山區(qū)陡坡山洪溝治理實踐

譚毅源，馬 勇

(楚雄欣源水利電力勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，云南 楚雄 675000)

山洪災(zāi)害防御是云南省防洪減災(zāi)工作的薄弱環(huán)節(jié)。云南省山丘區(qū)占其國土面積的94%，強降雨引發(fā)的山洪災(zāi)害時有發(fā)生，導(dǎo)致人民生命財產(chǎn)受到重大損失。20世紀(jì)90年代前，每年全國因山洪災(zāi)害死亡的人數(shù)約占因洪澇災(zāi)害死亡的總?cè)藬?shù)的2/3，自21世紀(jì)以來上升到80%左右。然而山洪溝多數(shù)具有河床比降大、洪水暴漲暴落的特點，如何進行針對性的治理是山洪溝治理成功的關(guān)鍵。國內(nèi)專家學(xué)者對山洪溝的治理提出了許多行之有效的辦法[1-8]，何秉順、黃先龍等主要對山洪溝治理要點進行研究，趙勁松探討了山洪溝治理對生態(tài)環(huán)境的影響，張志彤主要分析了山洪災(zāi)害防治措施與成效。

楚雄州位于金沙江與元江兩大水系的分水嶺上，是山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)，災(zāi)害易發(fā)區(qū)點多面廣，山洪災(zāi)害防治區(qū)受山洪威脅人口為34.1萬人，受山洪威脅行政村有552個、自然村有2384個，受山洪威脅嚴(yán)重的沿河村落有783個，山洪災(zāi)害防御難度大。多底河流域是灣碧鄉(xiāng)經(jīng)濟、糧食的主產(chǎn)區(qū)，流域內(nèi)人口集中，有傣族、彝族和漢族三個民族聚集，少數(shù)民族人口占比為98%。河流兩岸防洪基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，只在村莊附近做了部分治理，大部分河段無堤防，或僅有低矮的土堤。2020年9月13日6小時降雨達到140mm，超出河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，原河堤沖毀嚴(yán)重，洪澇災(zāi)害導(dǎo)致農(nóng)田大量受損，耕地面積驟減，房屋部分垮塌，嚴(yán)重影響附近人民群眾生產(chǎn)生活。山洪沖積物導(dǎo)致部分河段淤堵嚴(yán)重，河道萎縮，行洪能力降低，再次發(fā)生洪澇災(zāi)害的可能性非常之大，因此對多底河山洪溝治理十分必要。

1 水文和地質(zhì)情況

1.1 流域自然地理概況

多底河發(fā)源于大姚縣三臺鄉(xiāng)境內(nèi)拉務(wù)村附近，河源高程為2900m，河流流向為由南向北，匯入多底河電站庫區(qū)，出庫后流經(jīng)羊窩子、瓦房、高坪子、以迫、巴拉等村。經(jīng)本次在五萬分之一地形圖上復(fù)核，多底河總流域面積為313.0km2，高差為1800m，河流全長37km，比降為48.6‰。

1.2 洪水分析成果

根據(jù)資料條件，本次治理段各斷面的洪水計算，以鄰近的位于萬馬河干流上的中和街水文站為參證站，采用水文比擬法，可將參證站的實測洪水成果及歷史調(diào)查洪水做頻率分析，并計算各頻率的洪水成果，經(jīng)面積比擬加多年平均最大24h暴雨量修正后計算治理河段的設(shè)計洪水成果見表1。

表1 多底河治理河段各斷面設(shè)計洪水成果表

1.3 工程地質(zhì)

河道沿線地勢較陡，廣泛發(fā)育河床沖積層(QaL1)厚1.0～5.2m的砂卵礫石層，漂石、細砂、卵礫石混雜堆積，局部夾碎石土；階地沖積層(QaL2)：①上部為厚0.5～1.0m的含礫粉質(zhì)黏土層，成分多為泥巖；②下部為厚1.0～5.9m的褐紅色含礫石、卵石粉質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土層。地層巖性簡單，河床段未見基巖出露，下伏基巖為中生界侏羅系上統(tǒng)妥甸組(J3t)的泥巖夾砂巖及泥灰?guī)r。現(xiàn)河流階地主要為耕地區(qū)。耕地區(qū)內(nèi)土體抗沖刷能力較差，多發(fā)生沖溝、坍塌等現(xiàn)代物理地質(zhì)現(xiàn)象。河道底部基巖埋深較大，河堤基礎(chǔ)開挖1.5～2.0m，基礎(chǔ)置于河床沖洪積砂卵礫石層上，砂卵礫石層是河堤堤基良好的持力層。

2 治理原則

2.1 治理難點

本次多底河山洪溝治理河段存在的主要問題歸納為：①現(xiàn)狀河床因“9·13”山洪，河床內(nèi)一片狼藉，堆積有大量孤石、塊石、砂卵礫石，河床堆積物搬運明顯，河床較不平整，兩岸耕地沖毀嚴(yán)重。②人多地少，土地資源極其珍貴，現(xiàn)狀左右岸耕地低矮，不滿足防洪要求，耕地沖毀，且該河道部分河段主槽左右搖擺不定，河道兩岸耕地權(quán)屬界限不清。③區(qū)內(nèi)少數(shù)民族占比大，工程治理不得破壞和改變傣族原有親水生活習(xí)慣。④河床坡度大，治理河段內(nèi)平均比降為2.9%，最大河床比降為4.4%，最小比降為1.96%。⑤河床流速大，通過計算，治理河段內(nèi)20年一遇洪水流速普遍超6m/s，最大流速達8.46m/s。

2.2 治理原則

針對現(xiàn)狀河道的治理難點，提出了“攔渣、束邊、固床、降速”的八字方針?！皵r渣”是在上游河床較窄處設(shè)置攔渣壩，一方面有效攔截上游兩岸陡坡滾入河流當(dāng)中的滾石和坡積物，另一方面可以降低攔渣壩以上的河床比降，減緩水流流速；“束邊”的重點是在河床較乍處設(shè)置單邊河堤擋墻，河床較寬處設(shè)置兩岸河堤擋墻，對河槽淤積物或堆積物進行清淤，并回填在河堤背部，抬高及重新恢復(fù)原有耕地，并保證老百姓田畝總數(shù)不減少，在相鄰村耕地界限處的河堤盡量按村界布置，但同時在寬河段保留淺灘以滿足傣族同胞親水需求；“固床”是針對河流比降大、流速大、易陶腳的特點設(shè)置固床梁，特別是在緊鄰村落河段，固床梁采用埋石砼；“降速”是指除了設(shè)置有降速作用的攔渣壩外，還設(shè)置跌水砍，它兼有固床、擋渣、消能和景觀作用，另外還能有效利用原河床漂石和大孤石多的特點，在固床梁下游一定范圍內(nèi)平鋪較大漂石和孤石，兩道固床梁距離較近的，采用滿鋪，這樣一來，既運走了漂石和孤石，有利于老百姓耕種，又有效地降低了水流速度，穩(wěn)固了河床，保護了堤腳。

3 工程布置與治理措施

3.1 工程布置

現(xiàn)在河道寬度多為15～40m，部分沖蝕較嚴(yán)重的地段，河寬可達65m，大部分河槽深1～2m。為了少占地，不搬遷，根據(jù)實際地形、河勢，多數(shù)河段在確保行洪斷面的情況下，沿天然河岸布置，保留了原河道凹岸、凸岸、河灣和淺灘，既保持一定的淺灘寬度和植被空間，為生物的生長發(fā)育提供棲息地，發(fā)揮河流的自凈功能，又穩(wěn)定了河槽。只對不規(guī)則轉(zhuǎn)彎部分進行修圓處理，平順河道，采用疏挖與拓寬河槽并舉的方法，改善水力條件，增加河槽下泄量。

3.2 沖刷深度計算

根據(jù)治理情況，選取流速較大、轉(zhuǎn)彎段凹岸等具有代表性的斷面進行基礎(chǔ)埋置深度計算。根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，護岸沖刷深度按下式計算：

(1)

(2)

式中，HS—局部沖刷深度，m；HO—沖刷處水深，m；U—行進流速，m/s；Uc—泥沙起動流速，m/s；Ucp—近岸垂線平均流速，m/s；η—水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角查表得；n—平面形狀系數(shù)，一般取n=1/4～1/6；α—水流流向與岸坡交角。

泥沙啟動流速、近岸垂線平均流速、基礎(chǔ)埋置深度計算結(jié)果分別見表2—4。

表2 泥沙啟動流速計算成果

表3 近岸垂線平均流速計算成果

表4 基礎(chǔ)埋置深度計算成果表

本工程堤線基本沿現(xiàn)狀河道布置，通過沖刷深度計算，綜合治理后河道沖刷深度均小于1.5m，結(jié)合本地區(qū)已治理河流多年來運行情況以及現(xiàn)狀河道的沖刷情況，考慮一定的基礎(chǔ)富余深度，河堤基礎(chǔ)埋深按1.5m考慮。

3.3 水面線計算

本次對水面線采用水面線計算程序MIKE 11進行分析計算，該軟件是由丹麥水利研究所(DHI)研發(fā)的，對保留潭、坑、槽、灘等河道形態(tài)的生態(tài)河道水面線計算具有顯著優(yōu)勢[9]，是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。其方程組的具體形式如下：

(3)

運動方程：

(4)

方程(3)為連續(xù)方程，反映了河道中的水量平衡。方程(4)為運動方程，其中第一項反映了某固定點的局地加速度，第二項反映了由流速的空間不均勻引起的對流加速度。前兩項合稱為慣性項；第三項反映了水深的影響，為壓力項；第四項反映了摩阻和底坡的影響。

圣維南方程組的基本假定為：流速沿整個過水?dāng)嗝婢鶆蚍植迹捎闷骄荡?。不考慮水流垂直方向的交換和垂直加速度，可假設(shè)水壓力為靜水壓力分布，即與水深成正比；河床比降小，其傾角的正切與正弦值近似相等；水流為漸變流動，每一小段水面曲線近似水平。

充分考慮河道地形及河勢、河床及堤岸穩(wěn)定，河道斷面經(jīng)對比優(yōu)化取用較經(jīng)濟斷面，底坡按照分段確定、維持天然河道坡降的原則，盡量少挖少填，挖填平衡，將治理河段分段選定行洪斷面，計算水面線，不同計算堤高起始斷面成果見表5。

表5 不同計算堤高起始斷面成果表

在滿足防洪前提下，綜合考慮挖填平衡，恢復(fù)耕地，堤高計算結(jié)果為2.5～3.0m。

3.4 建筑物布置

治理段起點為多底河電站下游瓦房子村，治理終點為多底河與金沙江交匯口上游約600m處，治理長度為8.82km，治理堤防長11.104km，其中左岸新建堤防4.364km，右岸新建堤防6.740km；根據(jù)河床地形情況，在治理段上游230m和2200m處設(shè)置兩道攔渣壩，該河段兩岸無耕地和房屋等保護對象，同時在攔渣壩內(nèi)設(shè)置取水口，可為下游耕地灌溉提供取水保證，并為傣族水車提供水源和動力，如圖1所示；在河床較陡河段和傣族聚集地河段設(shè)置14道跌水砍，如圖2所示，跌水砍中間設(shè)置導(dǎo)流槽，槽寬占河寬的4/5，歸順主流，跌水砍可有效降低河床比降，跌水砍河床比降由治理前的2.9%降為0.5%～1.5%，并在跌水砍前形成親水淺灘，砍后形成跌水景觀效果，滿足傣族同胞親水的生活習(xí)慣要求；全段共設(shè)置90道固床梁，平均100m設(shè)置一道，在彎道處或村莊保護處加密，在平緩直線段擴大間距；在村莊附近設(shè)置多處下河踏步。

圖1 攔渣壩斷面圖(單位：mm)

圖2 跌水砍斷面圖(單位：mm)

4 工程效益和結(jié)語

4.1 工程效益

工程治理后可保護人口約2191人，保護和灌溉耕地704畝，保護經(jīng)濟林果100畝，同時對改善河道生態(tài)景觀、傳承和保護金沙江河谷傣族文化起到積極作用。

4.2 運行效果

主體工程和建筑物于2021年4月底完工，經(jīng)過一個雨季的檢驗，攔渣壩上游有效堆積了粗顆粒砂石、漂石、孤石等；跌水砍前水流歸槽明顯；寬河段淺灘初步形成；固床梁對河堤堤腳保護良好，少有沖刷堤腳的情況發(fā)生；河床流速明顯降低，經(jīng)實測，流速大多為4～5m/s，河床逐步穩(wěn)固；工程運行良好。

4.3 結(jié)語

文章從工程實際出發(fā)，提出“攔渣、束邊、固床、降速”的治理原則，有效解決了山區(qū)陡坡山洪溝治理難題，“攔渣”可有效攔截上游沖刷淤積物，“束邊”可以有效治理河床主槽的擺動，“固床”可有效穩(wěn)固河床和擋墻基礎(chǔ)，“降速”可有效降低水流速度減少沖刷，經(jīng)試運行證明治理原則是合理的，工程措施是有效的。在布置工程措施時結(jié)合考慮當(dāng)?shù)厣贁?shù)民族文化的保護和傳承發(fā)展，可為同類工程提供參考。