喀斯特地区“断尾”山洪沟治理关键技术——拦污栅设计

尹亚敏，秦钰超，彭尔瑞，范春梅

（云南家业大学水利学院，云南昆明 650201）

山区、半山区在荒山秃岭、山坡植被破坏地区，暴雨以后径流很快大量集中，造成山坡冲刷、水土流失，造成严重危害。治理山洪必须从分析形成山洪的原因着手，因地制宜进行整治，多年治理实践证明，采取综合治理措施，效果明显。综合治理措施是以植物措施与工程措施结合的方法，即治本和治标相结合。植物措施主要是植树造林和合理耕种以延缓径流和分散径流的集中，减少雨水对土壤的侵蚀；工程措施主要是进行沟头防护，修筑谷坊、塘坝、跌水、排洪渠道和堤防等构筑物治理山洪沟，免除山洪对下游的灾害[1]。目前对溶洞的发育、地质构造、裂隙地下水等研究较多，但对断尾沟尾部落水洞的过流能力及防污措施的研究并不多。本文以丘北县平坦“断尾”山洪沟为例，重点分析研究“断尾”山洪沟落水洞的拦污措施。

1 平坦“断尾”山洪沟基本情况及存在的问题

1.1 平坦“断尾”山洪沟情况

平坦山洪沟位于云南省文山壮族苗族自治州丘北县，东经103°34′-104°45′、北纬23°45′-24°28′之间。平坦河总长约19.8km，流域面积75.4 km2，属珠江流域西江水系清水江一级支流凤尾河的左岸支流，发源于丘北县双龙营镇雄山村民委员会大麻塘村，流经丘北县云龙、普格、栗松、戈衣、纳塞、绿湾、瓦窑、平坦，在平坦进入落水洞群，经长马山约3km后出露，汇入凤尾河。由于水量进入落水洞群，平坦河在平坦坝子形成断尾沟。

沿河灌溉面积5 200亩，保护人口2 115人。河床较平缓，淤积严重，水灾频繁。河床坡降29.9‰。

1.2 平坦“断尾”山洪沟存在的问题

目前平坦山洪沟两岸基本为土堤，起到了一定的防护作用，但河堤不同程度存在低矮、残破、单薄等情况，特别是汛期经常漫堤、决堤，造成两岸洪涝灾害，主要问题有：

（1）多年失修，河道整治投入不足，未能完全形成有效、完善的防洪体系；

（2）落水洞没有完全连通，是造成行洪不畅导致成灾的重要原因；

（3）沿河两岸堤防、堤身均不满足行洪要求，河堤虽经多年冲刷拉槽扩宽，但部分河道行洪断面仍不足，严重阻水；

（4）堤脚因河洪水冲刷导致淘脚严重；

（5）河道沿岸出现多处河岸滑坡，严重影响行洪时的堤防安全；

（6）两岸村民防洪减灾意识薄弱，部分居民在河堤上种地、建房侵占河道，沿河倾倒垃圾等，这些因素影响山洪沟的泄洪能力。

1.3 落水洞的分布及相关参数

（1）落水洞的分布及特性

平坦山洪沟末端无天然泄洪通道，落水洞为平坦山洪沟主要泄洪通道。

平坦山洪沟工程区末端（K6+590-K7+981）喀斯特地貌发育，沿线有7个大小不同的落水洞，其中K7+981处是7号落水洞起点，K8+221是7号落水洞终点，7号大落洞存在不同程度塌陷和较大淤积阻塞；K7+445-K7+981处无天然沟道；现状落洞及现有沟道淤积严重。各落水洞的位置分布、形状大小、特性见表1。

表1 各落水洞特性表

（2）落水洞的特点

落水洞作为岩溶垂直发育阶段的产物，是岩溶含水介质内主要的集水区域和过流通道[2-3]。其在形成的初始阶段，侵蚀作用以沿垂直裂隙的溶蚀为主。当孔洞扩大以后，补给强度很大时，大量地表水流集中汇入落水洞，水流所携带的大量泥沙石砾不断对洞壁四周进行磨蚀，同时还会伴随着岩体的崩塌，使落水洞迅速扩大[4]。相比落水洞的扩大速度，岩溶裂隙和地下河因受地下水流的溶蚀所引起的尺寸改变可忽略。落水洞除起着汇水和输水作用外，在补给强度很大的情况下，落水洞内很可能来不及消水，水位壅高[5]，这时落水洞还起着储水作用。丘北县平坦“断尾”山洪沟，由于末端落水洞排泄洪水有限、淤积物堵塞、里程7+445-7+981（536m）段，现状无天然沟槽，所以导致平坦山洪沟经常出现洪涝灾害。通过实地现场查勘及走访，发现在汛期（2年一遇洪水），高程1 343.50以下的耕地均会被淹没，淹没范围为271亩，水深在0.2-1.22m之间；历史上（10年一遇洪水），最大淹没范围达到393亩，淹没高程为1 345.50m，比瓦窑村最低居民房（1 344.05m）高出1.45m，淹没水深在0.58-3.22m之间。

1.4 落水洞泄洪情况

（1）落水洞的过流能力估算

结合实地调查，当设计断面发生常遇洪水时，落洞泄洪正常，不会造成治理沟道末端的封闭区域发生淹水现象，根据推求的设计洪峰流量成果，当发生2年一遇洪水时，即常遇洪水，6+628.3断面洪峰流量23.6m3/s，洪水经落洞完全排出，因此1-6号落水洞之间的落水能力为23.6m3/s。但6个落水洞的周长、平均直径、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号落水洞的泄流能力为23.6m3/s为依据，运用熵权法分析各落水洞的泄洪能力流量Q见表2。

表2 各落水洞流量计算表（单位m³/s）

（2）年各断面洪水洪峰流量

平坦山洪沟无实测水文资料，平坦山洪沟水文计算运用“地区综合法”和“实地洪水调查法”推求不同频率的洪峰流量。将以上两种方法计算得到的各控制断面P=10%设计洪水进行合理性分析。地区综合法设计洪水与实地调查法设计洪水两者相差1.89%-10.2%。

实地调查法根据对治理河道实地查勘测量结果，以常遇洪水计算作为基础，结合历史调查洪水，分析出治理沟段各控制断面设计洪水成果，虽然存在一定的误差，但比较符合实际，尤其针对无实测资料地区，其成果更符合流域实际情况，因此，将实地调查法计算成果作为本阶段设计洪水成果。

（3）治理后1-7号落水洞的相关参数

山洪沟治理后各落水洞的相关参数见表4。

表3 治理段设计洪峰流量成果表（实地调查法）

表4 山洪沟治理后各落水洞参数

2 治理关键技术

2.1 落水洞的拦污栅设计

（1）拦污栅设置位置

拦污栅设置在引水道进口处，主要用于拦阻水流夹带的污物[2]，如水草、树枝、枯叶子、木块、垃圾、死畜等进入河道，以保护下游的构筑和建筑物不受损害，正常运行。由于平坦山洪沟的拦污栅是落水洞前拦污，无规范和相关资料，参照水电站拦污栅设置。拦污栅通常是倾斜放置，其优点是过水面积大，易于清污，而水电站坝式进水口的拦污栅多呈垂直布置[3]。平坦断尾山洪沟的拦污栅采用垂直布置，设置在落水洞前，防止污物进入落水洞，影响落水洞行洪。

（2）拦污栅的构造

拦污栅的栅条宽度和厚度由强度计算确定[3]。拦污栅的构造是由直立的栅条连接而成的栅面，栅面四周镶有角钢或槽钢，栅条的连接有螺栓联接和焊接两种，栅片无支承，长度不应超过厚度的70倍，栅条的间距一般75-200mm[4]，每块栅面宽度不超过2.5m，高度不超过4m[3]。平坦断尾山洪沟的拦污栅栅条之间的间距为100mm；由于栅条截面形状为圆形的拦污栅水头损失最小，栅后形成的流速梯度较小，沿着水流流向水流过渡最平缓[5]，因此，平坦山洪沟落水洞拦污栅栅条截面形状为圆形，采用Φ25-32的钢筋做栅条；栅条与四周角钢框连接采用焊接，角钢尺寸80mm×80mm×10mm，平坦断尾山洪沟拦污栅高度小于5m，采用人工清污。构造见图1。

图1 拦污栅构造图

（3）各落水洞拦污栅栅面尺度的确定

根据实际情况及拦污栅结构计算确定各落水洞拦污栅栅面尺寸，相关参数见表5；当过栅流速为1.0m/s时，各落水洞拦污栅净过水断面面积见表5。

从表4、表5可看出，拦污栅总宽与落水洞平均直径的比值分别为：0.400-0.591，因此落水洞设置拦污栅时，其设计宽度应小于0.6倍落水洞平均直径。

表5 拦污栅特性表

2.2 拦污栅稳定计算

（1）拦污栅的结构荷载

拦污栅栅条的上下两端支承在横梁上，栅条可视为简支梁，设计荷载决定后不难算出所需要的栅条面积，栅条的荷载传给横梁，横梁受均布荷载。根据横梁、支柱、坝体等构件的相互支承关系，选择合理的方法计算内力，进行结构计算[6]；结构计算时，拦污栅上的荷载，除自重外，还应包括堵塞情况下的栅前栅后的水位差，一般可取2-4m的均匀水压力[7]，此次计算取4m。

（2）拦污栅栅条稳定计算

对于长方形的截面的栅条，当验算其整体稳定性时，其临界荷载分别按照（1）-（2）计算[6]，计算结果见表6。

表6 拦污栅栅条稳定计算表

式中PL--栅条整体稳定的临界荷载

PL≥kql（2）

q--栅条单位长度上的荷载，N/mm；

l--栅条的跨度，mm；

E--钢材的弹性模量N/mm2；

G--钢材的剪切模量N/mm2；

Iy--栅条截面y轴惯性矩，mm4，；

Id--栅条截面的抗扭惯性矩，mm4，；

h--栅条截面高度，mm；

t--栅条截面厚度，mm；

k--整体稳定安全系数，取值为2.0。

从表6可以看出，各落水洞的拦污栅栅条的稳定安全系数k值为2.07-3.03之间，均大于整体稳定安全系数k=2.0，拦污栅栅条是稳定的；另外栅条的承载力值为2 352.53-5 612.22N，均小于栅条临界荷载PL值7 868.53-11 589.54N，因此拦污栅栅条满足稳定要求。

2.3 拦污栅过流能力复核

拦污栅的水头损失计算

拦污栅的水头损失[3]按下式进行计算

式中：S--栅条厚度，取25-32mm；

b--栅条净距，取100mm；

α--拦污栅倾角，取900；

β--与栅条断面形状有关的水头损失系数，取1.79；

Vz--允许过栅流速，取1m/s；

经计算，水头损失为0.019-0.027m。

（2）拦污栅的养护与清污

拦污栅栅条（钢筋）应做防锈处理，运行几年后（最多3年），需要做一次防锈处理。因为拦污栅栅条经多年运行锈蚀变粗[8]，局部水头损失会增大，将影响落水洞的行洪；拦污栅堵塞后，其对水流的阻力要比本身锈蚀对水流的阻力大得多，局部水头损失随堵塞率的增加而急剧加大[8]，拦污栅应定期清污，特别是汛期应及时清污，确保满足落水洞的行洪要求。

（3）采用多孔有坎宽顶堰计算拦污栅过流能力

把拦污栅看成多孔堰，则侧收缩系数及过流量[6]按（4）和（5）进行计算，结果见表7。

表7 各落水洞拦污栅过流能力复核

式中：ε1--侧收缩系数；

Ka--边墩形状系数，取0.10；

Kp--中墩形状系数（H0/Hd=0.99），取0.012；

H0--堰顶全水头（m）；

n--堰孔数；

b＇--堰宽（m）；

m--流量系数，取0.34。

从表7可看出，1-7号落水洞拦污栅的过流能力为3.63-32.78m³/s，P=10%时各落水洞的下泄流量值为2.92-28.2m³/s，经复核，1-7号落水洞拦污栅的过流能力均大于P=10%时各落水洞的下泄流量，满足行洪要求。

3 结论

（1）落水洞拦污栅的宽度小于0.6倍落水洞平均直径；

（2）经过拦污栅栅条稳定计算，落水洞拦污栅栅条稳定安全系数在2.07-3.03之间，均大于拦污栅整体稳定安全系数2.0；

（3）落水洞拦污栅的过流能力参照多孔有坎宽顶堰进行计算，各落水洞均满足P=10%时的行洪要求。

（4）拦污栅栅条（钢筋）应做防锈处理，运行几年后（最多3年），需要做一次防锈处理，否则将影响落水洞的行洪能力；拦污栅堵塞后，其对水流的阻力要比本身锈蚀对水流的阻力大得多，局部水头损失随堵塞率的增加而急剧加大[8]，拦污栅应定期清污，特别是汛期应及时清污，确保满足落水洞的行洪要求。