喀斯特地區(qū)“斷尾”山洪溝治理關鍵技術
——攔污柵設計

尹亞敏，秦鈺超，彭爾瑞，范春梅

（云南家業(yè)大學水利學院，云南昆明 650201）

山區(qū)、半山區(qū)在荒山禿嶺、山坡植被破壞地區(qū)，暴雨以后徑流很快大量集中，造成山坡沖刷、水土流失，造成嚴重危害。治理山洪必須從分析形成山洪的原因著手，因地制宜進行整治，多年治理實踐證明，采取綜合治理措施，效果明顯。綜合治理措施是以植物措施與工程措施結合的方法，即治本和治標相結合。植物措施主要是植樹造林和合理耕種以延緩徑流和分散徑流的集中，減少雨水對土壤的侵蝕；工程措施主要是進行溝頭防護，修筑谷坊、塘壩、跌水、排洪渠道和堤防等構筑物治理山洪溝，免除山洪對下游的災害[1]。目前對溶洞的發(fā)育、地質構造、裂隙地下水等研究較多，但對斷尾溝尾部落水洞的過流能力及防污措施的研究并不多。本文以丘北縣平坦“斷尾”山洪溝為例，重點分析研究“斷尾”山洪溝落水洞的攔污措施。

1 平坦“斷尾”山洪溝基本情況及存在的問題

1.1 平坦“斷尾”山洪溝情況

平坦山洪溝位于云南省文山壯族苗族自治州丘北縣，東經103°34′-104°45′、北緯23°45′-24°28′之間。平坦河總長約19.8km，流域面積75.4 km2，屬珠江流域西江水系清水江一級支流鳳尾河的左岸支流，發(fā)源于丘北縣雙龍營鎮(zhèn)雄山村民委員會大麻塘村，流經丘北縣云龍、普格、栗松、戈衣、納塞、綠灣、瓦窯、平坦，在平坦進入落水洞群，經長馬山約3km后出露，匯入鳳尾河。由于水量進入落水洞群，平坦河在平坦壩子形成斷尾溝。

沿河灌溉面積5 200畝，保護人口2 115人。河床較平緩，淤積嚴重，水災頻繁。河床坡降29.9‰。

1.2 平坦“斷尾”山洪溝存在的問題

目前平坦山洪溝兩岸基本為土堤，起到了一定的防護作用，但河堤不同程度存在低矮、殘破、單薄等情況，特別是汛期經常漫堤、決堤，造成兩岸洪澇災害，主要問題有：

（1）多年失修，河道整治投入不足，未能完全形成有效、完善的防洪體系；

（2）落水洞沒有完全連通，是造成行洪不暢導致成災的重要原因；

（3）沿河兩岸堤防、堤身均不滿足行洪要求，河堤雖經多年沖刷拉槽擴寬，但部分河道行洪斷面仍不足，嚴重阻水；

（4）堤腳因河洪水沖刷導致淘腳嚴重；

（5）河道沿岸出現多處河岸滑坡，嚴重影響行洪時的堤防安全；

（6）兩岸村民防洪減災意識薄弱，部分居民在河堤上種地、建房侵占河道，沿河傾倒垃圾等，這些因素影響山洪溝的泄洪能力。

1.3 落水洞的分布及相關參數

（1）落水洞的分布及特性

平坦山洪溝末端無天然泄洪通道，落水洞為平坦山洪溝主要泄洪通道。

平坦山洪溝工程區(qū)末端（K6+590-K7+981）喀斯特地貌發(fā)育，沿線有7個大小不同的落水洞，其中K7+981處是7號落水洞起點，K8+221是7號落水洞終點，7號大落洞存在不同程度塌陷和較大淤積阻塞；K7+445-K7+981處無天然溝道；現狀落洞及現有溝道淤積嚴重。各落水洞的位置分布、形狀大小、特性見表1。

表1 各落水洞特性表

（2）落水洞的特點

落水洞作為巖溶垂直發(fā)育階段的產物，是巖溶含水介質內主要的集水區(qū)域和過流通道[2-3]。其在形成的初始階段，侵蝕作用以沿垂直裂隙的溶蝕為主。當孔洞擴大以后，補給強度很大時，大量地表水流集中匯入落水洞，水流所攜帶的大量泥沙石礫不斷對洞壁四周進行磨蝕，同時還會伴隨著巖體的崩塌，使落水洞迅速擴大[4]。相比落水洞的擴大速度，巖溶裂隙和地下河因受地下水流的溶蝕所引起的尺寸改變可忽略。落水洞除起著匯水和輸水作用外，在補給強度很大的情況下，落水洞內很可能來不及消水，水位壅高[5]，這時落水洞還起著儲水作用。丘北縣平坦“斷尾”山洪溝，由于末端落水洞排泄洪水有限、淤積物堵塞、里程7+445-7+981（536m）段，現狀無天然溝槽，所以導致平坦山洪溝經常出現洪澇災害。通過實地現場查勘及走訪，發(fā)現在汛期（2年一遇洪水），高程1 343.50以下的耕地均會被淹沒，淹沒范圍為271畝，水深在0.2-1.22m之間；歷史上（10年一遇洪水），最大淹沒范圍達到393畝，淹沒高程為1 345.50m，比瓦窯村最低居民房（1 344.05m）高出1.45m，淹沒水深在0.58-3.22m之間。

1.4 落水洞泄洪情況

（1）落水洞的過流能力估算

結合實地調查，當設計斷面發(fā)生常遇洪水時，落洞泄洪正常，不會造成治理溝道末端的封閉區(qū)域發(fā)生淹水現象，根據推求的設計洪峰流量成果，當發(fā)生2年一遇洪水時，即常遇洪水，6+628.3斷面洪峰流量23.6m3/s，洪水經落洞完全排出，因此1-6號落水洞之間的落水能力為23.6m3/s。但6個落水洞的周長、平均直徑、平均水深、平均深度大小不等，因此其泄流能力也不可能相等。以1-6號落水洞的泄流能力為23.6m3/s為依據，運用熵權法分析各落水洞的泄洪能力流量Q見表2。

表2 各落水洞流量計算表（單位m3/s）

（2）年各斷面洪水洪峰流量

平坦山洪溝無實測水文資料，平坦山洪溝水文計算運用“地區(qū)綜合法”和“實地洪水調查法”推求不同頻率的洪峰流量。將以上兩種方法計算得到的各控制斷面P=10%設計洪水進行合理性分析。地區(qū)綜合法設計洪水與實地調查法設計洪水兩者相差1.89%-10.2%。

實地調查法根據對治理河道實地查勘測量結果，以常遇洪水計算作為基礎，結合歷史調查洪水，分析出治理溝段各控制斷面設計洪水成果，雖然存在一定的誤差，但比較符合實際，尤其針對無實測資料地區(qū)，其成果更符合流域實際情況，因此，將實地調查法計算成果作為本階段設計洪水成果。

（3）治理后1-7號落水洞的相關參數

山洪溝治理后各落水洞的相關參數見表4。

表3 治理段設計洪峰流量成果表（實地調查法）

表4 山洪溝治理后各落水洞參數

2 治理關鍵技術

2.1 落水洞的攔污柵設計

（1）攔污柵設置位置

攔污柵設置在引水道進口處，主要用于攔阻水流夾帶的污物[2]，如水草、樹枝、枯葉子、木塊、垃圾、死畜等進入河道，以保護下游的構筑和建筑物不受損害，正常運行。由于平坦山洪溝的攔污柵是落水洞前攔污，無規(guī)范和相關資料，參照水電站攔污柵設置。攔污柵通常是傾斜放置，其優(yōu)點是過水面積大，易于清污，而水電站壩式進水口的攔污柵多呈垂直布置[3]。平坦斷尾山洪溝的攔污柵采用垂直布置，設置在落水洞前，防止污物進入落水洞，影響落水洞行洪。

（2）攔污柵的構造

攔污柵的柵條寬度和厚度由強度計算確定[3]。攔污柵的構造是由直立的柵條連接而成的柵面，柵面四周鑲有角鋼或槽鋼，柵條的連接有螺栓聯接和焊接兩種，柵片無支承，長度不應超過厚度的70倍，柵條的間距一般75-200mm[4]，每塊柵面寬度不超過2.5m，高度不超過4m[3]。平坦斷尾山洪溝的攔污柵柵條之間的間距為100mm；由于柵條截面形狀為圓形的攔污柵水頭損失最小，柵后形成的流速梯度較小，沿著水流流向水流過渡最平緩[5]，因此，平坦山洪溝落水洞攔污柵柵條截面形狀為圓形，采用Φ25-32的鋼筋做柵條；柵條與四周角鋼框連接采用焊接，角鋼尺寸80mm×80mm×10mm，平坦斷尾山洪溝攔污柵高度小于5m，采用人工清污。構造見圖1。

圖1 攔污柵構造圖

（3）各落水洞攔污柵柵面尺度的確定

根據實際情況及攔污柵結構計算確定各落水洞攔污柵柵面尺寸，相關參數見表5；當過柵流速為1.0m/s時，各落水洞攔污柵凈過水斷面面積見表5。

從表4、表5可看出，攔污柵總寬與落水洞平均直徑的比值分別為：0.400-0.591，因此落水洞設置攔污柵時，其設計寬度應小于0.6倍落水洞平均直徑。

表5 攔污柵特性表

2.2 攔污柵穩(wěn)定計算

（1）攔污柵的結構荷載

攔污柵柵條的上下兩端支承在橫梁上，柵條可視為簡支梁，設計荷載決定后不難算出所需要的柵條面積，柵條的荷載傳給橫梁，橫梁受均布荷載。根據橫梁、支柱、壩體等構件的相互支承關系，選擇合理的方法計算內力，進行結構計算[6]；結構計算時，攔污柵上的荷載，除自重外，還應包括堵塞情況下的柵前柵后的水位差，一般可取2-4m的均勻水壓力[7]，此次計算取4m。

（2）攔污柵柵條穩(wěn)定計算

對于長方形的截面的柵條，當驗算其整體穩(wěn)定性時，其臨界荷載分別按照（1）-（2）計算[6]，計算結果見表6。

表6 攔污柵柵條穩(wěn)定計算表

式中PL--柵條整體穩(wěn)定的臨界荷載

PL≥kql（2）

q--柵條單位長度上的荷載，N/mm；

l--柵條的跨度，mm；

E--鋼材的彈性模量N/mm2；

G--鋼材的剪切模量N/mm2；

Iy--柵條截面y軸慣性矩，mm4，；

Id--柵條截面的抗扭慣性矩，mm4，；

h--柵條截面高度，mm；

t--柵條截面厚度，mm；

k--整體穩(wěn)定安全系數，取值為2.0。

從表6可以看出，各落水洞的攔污柵柵條的穩(wěn)定安全系數k值為2.07-3.03之間，均大于整體穩(wěn)定安全系數k=2.0，攔污柵柵條是穩(wěn)定的；另外柵條的承載力值為2 352.53-5 612.22N，均小于柵條臨界荷載PL值7 868.53-11 589.54N，因此攔污柵柵條滿足穩(wěn)定要求。

2.3 攔污柵過流能力復核

攔污柵的水頭損失計算

攔污柵的水頭損失[3]按下式進行計算

式中：S--柵條厚度，取25-32mm；

b--柵條凈距，取100mm；

α--攔污柵傾角，取900；

β--與柵條斷面形狀有關的水頭損失系數，取1.79；

Vz--允許過柵流速，取1m/s；

經計算，水頭損失為0.019-0.027m。

（2）攔污柵的養(yǎng)護與清污

攔污柵柵條（鋼筋）應做防銹處理，運行幾年后（最多3年），需要做一次防銹處理。因為攔污柵柵條經多年運行銹蝕變粗[8]，局部水頭損失會增大，將影響落水洞的行洪；攔污柵堵塞后，其對水流的阻力要比本身銹蝕對水流的阻力大得多，局部水頭損失隨堵塞率的增加而急劇加大[8]，攔污柵應定期清污，特別是汛期應及時清污，確保滿足落水洞的行洪要求。

（3）采用多孔有坎寬頂堰計算攔污柵過流能力

把攔污柵看成多孔堰，則側收縮系數及過流量[6]按（4）和（5）進行計算，結果見表7。

表7 各落水洞攔污柵過流能力復核

式中：ε1--側收縮系數；

Ka--邊墩形狀系數，取0.10；

Kp--中墩形狀系數（H0/Hd=0.99），取0.012；

H0--堰頂全水頭（m）；

n--堰孔數；

b＇--堰寬（m）；

m--流量系數，取0.34。

從表7可看出，1-7號落水洞攔污柵的過流能力為3.63-32.78m3/s，P=10%時各落水洞的下泄流量值為2.92-28.2m3/s，經復核，1-7號落水洞攔污柵的過流能力均大于P=10%時各落水洞的下泄流量，滿足行洪要求。

3 結論

（1）落水洞攔污柵的寬度小于0.6倍落水洞平均直徑；

（2）經過攔污柵柵條穩(wěn)定計算，落水洞攔污柵柵條穩(wěn)定安全系數在2.07-3.03之間，均大于攔污柵整體穩(wěn)定安全系數2.0；

（3）落水洞攔污柵的過流能力參照多孔有坎寬頂堰進行計算，各落水洞均滿足P=10%時的行洪要求。

（4）攔污柵柵條（鋼筋）應做防銹處理，運行幾年后（最多3年），需要做一次防銹處理，否則將影響落水洞的行洪能力；攔污柵堵塞后，其對水流的阻力要比本身銹蝕對水流的阻力大得多，局部水頭損失隨堵塞率的增加而急劇加大[8]，攔污柵應定期清污，特別是汛期應及時清污，確保滿足落水洞的行洪要求。