老里村主槽攔蓄工程對水文站沖淤測驗影響分析

□高 晨

為統(tǒng)籌提升五一閘引水水位、滿足雄安新區(qū)起步區(qū)西側引水需求、恢復老里村灌區(qū)灌溉功能、提高河道蓄水能力，河北省定興縣水利局于南拒馬河定興段擬建老里村氣盾壩。攔蓄工程建成后，河道長期水面范圍至北河店京廣鐵路橋，五一閘上游五一渠及河槽蓄水范圍兩側灘地農田約2 萬畝，計劃沿線投入約100 臺移動式柴油灌溉泵，供沿線村莊保存使用，受益農田可采用地表水源灌溉，從而有效減少地下水超采，每年節(jié)約地下水資源約440 萬m3。

1.工程概況

該工程擬新建南拒馬河老里村主槽蓄水建筑物、整治蓄水建筑物上下游主槽岸坡、建設氣盾壩設備用房包括空壓機室和控制室、新建漫水橋及上堤坡道、拆除老蓄水閘等，確保老里村灌渠的引水，同時通過蓄水建筑物蓄水增加蓄水水面，增強對該段河道的地下水水位的回補。

擬建的蓄水建筑物位于老里村引渠渠首下游側的南拒馬河主河槽上，在北河店水文站比降下斷面下游約5.6km 處，蓄水建筑物擬采用氣盾壩形式。

南拒馬河防洪治理工程（定興段）實施過程中已拆除重建了老里村渠首五一閘，并在設計中提出了老李里村灌渠渠首設計引水水位不低于17.86m。本次擬建蓄水建筑物蓄水水位取18.0m，蓄水建筑物設計壩高4.5m。

2.水文站簡介

北河店水文站位于河北省定興縣定興鎮(zhèn)大溝村，位于攔蓄工程上游約5km 處，始建于1921 年6 月，系海河流域大清河水系的南拒馬河控制站，它承擔著斷面上游南拒馬河洪水的觀測、報訊工作，是國家基本水文站網中的重要水文站、中央報汛站?；颈O(jiān)測項目涉及基本水位、比降水位、地下水水位、地下水開采量、流量、單樣含沙量、懸移質輸沙率、水溫、冰情、泥沙顆粒分析、降水量、旱情、地表水水質、水污染監(jiān)測等。

南拒馬河全長83.7km，其中北河店以上河長51km，北河店以下進入平原，河長32.7km，河底縱坡為1/4000～1/6000，兩堤距離600～2300m。北河店站測驗河段及其附近河流形勢與測站位置圖見圖1。

圖1 北河店站測驗河段及其附近河流形勢與測站位置

3.沖刷分析計算

工程距離北河店水文站比降下斷面5.6km，水流平行岸坡、斜沖護岸產生的沖刷深度，采用《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）標準進行一般沖刷和局部沖刷的分析計算。

水的容重為9.8KN/m3，泥沙的容重為17.9KN/m3，床沙的中值粒徑d50 為0.02m，沖刷處深度為1.09m。床沙的中值粒徑和沖刷處深度均為2012 年水文實測資料。計算得泥沙啟動流速為0.51m/s。

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013），北河店水文站為沙質河床，近岸垂線平均流速計算公式如下所示：

式中：

Ucp—近岸垂線平均流速，m/s；

U—行近流速，取2012 年資料1.04m/s；

η—水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡夾角查表取值，取3.00。

通過公式計算得近岸垂線平均流速1.56m/s。

局部沖刷深度計算公式如下所示：

式中：

hs—局部沖刷深度，m；

H0—沖刷處水深，m；

Ucp—近岸垂線平均流速，m/s；

n—與防護岸坡在平面上的形狀有關。

n與防護岸坡在平面上的形狀有關，此次計算n取1/4-1/6，通過公式計算得局部沖刷深度分別為0.35m，0.27m，0.23m。水流流速不均勻系數(shù)見表1。

αη≤15°1.00 20°1.25 30°1.50 40°1.75 50°2.00 60°2.25 70°2.50 80°2.75 90°3.00

4.泥沙淤積分析計算

4.1 流域產沙概況

由于地表植被差，降雨形成地表徑流時，地表被沖刷，水流挾沙入河，是河道泥沙的主要來源，河流泥沙主要來自洪水期。

4.2 泥沙測驗及整編情況

北河店水文站有較長系列的水文泥沙實測資料，1963 年北河店水文站實測資料統(tǒng)計：輸沙量556 萬t，平均輸沙率176kg/s，平均含沙量5.21kg/m3，最大斷面平均含沙量15.5kg/m3。1996 年北河店水文站實測資料統(tǒng)計：輸沙量89.9 萬t，平均輸沙率28.4kg/s，平均含沙量0.74kg/m3，最大斷面平均量7.59kg/m3。2012 年北河店水文站實測資料統(tǒng)計：輸沙量2.14萬t，平均輸沙率0.677kg/s，平均含沙量1.66kg/m3，最大斷面平均量7.77kg/m3。

2012 年北河店水文站懸移質顆粒級配資料統(tǒng)計：中數(shù)粒徑 d50=0.020mm，平 均 粒 徑 d=0.045mm，最 大 粒 徑 為0.739mm，小于粒徑0.016mm 的泥沙沙量占42.9%。

4.3 泥沙淤積分析計算

泥沙淤積計算采用如下公式：

式中：

F—控制徑流面積；

G—侵蝕模數(shù)；

V—蓄水庫容；

T—蓄水年數(shù)。

此工程中河道縱坡為2.7‰，當河道縱坡小于5‰時，侵蝕模數(shù)取10.2，故侵蝕模數(shù)取10.2。蓄水年數(shù)選取工程校核年數(shù)20a。根據(jù)《河北省定興縣南拒馬河老里村主槽攔蓄工程水工程建設規(guī)劃同意書論證報告》，蓄水庫容為300 萬m3，測站控制徑流面積為447 萬m2，計算得出泥沙淤積總量為14.99 萬m3。

5.河勢分析

北河店水文站流域分布在易縣、淶水縣、定興縣境內，屬海河流域大清河水系南拒馬河。南拒馬河自鐵鎖崖向南、流經淶水縣入定興縣至北河店，與中、北易水匯合后過鐵路，至東馬營與白溝河相會后入大清河。

主河槽河底為黃粘土，上覆細砂。左岸灘地為壤土，右岸灘地為細砂和壤土，種有樹木。洪水時期，沖淤變化較大，并且主河槽有逐年向右緩移現(xiàn)象。測驗河段位于京廣鐵路橋下游約600m 處，復式河槽，河段較順直，長約400m。施工前后，北河店水文站監(jiān)測斷面和測驗河段河底坡度未發(fā)生改變。北河店現(xiàn)狀大斷面見圖2。

河道經多年沖淤演變，河床形態(tài)已基本穩(wěn)定。項目建設后河道行洪主流流向基本不會改變。氣盾壩工程抬高了河道水位，對上下游的河段河勢穩(wěn)定有一定影響。在斷面樁號1+025.6 與1+058.7 之間處，有一高約2.6m 陡坡，坡比為1∶2。根據(jù)地質測繪及鉆孔揭露，工程場區(qū)地質結構為黏、砂雙層結構，上部為粉砂、細砂、中砂，下部為壤土，河床地質不太穩(wěn)定，蓄水飽和狀態(tài)下易坍塌。當發(fā)生大洪水時，陡坡向上游侵蝕沖刷，導致河床坡度、河道形勢、流速橫向分布與斷面形態(tài)隨時處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使斷面控制和河道控制情況隨時發(fā)生變化，對水文測驗河段穩(wěn)定性產生較大影響。流速橫向分布見圖3。

圖3 流速橫向分布曲線橫斷面

6.結論

一是攔蓄工程建成后，水位抬高，會造成局部沖刷，但不會對水文測驗造成影響。

二是攔蓄工程建設會造成上游河段內斷面流速分布變動，流速變化，測點含沙量及斷面含沙量分布受流速改變的影響可能發(fā)生改變，原有單樣含沙量及輸沙率測驗方案需在加密取樣垂線、測點，并積累一定測次的基礎上重新分析確定。另外，其對單沙的代表性及單斷沙關系也可能產生影響，為滿足今后泥沙測驗的精度和代表性，需要開展相關試驗，并根據(jù)實測資料進行比測分析，從而確定今后的泥沙測驗方案。

三是此次工程未改變北河店水文站附近監(jiān)測河段河道主槽。經上述計算分析，工程施工未造成河道過水斷面變化，測驗河段處流速、河床坡度、流速橫向分布、斷面形態(tài)與河道形勢等均未發(fā)生變化。但在斷面樁號1+025.6 與1+058.7 之間的陡坡易被沖刷侵蝕，可能造成比降下斷面受到破壞，使斷面控制和河道控制情況隨時發(fā)生變化，因此對水文測驗河段穩(wěn)定性產生影響。□