shí)間短，水流速度大，挾沙能力和沖刷能力強(qiáng)，其推移質(zhì)和懸移質(zhì)多，對(duì)河道沖刷嚴(yán)重，極易造成大面積水土流失；河道兩岸分布村莊、農(nóng)田，工廠、企業(yè)等，防洪標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高；為了帶動(dòng)山區(qū)旅游產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境，吸引高端產(chǎn)業(yè)落戶(hù)，山區(qū)河道治理的目標(biāo)由過(guò)去單一的提高防洪標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)“安全行洪的匯水通道，豐富穩(wěn)定的流域生態(tài)，自然和諧的生態(tài)景觀，特色生態(tài)的溝域經(jīng)濟(jì)”。

通過(guò)對(duì)大石河流域綠色水岸建設(shè)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，談幾點(diǎn)山區(qū)河道治理工程設(shè)計(jì)的體會(huì)，供類(lèi)似河道設(shè)計(jì)借鑒、參考。

2 項(xiàng)目基本情況

大石河為北拒馬河支流，發(fā)源于房山西部山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)堂上村西北，是唯一發(fā)源于房山境內(nèi)的河流，房山舊志稱(chēng)“圣水”。

大石河總流域面積為 1280平方公里，北京市境內(nèi)為1243.4平方公里，河道全長(zhǎng)129公里，北京市境內(nèi)為121公里，其中辛開(kāi)口村以上為山區(qū)河道長(zhǎng) 85公里（平均比降為 6.4‰），自辛開(kāi)口村至夏村段長(zhǎng)15公里（平均比降為3‰），夏村至北京市界長(zhǎng) 21公里（平均比降為 0.3‰）。流域內(nèi)多年平均降水量600mm左右，多年平均天然徑流量9570萬(wàn)m3，枯水年天然徑流量4785萬(wàn)m3。建國(guó)后大石河下游發(fā)生過(guò)多次洪水災(zāi)害，1956年洪水流量為1860m3/s，是漫水河水文站實(shí)測(cè)最大洪峰流量。

大石河承擔(dān)著防洪排水、生態(tài)旅游、山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種重要功能。但由于礦山的無(wú)序開(kāi)發(fā)、鐵路及護(hù)岸工程的阻隔、河岸沿線(xiàn)煤炭、水泥等工礦企業(yè)無(wú)序經(jīng)營(yíng)等一系列問(wèn)題，使得河道堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，過(guò)流斷面較小，現(xiàn)況水質(zhì)惡劣，嚴(yán)重影響著大石河的行洪排水和河道及周邊的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也對(duì)北部山區(qū)旅游資源的開(kāi)發(fā)和旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成嚴(yán)重威脅，與房山區(qū)建設(shè)旅游大區(qū)和作為首都西南生態(tài)屏障的地位極不協(xié)調(diào)。房山區(qū)委、區(qū)政府啟動(dòng)大石河流域綠色水岸建設(shè)工程，通過(guò)綜合治理的手段將河道打造成可以帶動(dòng)山區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，吸引高端產(chǎn)業(yè)落戶(hù)的基礎(chǔ)平臺(tái)。

大石河治理工程內(nèi)容包括河道疏浚工程、堤防加固工程、調(diào)蓄水工程、道路橋梁工程、環(huán)境整治工程、景觀工程、綠化工程等。

3 因地制宜、綜合治理的理念

大石河治理工程治理范圍為霞云嶺鄉(xiāng)銀水村至城關(guān)鎮(zhèn)大件路橋，河道全長(zhǎng) 52km，按照地理?xiàng)l件不同，河道分為深山區(qū)、淺山區(qū)和平原區(qū)。

深山區(qū)為霞云嶺鄉(xiāng)銀水村至佛子莊鄉(xiāng)黑龍觀景觀橋，全長(zhǎng) 24.01km，流經(jīng)霞云嶺、佛子莊兩個(gè)鄉(xiāng)，河道兩岸為108國(guó)道或山體，路面高程距河底約10～15m，防洪條件較好，河道橫斷面呈U型狀河槽，河床狹窄，洪水陡漲陡落、流速大且易挾帶推移質(zhì)淤堵下游平原河道。工程治理思路是在滿(mǎn)足相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)的條件下，疏浚河道、清除障礙物及垃圾、局部修筑堤防及護(hù)坡、恢復(fù)生態(tài)植被。從補(bǔ)充涵養(yǎng)地下水、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、保護(hù)生物多樣性和泉水綜合利用等角度出發(fā)，在不滲漏河段布置漿砌石壩，形成基本水面景觀。

淺山區(qū)為佛子莊鄉(xiāng)黑龍觀景觀橋至青龍湖鎮(zhèn)辛開(kāi)口村，全長(zhǎng) 20.09km，流經(jīng)佛子莊、河北、青龍湖三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿岸村莊鄉(xiāng)鎮(zhèn)較多，人口相對(duì)密集，河道蜿蜒曲折，局部走向變化很大，縱坡相對(duì)較小，河床較寬，兩岸分布河漫灘和階地，階地上分布村莊、居民點(diǎn)和耕地。工程治理思路是擴(kuò)挖河道，修筑堤防及護(hù)坡，提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全；疏浚河道、清除障礙物及垃圾；植樹(shù)綠化改善生態(tài)環(huán)境，恢復(fù)生態(tài)植被，在基礎(chǔ)條件較好河段布置景觀閘，結(jié)合現(xiàn)狀的蓄水建筑物梯級(jí)蓄水，形成水面景觀。

平原區(qū)為青龍湖鎮(zhèn)辛開(kāi)口村至大件路橋，全長(zhǎng)7.9km，流經(jīng)青龍湖鎮(zhèn)、燕房組團(tuán)、閻村鎮(zhèn)三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿岸分布了包括燕房組團(tuán)、燕山石化產(chǎn)業(yè)區(qū)、北京石化新材料科技產(chǎn)業(yè)基地等企事業(yè)，人口相對(duì)密集。該段河道縱坡相對(duì)較小，洪水挾帶推移質(zhì)在河床內(nèi)大量沉積，河勢(shì)呈不規(guī)則漫灘態(tài)勢(shì)，無(wú)明顯河主槽及岸線(xiàn)；河道多年干枯，高灘地被果園及廠礦侵占，嚴(yán)重阻礙行洪，沿河道內(nèi)遍布采砂坑，生態(tài)環(huán)境惡化。工程治理思路是在滿(mǎn)足相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)的條件下，適當(dāng)調(diào)整河道主槽坡降，進(jìn)行平整，疏通開(kāi)挖溝槽連通采砂坑，修整陡峭采砂坑邊坡，對(duì)堤外采砂坑回填至原地面高程，并結(jié)合地形修建集雨坑，滯留積蓄雨洪水，恢復(fù)生態(tài)植被，營(yíng)造深潭、淺灘、濕地、綠洲相結(jié)合的多層次河道空間，恢復(fù)河道自然功能。

生態(tài)景觀空間總體布局因地制宜，根據(jù)各區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行布置，確定深山區(qū)為生態(tài)保育涵養(yǎng)區(qū)，淺山區(qū)為生態(tài)治理修復(fù)區(qū)，平原區(qū)為生態(tài)重建休閑區(qū)。建設(shè)內(nèi)容以三個(gè)建設(shè)區(qū)域?yàn)榭蚣?，根?jù)其立地類(lèi)型、河道現(xiàn)狀、景觀節(jié)點(diǎn)布局分別實(shí)施，以河道生態(tài)修復(fù)為重點(diǎn)，打造流域特色生態(tài)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展溝域經(jīng)濟(jì)，自上而下形成“溪流-湖泊-濕地”點(diǎn)點(diǎn)相連，營(yíng)建植被與水相依的健康河流生態(tài)系統(tǒng)，打造“一條生態(tài)走廊、三段功能分區(qū)、四島五湖六園”的空間景觀布局。

4 面、線(xiàn)、點(diǎn)結(jié)合的布置

山區(qū)河道的平面布置對(duì)一個(gè)流域、一條河流的總體規(guī)劃有著很重要的影響，規(guī)劃設(shè)計(jì)盡量做到面、線(xiàn)、點(diǎn)結(jié)合的合理布局。

面就是在工程空間總體布局后，對(duì)河道的平面、縱段、橫斷面協(xié)調(diào)統(tǒng)一，合理布置。

線(xiàn)就是對(duì)河道左右堤岸線(xiàn)分別設(shè)計(jì)，根據(jù)天然河道多年形成的自然流線(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)狀地形宜寬則寬、宜彎則彎，形成急流與緩流、深潭與淺灘相間的格局，既符合河道沖淤的自然規(guī)律，又有利于生物多樣化的形成。

點(diǎn)就是要確定河道治理的重點(diǎn)設(shè)計(jì)部位，大石河以疏浚和防護(hù)為主，工程措施包括：頂沖段增加拋石等防護(hù)措施，防洪標(biāo)準(zhǔn)不足處擴(kuò)挖斷面、調(diào)整縱坡、修筑堤防、增設(shè)防浪墻，修建小型溢流壩、景觀閘等蓄水建筑物形成水面。生態(tài)綠化措施結(jié)合周邊人文自然景點(diǎn)，確定景觀節(jié)點(diǎn)，主要包括：河心島、江心洲等四島，山川湖、黑龍觀湖等五湖，銀狐休憩園、河北鎮(zhèn)濱水文化園等六園。

大石河治理工程首先需要確定整治河寬，通過(guò)計(jì)算和對(duì)實(shí)際情況的具體分析綜合確定。設(shè)計(jì)中采用公式計(jì)算法和現(xiàn)場(chǎng)分析法進(jìn)行確定。

（1）確定造床流量下的穩(wěn)定河寬

采用C.T阿爾杜寧穩(wěn)定河寬關(guān)系法進(jìn)行分析，公式如下：

根據(jù)漫水河水文站 1963年實(shí)測(cè)洪水流量成果表分析，治理河段的造床流量為800m3/s。經(jīng)計(jì)算，河道穩(wěn)定河寬最小不低于50m，最大穩(wěn)定河寬應(yīng)小于196m。

（2）確定設(shè)防流量下的整治河寬

①方法一：采用三公式聯(lián)解計(jì)算：

河相關(guān)系式：

曼寧流速公式：

水流連續(xù)公式：

上述三公式聯(lián)解求得整治河寬公式：

經(jīng)計(jì)算，在設(shè)防流量情況下，山區(qū)河段的平均河寬為89.2m，最小不低于48m，最寬為219.3m；出山后平原河段平均河寬為187m左右，最小不低于151.3m。

②方法二：采用《泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)》涂啟華等概化公式計(jì)算：

涂啟華、張俊華等統(tǒng)計(jì)分析了河道河槽水力幾何形態(tài)，進(jìn)行概化后得出沙卵石河床情況下計(jì)算河寬計(jì)算公式：

經(jīng)計(jì)算，在設(shè)防流量情況下，山區(qū)河段的平均河寬為 104m，最小不低于 50m，出山后平原河段平均河寬為159m，最大可達(dá)307m。

（3）整治河寬范圍擬定

上述方法計(jì)算結(jié)果表明：山區(qū)河道的整治河寬應(yīng)不低于造床流量行河時(shí)的最小寬度50m，其取值范圍為 50～219.3m左右（漫水河水文站附近河道較寬淺）；出山后的平原河段，其整治河寬取值范圍應(yīng)在151.3～307m左右。

（4）整治河寬選取

在采用以上經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘對(duì)各河段的河道特征指標(biāo)（如設(shè)計(jì)比降、糙率等）進(jìn)行分析，按照地方政府對(duì)于河道內(nèi)村莊、耕地、果園及影響行洪的煤廠、石板廠、石灰廠等的整治意見(jiàn)和初步設(shè)想，在河道自然比降的情況下，對(duì)現(xiàn)狀過(guò)水不足的斷面進(jìn)行疏浚調(diào)整，制定出不同河段的工程處理方案，并通過(guò)復(fù)核各斷面的水位流量關(guān)系，在滿(mǎn)足設(shè)防流量行洪要求的情況下，提出各斷面的整治河寬。然后結(jié)合河道的現(xiàn)狀條件、整治河寬計(jì)算結(jié)果，通過(guò)擴(kuò)挖河道，調(diào)整縱坡，修筑、培高堤防或設(shè)防浪墻等措施，最終確定左右堤岸線(xiàn)。

5 建筑物的布置及選型

大石河治理工程中建筑物主要包括調(diào)蓄水工程和橋梁工程。

調(diào)蓄水工程根據(jù)深山區(qū)、淺山區(qū)和平原區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行布置，主要布置在村莊、景觀節(jié)點(diǎn)附近，結(jié)合現(xiàn)狀鉛絲石籠壩或橡膠壩，攔蓄水面，形成梯級(jí)水面景觀。深山區(qū)段設(shè)計(jì)新建6座重力式漿砌石壩，擋水高度3～4m，疏浚清理后壩址處設(shè)計(jì)河面寬為100～150m。河道總落差約 131m，平均縱坡為5.46‰，蓄水水面面積約39.64萬(wàn)m2，蓄水量約44.05萬(wàn) m3。淺山區(qū)段設(shè)計(jì)新建 8座景觀閘，擋水高度1.5m，閘型選用水力自動(dòng)翻板閘和鋼壩閘，疏浚清理后閘址處設(shè)計(jì)河面寬為 40～100m。河道總落差約32m，平均縱坡為3.0‰，蓄水水面面積約60.69萬(wàn) m2，蓄水量約 81.19萬(wàn) m3。平原區(qū)段河道多為砂礫石河床，且不規(guī)則分布了眾多的采砂坑，設(shè)計(jì)疏通開(kāi)挖溝槽連通采砂坑，修整陡峭采砂坑邊坡，采用減滲防滲措施，利用采砂坑蓄水形成水面，蓄水量約246萬(wàn)m3。橋梁工程是對(duì)現(xiàn)有14座交通橋進(jìn)行拆除重建。現(xiàn)狀交通橋?yàn)楣芎Y(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深較淺，過(guò)水?dāng)嗝嫘。泻闀r(shí)嚴(yán)重阻水，且多為鄉(xiāng)鎮(zhèn)村自建，標(biāo)準(zhǔn)低，年久失修，老化嚴(yán)重。根據(jù)山區(qū)河道坡陡水急，洪峰歷時(shí)短的特點(diǎn)，修建漫水橋是經(jīng)濟(jì)合理的。為減少阻水，設(shè)計(jì)采用三跨連續(xù)板梁結(jié)構(gòu)；為防止沖刷，采用灌注樁基礎(chǔ)。既滿(mǎn)足了工程安全要求，又節(jié)省了投資。

6 堤防護(hù)岸的型式及綠化工程

大石河治理工程的堤防護(hù)岸采用多種型式，對(duì)于河道內(nèi)邊坡較陡受水流沖刷厲害的部位，采用重力式漿砌石擋土墻防護(hù)；對(duì)于需要修建防洪堤處，堤身就地取材，采用砂石料填筑，外包粘性土防滲，迎水、背水面邊坡均為1∶2，迎水坡面采用生態(tài)袋、坡改平等形式防護(hù)，坡腳采用漿砌石固腳。

綠化工程植物布置原則：5年一遇洪水位線(xiàn)以下可撒播草籽；5年一遇洪水位線(xiàn)與10年一遇洪水位線(xiàn)之間，可采取灌草結(jié)合的方式配置植物；10年一遇洪水位線(xiàn)以上允許配置少量喬木。植物選擇原則：適地適樹(shù)（植物）的原則；鄉(xiāng)土物種與外來(lái)物種相結(jié)合的原則；喬灌草花相結(jié)合的原則；落葉彩葉與常綠植物相結(jié)合；生物多樣性與景觀多樣性相結(jié)合的原則。

7 結(jié)語(yǔ)

北京的山區(qū)河道大多缺少綜合治理，以往更多的是單一的以防洪為主的治理模式，大石河項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)綜合考慮了該流域內(nèi)防洪、景觀、生態(tài)等功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，既提高了河道的行洪能力，又修復(fù)了流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，重建了豐富穩(wěn)定的流域生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)為山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供了環(huán)境基礎(chǔ)。