喀斯特地區(qū)“斷尾”山洪溝治理關(guān)鍵技術(shù)

尹亞敏 秦鈺超 彭爾瑞 范春梅

摘要：山洪溝的治理，首要任務(wù)是滿足行洪要求，由于“斷尾”山洪溝常發(fā)育于喀斯特區(qū)域內(nèi)，僅靠落水洞泄洪，因此在治理過程中，“斷尾”山洪溝落水洞的過流能力及防污措施尤為重要。目前國內(nèi)外對(duì)此方面的研究很少，所以研究“斷尾”山洪溝治理的關(guān)鍵技術(shù)，特別是攔污措施能為“斷尾”山洪溝治理提供科學(xué)依據(jù)。研究表明：落水洞的攔污措施參照水電站攔污柵設(shè)置，攔污柵寬度小于0.6倍落水洞直徑，柵條穩(wěn)定計(jì)算滿足要求，攔污柵需要定期做防銹處理和定期清污處理。

關(guān)鍵詞：喀斯特;斷尾山洪溝;治理;關(guān)鍵技術(shù);攔污柵

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(yán)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(jìn)行整治，多年治理實(shí)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(jié)合的方法，即治本和治標(biāo)相結(jié)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(duì)土壤的侵蝕;工程措施主要是進(jìn)行溝頭防護(hù)，修筑谷坊、塘壩、跌水、排洪渠道和堤防等構(gòu)筑物治理山洪溝，免除山洪對(duì)下游的災(zāi)害[1]。目前對(duì)溶洞的發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造、裂隙地下水等研究較多，但對(duì)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(diǎn)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(jīng)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(jí)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(huì)大麻塘村，流經(jīng)丘北縣云龍、普格、栗松、戈衣、納塞、綠灣、瓦窯、平坦，在平坦進(jìn)入落水洞群，經(jīng)長馬山約3km后出露，匯入鳳尾河。由于水量進(jìn)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(hù)人口2 115人。河床較平緩，淤積嚴(yán)重，水災(zāi)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(hù)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(jīng)常漫堤、決堤，造成兩岸洪澇災(zāi)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(dǎo)致成災(zāi)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(jīng)多年沖刷拉槽擴(kuò)寬，但部分河道行洪斷面仍不足，嚴(yán)重阻水;

（4）堤腳因河洪水沖刷導(dǎo)致淘腳嚴(yán)重;

（5）河道沿岸出現(xiàn)多處河岸滑坡，嚴(yán)重影響行洪時(shí)的堤防安全;

（6）兩岸村民防洪減災(zāi)意識(shí)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(guān)參數(shù)

（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(gè)大小不同的落水洞，其中K7+981處是7號(hào)落水洞起點(diǎn)，K8+221是7號(hào)落水洞終點(diǎn)，7號(hào)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(xiàn)狀落洞及現(xiàn)有溝道淤積嚴(yán)重。各落水洞的位置分布、形狀大小、特性見表1。

（2）落水洞的特點(diǎn)

落水洞作為巖溶垂直發(fā)育階段的產(chǎn)物，是巖溶含水介質(zhì)內(nèi)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(dāng)孔洞擴(kuò)大以后，補(bǔ)給強(qiáng)度很大時(shí)，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(duì)洞壁四周進(jìn)行磨蝕，同時(shí)還會(huì)伴隨著巖體的崩塌，使落水洞迅速擴(kuò)大[4]。相比落水洞的擴(kuò)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(bǔ)給強(qiáng)度很大的情況下，落水洞內(nèi)很可能來不及消水，水位壅高[5]，這時(shí)落水洞還起著儲(chǔ)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(xiàn)狀無天然溝槽，所以導(dǎo)致平坦山洪溝經(jīng)常出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。通過實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)查勘及走訪，發(fā)現(xiàn)在汛期（2年一遇洪水），高程1 343.50以下的耕地均會(huì)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(dá)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(jié)合實(shí)地調(diào)查，當(dāng)設(shè)計(jì)斷面發(fā)生常遇洪水時(shí)，落洞泄洪正常，不會(huì)造成治理溝道末端的封閉區(qū)域發(fā)生淹水現(xiàn)象，根據(jù)推求的設(shè)計(jì)洪峰流量成果，當(dāng)發(fā)生2年一遇洪水時(shí)，即常遇洪水，6+628.3斷面洪峰流量23.6m3/s，洪水經(jīng)落洞完全排出，因此1-6號(hào)落水洞之間的落水能力為23.6m3/s。但6個(gè)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(hào)落水洞的泄流能力為23.6m3/s為依據(jù)，運(yùn)用熵權(quán)法分析各落水洞的泄洪能力流量Q見表2。

（2）年各斷面洪水洪峰流量

平坦山洪溝無實(shí)測(cè)水文資料，平坦山洪溝水文計(jì)算運(yùn)用“地區(qū)綜合法”和“實(shí)地洪水調(diào)查法”推求不同頻率的洪峰流量。將以上兩種方法計(jì)算得到的各控制斷面P=10%設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行合理性分析。地區(qū)綜合法設(shè)計(jì)洪水與實(shí)地調(diào)查法設(shè)計(jì)洪水兩者相差1.89%-10.2%。

實(shí)地調(diào)查法根據(jù)對(duì)治理河道實(shí)地查勘測(cè)量結(jié)果，以常遇洪水計(jì)算作為基礎(chǔ)，結(jié)合歷史調(diào)查洪水，分析出治理溝段各控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果，雖然存在一定的誤差，但比較符合實(shí)際，尤其針對(duì)無實(shí)測(cè)資料地區(qū)，其成果更符合流域?qū)嶋H情況，因此，將實(shí)地調(diào)查法計(jì)算成果作為本階段設(shè)計(jì)洪水成果。

（3）治理后1-7號(hào)落水洞的相關(guān)參數(shù)

山洪溝治理后各落水洞的相關(guān)參數(shù)見表4。

2 治理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 落水洞的攔污柵設(shè)計(jì)

（1）攔污柵設(shè)置位置

攔污柵設(shè)置在引水道進(jìn)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(jìn)入河道，以保護(hù)下游的構(gòu)筑和建筑物不受損害，正常運(yùn)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(guān)資料，參照水電站攔污柵設(shè)置。攔污柵通常是傾斜放置，其優(yōu)點(diǎn)是過水面積大，易于清污，而水電站壩式進(jìn)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(shè)置在落水洞前，防止污物進(jìn)入落水洞，影響落水洞行洪。

（2）攔污柵的構(gòu)造

攔污柵的柵條寬度和厚度由強(qiáng)度計(jì)算確定[3]。攔污柵的構(gòu)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(lián)接和焊接兩種，柵片無支承，長度不應(yīng)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(gòu)造見圖1。

（3）各落水洞攔污柵柵面尺度的確定

根據(jù)實(shí)際情況及攔污柵結(jié)構(gòu)計(jì)算確定各落水洞攔污柵柵面尺寸，相關(guān)參數(shù)見表5;當(dāng)過柵流速為1.0m/s時(shí)，各落水洞攔污柵凈過水?dāng)嗝婷娣e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(shè)置攔污柵時(shí)，其設(shè)計(jì)寬度應(yīng)小于0.6倍落水洞平均直徑。

2.2 攔污柵穩(wěn)定計(jì)算

（1）攔污柵的結(jié)構(gòu)荷載

攔污柵柵條的上下兩端支承在橫梁上，柵條可視為簡(jiǎn)支梁，設(shè)計(jì)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(jù)橫梁、支柱、壩體等構(gòu)件的相互支承關(guān)系，選擇合理的方法計(jì)算內(nèi)力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算[6];結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，攔污柵上的荷載，除自重外，還應(yīng)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(jì)算取4m。

（2）攔污柵柵條穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)于長方形的截面的柵條，當(dāng)驗(yàn)算其整體穩(wěn)定性時(shí)，其臨界荷載分別按照（1）-（2）計(jì)算[6]，計(jì)算結(jié)果見表6。

（1）

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(shù)，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(shù)k值為2.07-3.03之間，均大于整體穩(wěn)定安全系數(shù)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(fù)核

攔污柵的水頭損失計(jì)算

攔污柵的水頭損失[3]按下式進(jìn)行計(jì)算

（3）

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(guān)的水頭損失系數(shù)，取1.79;

Vz --允許過柵流速，取1m/s;

經(jīng)計(jì)算，水頭損失為0.019-0.027m。

（2）攔污柵的養(yǎng)護(hù)與清污

攔污柵柵條（鋼筋）應(yīng)做防銹處理，運(yùn)行幾年后（最多3年），需要做一次防銹處理。因?yàn)閿r污柵柵條經(jīng)多年運(yùn)行銹蝕變粗[8]，局部水頭損失會(huì)增大，將影響落水洞的行洪;攔污柵堵塞后，其對(duì)水流的阻力要比本身銹蝕對(duì)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(yīng)定期清污，特別是汛期應(yīng)及時(shí)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(jì)算攔污柵過流能力

把攔污柵看成多孔堰，則側(cè)收縮系數(shù)及過流量[6]按（4）和（5）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表7。

（4）

（5）

式中：ε1--側(cè)收縮系數(shù);

Ka --邊墩形狀系數(shù)，取0.10;

Kp --中墩形狀系數(shù)（H0/Hd=0.99），取0.012;

H0--堰頂全水頭（m）;

n --堰孔數(shù);

b'--堰寬（m）;

m --流量系數(shù)，取0.34。

從表7可看出，1-7號(hào)落水洞攔污柵的過流能力為3.63-32.78m?/s，P=10%時(shí)各落水洞的下泄流量值為2.92-28.2m?/s，經(jīng)復(fù)核，1-7號(hào)落水洞攔污柵的過流能力均大于P=10%時(shí)各落水洞的下泄流量，滿足行洪要求。

3 結(jié)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(jīng)過攔污柵柵條穩(wěn)定計(jì)算，落水洞攔污柵柵條穩(wěn)定安全系數(shù)在2.07-3.03之間，均大于攔污柵整體穩(wěn)定安全系數(shù)2.0;

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

（4）攔污柵柵條（鋼筋）應(yīng)做防銹處理，運(yùn)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(duì)水流的阻力要比本身銹蝕對(duì)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(yīng)定期清污，特別是汛期應(yīng)及時(shí)清污，確保滿足落水洞的行洪要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 佚名.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[2] 邱傳忻.泵站[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[3] 徐招才，劉申.水電站[M].北京：中國水利水電出版社.2005.

[4] 劉國均，夏念凌.水工金屬結(jié)構(gòu)第三冊(cè)攔污柵及管道[M].中國北京：水利電力出版社，1959.

[5] 朱鳳霞，蔡新.攔污柵柵條截面形式對(duì)水流特性的影響[J].水電能源科學(xué)，2017，35（2）：112-115.

[6] 佚名.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.水力學(xué)（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2016.

[7] 范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[8] 任玉珊，高金花，楊敏.水電站攔污柵銹蝕和堵塞增加水頭損失的試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù)，2004（9）：149-152.

[9] 于永海.水電站[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[10] 孫雙科，柳海濤，李振中，等.抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)出水口攔污柵斷面的流速分布研究[J].水利學(xué)報(bào).2007，38（11）：1329-1335.

[11] 高朝輝，仇寶云，問澤杭.泵站攔污柵及其清污研究進(jìn)展[J].排灌機(jī)械，2006（2）：10-15.

[12] 王正中，袁駟，李宗利.攔污柵柵條的穩(wěn)定計(jì)算[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2000（2）：25-33.

[13] 王光綸，張文翠，李未顯.抽水蓄能電站攔污柵結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性模型試驗(yàn)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（2）：114-118.

[14] 全國山洪災(zāi)害項(xiàng)目組.重點(diǎn)山洪溝防洪治理項(xiàng)目建設(shè)指導(dǎo)意見[R].2013.

[15] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì).全國中小河流治理和病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害防御和綜合治理總體規(guī)劃[R].2011.

[16] 中華人民共和國水利部，中華人民共和國財(cái)政部.全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案（2013-2015）[R].2013.

[17] 防洪標(biāo)準(zhǔn)：GB 50201—2014.[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014.

[18] 城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T50805—2012.[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2012.

[19] 高學(xué)平，張家寶，葉飛，等.抽水蓄能電站進(jìn)/出水口攔污柵數(shù)值模擬[J].水利水電技術(shù).2005，36（2）：61-63.

[20] 闕劍生，黃海楊.趙山渡引水工程攔污柵堵塞及處理[J].水利水電技術(shù)，2009，40（11）：120-123.