大同市御河生态湿地工程洪水影响分析

范 源

（山西水利发展研究中心，山西 太原 030002）

1 流域及水文概况

御河是海河流域永定河水系桑干河的一级支流，发源于内蒙古自治区丰镇市西北部的三义泉乡三岔河村，内蒙古境内称饮马河，由北向南流经丰镇，于新荣区堡子湾乡姜村流入大同市境内，流域面积5 016 km2，干流全长148 km，其中大同市境内干流长69.2 km，流域面积2 613 km2，流域平均纵坡3‰，在大同市南部的吉家庄村汇入桑干河。流域内为典型的大陆性季风气候区。最大年降水量为675 mm（1959年），最少年降水量为194.1 mm（1965年），年均蒸发量1 152.1 mm。

2 地质情况

工程区地震动峰值加速度为0.15 g，地震基本烈度为Ⅶ度。钢闸坝场地土的类型属中硬土，场地类别为I类，场地属对建筑抗震有利地段。工程区标准冻深1.50 m，最大冻深1.86 m。河道浅层①砾石为强透水层，其可作为护岸挡墙基础持力层，承载力220～240 kPa，内摩擦角32°。本次御河重点治理河段地下水位埋深多在1.0～2.0 m，地下水主要接受地表水流及排污水和大气降水的入渗补给，变化整体向下游补给排泄。河道水对混凝土具硫酸盐型弱腐蚀性。工程段砂岩产状平缓，无断裂、褶皱等地质构造。

根据《山西省地表水资源》资料分析，工程区域的年径流主要由大气降水产生。6～9月为夏汛期，径流量占年径流总量的60%～70%，一般在3月下旬至4月上旬为春汛期，径流量占年径流量的比值一般小于10%，11～12月和次年1～2月为枯水期，径流量占年径流总量的5%～10%，4月中旬至5月和10月，分别为枯水至丰水和丰水至枯水的过渡期。径流的年际变化较大。

御河流域的洪水由暴雨形成，暴雨主要发生在每年的6～9月份。根据《山西省暴雨普查资料》和《山西省场次洪水分析》等资料的统计分析，造成本流域大洪水的暴雨地面天气系统主要是台风、华北气旋、蒙古气旋和江淮气旋。据孤山水文站1953—2013年资料统计，最大洪峰流量为2 020 m3/s（1967年），最小洪峰流量为9.3 m3/s（2007年），两者的比值达217倍。

3 河道历史演变

根据本河段河道前期演变情况，预测未来主河槽的摆动明显受控于两岸河堤和来水量的大小；随来水来沙的不同，冲刷和淤积情况均有发生，总趋势是淤积量增加。小水时，水流基本稳定在主槽内，平面变形比较小，但水流流速小，容易产生淤积。大水时水流流速加大，河床的纵向变形将加剧；本河段堤防标准为20年一遇，发生超标准洪水时，溢流溃坝，水面加宽，但根据地形情况，水流主线仍在现状河道内，主槽大幅摆动可能性较小。

4 壅水分析

天然河道兴建阻水建筑物后，除引起行洪断面面积的减小外，还会由于阻水建筑物造成水流边界形状的突然改变，使边界层发生离体并产生漩涡，形成建筑物前壅水。新建滚水坝和钢坝闸，造成水工建筑物前壅水后将产生回水。

4.1 壅水高度计算

在计算通过设计流量情况下的壅水高度Δh（h=hhs）时，首先确定建筑物前的总水头，hs为堰顶以上的下游水深，h为堰顶以上的堰前水深。

经计算，上游最大水位977.20 m。下游最大水位977.00 m。壅水高度为0.20 m。滚水坝设计洪水位977.0 m，下游水位976.0 m，壅水高度为1.0 m。

4.2 回水长度计算

回水曲线全长按下列公式计算：

式中：Ly——回水曲线全长，m；

ΔZM——最大壅水高度，m；

I0——河段天然水面坡度，取河道比降。

计算结果见表1。

表1 壅水计算结果

从表1可以看出，滚水坝和钢坝闸因壅水产生的回水较短，上游无其他水利设施，不会对回水范围内的上游设施产生任何影响。本建设工程其他水利设施不在主槽内，洪水来临时，不会形成壅水。

4.3 淹没影响分析计算

根据御河生态湿地工程建设可行性研究报告中新建拦水闸采用钢坝闸，闸孔净宽为1×30 m，闸顶高程976.0 m，闸门顶高程977.0 m，由上游铺盖段、闸室段、下游消力池段及海漫段组成。水闸正常行洪设计水位977.0 m，底板高程974.0 m。

闸孔过流能力按《水闸设计规范》（SL265-2001）中堰流公式计算，计算公式为：

式中：B0——闸孔总净宽，m；

Q——过闸流量；

H0——计入行进流速水头的堰上水深；

g——重力加速度，取9.81m/s；

ε——堰流侧收缩系数，取0.95；

σ——堰流淹没系数，闸前最高水位时取1.0；

m——堰流流量系数。

拟定闸孔为1孔，净宽30 m，经复核，正常最大过流能力为275.651 m3/s。

为减少钢坝闸的频繁起落，设计允许坝顶在一定水深范围内溢流，溢流水深最大控制在0.6 m，溢流水位为976.60 m。

新建滚水坝采用混凝重力坝，坝长30 m，坝顶高程976.0 m，两侧挡墙顶高程977.0 m，由上游铺盖段、坝身段、下游消力池段及海漫段、防冲槽组成。水闸正常行洪设计水位977.0 m，底板高程974.50 m。

坝顶最大溢流量按自由堰流计算。计算公式如下：

式中：m——流量系数，薄壁型实用堰，经计算得0.4；

b——坝顶以上过水断面的宽度，取30 m；

ε——侧收缩系数，采用0.96；

H溢——不计行进流速水头的堰上水头，取0.6 m；

经计算，钢坝闸坝顶最大溢流量为23.9 m3/s。超过该流量，应采取塌坝措施。新建滚水坝最大流能力为48.68 m3/s。

建设项目20年一遇洪峰流量为1 394 m3/s。远大于钢坝闸最大过流能力275.65 m3/s，坝顶塌坝流量23.9 m3/s与滚水坝流量48.68 m3/s之和。因此，20年一遇洪峰流量来临时，洪水将漫过钢坝闸和滚水坝进行溢流，多余洪水量1 045.77 m3/s需从河道右岸进行泄洪，才能使洪水正常通过。

5 冲刷与淤积影响分析计算

水工建筑物建成后会在建筑物各脚点处引起河床的变形，即由于束窄河床引起的一般冲刷和建筑物阻水改变水流结构引起的局部冲刷。

5.1 主槽防冲刷计算：

墙基冲刷有纵向冲刷和斜向冲刷两种情况，根据《堤防工程设计规范》（GB50286—2013），平顺护岸冲刷深度公式如下：

式中：hs——局部冲刷深度，m；

H0——冲刷处的水深，m；

Ucp——近岸垂直平均流速，m/s；

U——行近流速，m/s，根据主槽水力计算成果，取最大流速3.5 m/s。

n——与防护岸坡在平面上的形状有关，取1/4。

η——水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表D.2.2采用；

d50——床沙的中值粒径，m；

γs———泥沙的容重，kN/m3；

γ——水的容重，kN/m3。

经计算：顺向冲刷深度为0.6～1.0 m，故顺向冲刷埋深取1.0 m；斜向冲刷深度30°以内，冲刷深度为0.9～1.18 m，故30°以内的斜冲基础埋深取1.2 m；斜向冲刷深度30°以上，冲刷深度为1.2～1.46 m，30°以上的斜冲基础埋深取1.5 m。设计主槽断面尺寸和形式满足10年一遇洪水要求。

5.2 钢坝闸和滚水坝海漫冲刷深度

海漫冲刷深度采用以下公式计算：

式中：dm——海漫末端河床冲刷深度，m；

qm——海漫末端单宽流量，m2/s；

[v0]——河床土质允许不冲流速，取0.81，m/s；

hm——海漫末端水深，m。

经计算，钢坝闸下游冲刷深度0.7 m，海漫末端不设防冲槽，设1.5 m深齿墙。设计钢坝闸海漫断面尺寸和形式满足10年一遇洪水要求。

滚水坝下游冲刷深度1.333 m，海漫末端设防冲槽，设1.5 m深防冲槽。滚水坝海漫断面尺寸和形式满足10年一遇洪水要求。

渠道不淤流速经验公式：V不淤=C×R0.5，式中，C为不淤流速系数，取0.65；R为水力半径，取2.36 m。根据主槽水力计算成果，最大行进流速为3.5 m/s，远大于不淤流速1.0 m/s。因此，一般不会存在淤积的现象。

6 河道行洪影响分析

本项目在河道上新建滚水坝和钢坝闸，将造成水工建筑物前壅水。虽然产生壅水和回水，但滚水坝和钢坝闸的建设不影响河道行洪。因此，壅水产生的回水不会对周边设施产生任何影响。御河生态湿地工程其他水利设施不在主槽内，洪水来临时，不会形成壅水。因主槽右岸无任何建筑物，且地势低于左岸，洪水出槽后将形成漫滩，因此，这些建筑物虽产生一定的壅水，但对行洪影响很小。

7 结论

本项目在河道上新建滚水坝和钢坝闸，通过壅水分析，滚水坝和钢坝闸建设不会影响河道行洪要求。水工建筑物轴线布设与水流基本平行，挑流较小，对河道冲刷影响较轻，项目建设对河势稳定的影响较小。沉砂池、曝气滤池等建筑物最低高程均低于设计水位，但因主槽右岸无任何建筑物，且地势低于左岸，洪水出槽后将形成漫滩，因此，这些建筑物虽产生一定的壅水，但对行洪影响很小。目前，河道两岸无堤防以及其它防洪工程，因此生态湿地工程的建设对防洪工程不存在影响。