沭河王庄闸下河道治理方案研究

苏崇峰

（徐州市水利建筑设计研究院 徐州 221018）

1 河道概况

沭河是沂沭泗河洪水东调南下工程中的骨干工程之一。沭河源于沂蒙山区的沂山南麓，南经莒县、临沭、新沂，于口头入新沂河，河道全长300km，流域面积6400km2，其中徐州市境内沭河长44.7km。

根据 《沂沭泗河洪水东调南下续建工程实施规划》，沭河防洪标准由20年一遇提高到50年一遇，设计流量为塔山闸以上2500m3／s，塔山闸以下3000m3／s。

根据新安镇水文站1950～2005年的历年最大流量统计分析，多年平均流量865m3／s，5年一遇流量1300m3／s，2年一遇流量550m3／s，最小流量163m3／s。非汛期最大多年平均流量80m3／s，5年一遇150m3／s，10年一遇250m3／s。

根据新安镇水文站泥沙统计分析，输沙率（kg／s）：多年平均12.4，年平均最大65.2；多年平均输沙量39.1万t；含沙量 （kg／m3）：多年平均0.76，年平均最大1.47。

沭河地处郯庐断裂带，河槽为天然河道，河床、堤防土质基本上为砂性土，两岸堤防质量差，部分堤段为砂堤砂基，河道比降陡，流速大，弯道多，形成险工险段较多，特别是沭河下游王庄闸至新沂河河道长16.5km，成为沭河防洪工程治理的重点。

2 河道特性及河床演变趋势分析

沭河王庄闸下至新沂河河道长16.5km，弯道众多，河滩地随河道形式而变化，急弯内侧滩地较宽，外侧狭窄，河岸十分陡峻。河床平均比降为1／1400。河流地质作用沉积物以砂质为主，河流地质作用以冲刷为主，部分堤段冲刷严重，形成崩岸，河床边界稳定性差，河道抗冲刷能力低。

2.1 沭河出口处与新沂河水面线和河底高程不衔接

新沂河是南下工程的入海通道，汇集南下的来水，其中骆马湖以上流域面积51200km2，嶂山闸以上来水有骆马湖调蓄，泄洪几率相对总沭河较小，特别是中小流量时，嶂山闸不泄洪或泄洪流量较小，新沂河口头以西的区间排水面积又很少，造成新沂河常处于低水位状态。水位统计资料显示，1982年以前口头汛期多年平均最低水位为10.89m，1982～1999年为8.77m，1999～2003年为7.79m；1990～2003年汛期月平均水位为9.05m。沭河出口处新沂河设计洪水位为16.52m，当骆马湖嶂山闸不泄洪时，新沂河水位常处在9.0m以下。而沭河为经常性来水河道，特别是沭河中小流量时，使得沭河口头处与新沂河水面线不衔接。根据1982年测量资料，沭河口头处河底高程为10.7m，新沂河口头处河底高程9.64m，河底相差1.06m，2005年沭河口头处河底高程为5.0m，新沂河口头处河底高程3.5m，河底相差1.5m。因此沭河出口处与新沂河水面线和河底高程均不衔接，导致河床冲刷下切严重。

2.2 沭河河道弯曲，比降陡

沭河王庄闸下至新沂河段河床滩地自西北向东南倾斜，滩面宽度125m～1039m，河口宽度141m～518m。左右大堤堤距为430m～1250m，地面高程由20.0m至16.0m，河底高程由14.0至3.5m。河道边坡大多在1∶2以下，河岸十分陡峻。该河段弯道较多，90°弯道达7处，曲折系数在1.14～1.26之间，曲率半径在0.45～0.96km之间，摆幅在0.52～1.2km之间。该段河床纵向比降达1／1400，中小流量常处于急流状态，大流量时流速大于允许不冲流速，现状河道纵向比降较之1982年及1999年的河道纵向比降相比，没有改观，在现状及以后的年份中，河床比降陡、流速大依然是引发河床继续冲刷下切的主要因素之一。

2.3 上游来水含沙量不断减少

河流泥沙的主要来源是自然力对流域表面的地表侵蚀和因重力失衡引起的重力侵蚀，影响河流输沙量的主要因素为气候因素、下垫面因素和人类活动等三个方面。上个世纪60年代初沭河上游兴建了沙沟、青峰岭、小仕阳、陡山4座大型水库和石泉湖等4座中型水库，水库控制流域面积占沭河总流域面积约30%，河道上多道闸坝等拦河建筑物的兴建，上游山区水土保持措施的加强，以及人工采砂等，上个世纪80年代以前和以后，年累计输沙量与年累计径流量曲线的斜率有明显变化，前后时段平均含沙量减少约50%，近年来含沙量呈进一步减少趋势。特别是中小流量时，上游水库和拦河建筑物的拦水拦沙，下游河道含沙量减少，亦造成下游河道的冲刷下切。

2.4 河道抗冲能力分析

计算流量的选择，通常利用某一频率洪水作为造床流量，根据国内研究，造床流量接近略小于2年一遇洪水，较多使用的是1.5年一遇洪水作为造床流量，也有取多年平均洪峰流量即常年洪水作为造床流量。根据沭河历年最大流量统计分析成果，主要针对河道行洪500m3／s和800m3／s进行分析计算。

根据沭河王庄闸以下河道地质勘探资料，河道以砂性土为主，最大厚度达到20m以上，层底高程达到－2.0m以下，抗冲能力弱。按照 《灌溉与排水工程设计规范》，计算不同水深不同河段允许不冲流速情况如下：①小流量时 （200m3／s）河道允许不冲流速为0.20m／s～0.77m／s，现状河道流速 为 0.58m／s～ 2.41m／s； ② 1.5 年 一 遇 时（500m3／s） 河 道 允 许 不 冲 流 速 为 0.32m／s～0.82m／s，现状河道流速为0.82m／s～2.67m／s；③中等流量时 （800m3／s）河道允许不冲流速为0.34m／s～0.84m／s，现状河道流速为1.14m／s～3.20m／s。计算结果表明，中小流量时现状河道流速均要大于河床允许的不冲流速，造成河床有冲刷下切趋势。

综合以上分析，因该段河道出口处与新沂河河底高程和水面线均不衔接，河道纵向比降大，河床土质基本上为砂性土，中小流量常处于急流状态，大流量时流速大于允许不冲流速，加之河道弯道较多，导致河床下切滩面冲刷趋势严重，造成河势不稳，河坡不断坍塌，大量的险工不断出现，跨河及穿堤建筑物出现不断冲毁，已严重威胁堤防、跨河建筑物和河道的防洪安全，而且滩面上群众赖以生存的良田、桑园、果园等不断塌入河中，水土流失严重。为确保王庄闸下河道稳定，达到规划治理的目标，保证行洪安全，避免土地资源流失等问题，必须解决王庄闸下河道持续冲刷下切趋势。

3 王庄闸下河道治理方案

针对王庄闸下河道不断冲刷下切的趋势，为达到防洪规划治理的目标，我院在 《沂沭泗河洪水东调南下续建工程实施规划》阶段，进行了建设壅水坝与河道裁弯取直两个方案的比选，由于裁弯取直方案占地较多，投资超过3亿元，效果也难以估计，因此仍采用对原河道的治理方案。在可研和设计阶段，我院又进一步对险工护砌与建设壅水坝两个方案进行了技术经济比较。

3.1 险工护砌方案

沭河王庄闸下险工众多，河道现状边坡大多在1∶2以下，最陡处几乎为1∶0，河道滩面至河底深度一般都在10m以上，堤顶至河底深度一般在14m左右，最大达到17m以上，河岸十分陡峻。因河道不断冲刷下切，该段河道老险工坡面不断坍塌，底脚墙冲毁，新险工逐年出现，王庄闸以下河道护砌长度累计达7.35km，修筑丁坝10余处，治理效果依然很差，旧险工修复时间不久，新的险工又不断出现。目前从王庄闸至口头16.5km范围内，两岸险工段长度达26.4km，其中处于弯道、没有滩面或滩面狭窄的险工段长度为14.3km。

采用传统的浆砌块石对险工进行护砌，该方案施工工艺简单，工程投资约为8000万元，可以暂时解决防洪安全问题，但不能解决河床持续冲刷下切问题，随着河床不断冲刷下切，新的险工会不断出现，且护坡需不断向下接长，维修养护费用高，管理难度大，不能从根本上解决该河段的防洪问题。

3.2 壅水坝方案

根据总沭河王庄闸下河道比降陡，中小流量行洪时，流速大，对河床冲刷严重，而且设计流量最大值达到3000m3／s的特点，建设壅水坝主要是中小流量时分段抬高水位，减缓水面比降，降低河床流速，大流量时不阻碍行洪，通过多年运行，可使中小流量时河床淤积，抬高河床，最终减缓河床比降，改变沭河河床冲刷下切，达到稳定河床的目的。

壅水坝数量的比选：经过对1～4道坝的计算分析，主要选取3道坝和4道坝两个方案进一步进行技术经济比选。比较结果表明，3道坝方案水流比较平缓，流速较小，可比项投资7570万元；4道坝方案水流较3道坝方案缓，流速较3道坝方案小，但差别程度不大，可比项投资11420万元。经综合比较，3道坝方案建坝后水流较平缓，流速较小，建坝效果也相当明显，而且投资较4道坝方案省3850万元，因此选择3道坝作为实施方案。

壅水坝坝顶高程的比选：坝顶高程确定的过高则投资较大，过低难以起到降低水面比降和流速的作用。影响沭河河道稳定的主要是出现机率较高的中小流量，通过拟定不同的坝顶高程，分别计算设计流量下的水位情况和中小流量时降低水面比降及流速的程度，计算拟定了3种坝顶高程，从比较结果分析，坝顶高程越高，沿程水面比降缓，流速小，但造价高；坝顶高程越低，沿程水面比降陡，流速大，对河床稳定不利。因此坝顶高程是既考虑了3座壅水坝相互配合协调，起到稳定各段河床的作用，在河床稳定后各段河道水面比降与河底比降基本一致，又考虑了投资省，经综合比选确定3座壅水坝的坝顶高程分别为广玉15.0m、邵店12.0m和口头10m。

壅水坝堰型比较：经实用堰和宽顶堰两种堰型的技术经济比较，选用WES型实用堰作为壅水坝的堰型。

根据理论计算，3座壅水坝兴建后，可改善水流特性，从大中小不同流量，对比建坝前后水面线的变化，建设壅水坝可以利用建筑物集中消能，既可实现河道出口处与新沂河的水面线衔接，又大大减缓分段河道的水面纵向比降，大大减小中小流量时的河道流速，可使中等流量的流速由现状1.14m／s～3.20m／s下降至0.62m／s～0.8m／s，达到不冲流速。经运行后河道会形成一定的淤积，长期形成平衡比降。建设壅水坝治理的主要是中低水河槽，经对设计流量水面线计算，兴建壅水坝对行洪没有影响。

1992年沂沭泗河洪水东调南下一期工程治理时，针对王庄闸下的沭河治理，就设置了简易壅水试验坝，对比邵店试验坝建设前后坝上河道淤积情况，一个汛期后坝上河道200m范围内河槽淤积了0.5～0.7m，通过现场试验，直接验证了建设壅水坝对改善河床特性，调整水面比降，稳定河床的显著效果。另外，王庄闸以上段河道建有塔山闸和王庄闸两个梯级控制工程，对调节中小流量，稳定河床起到了显著效果，通过计算塔山闸以上及塔山闸～王庄闸现状河道纵向比降、河道流速状况，这两段河道相对稳定，根据实测资料分析，近20年来河床变化不大，也类比说明建设壅水坝对稳定河床的显著效果。

综合以上险工护砌和壅水坝两个方案比较结果表明：险工护砌方案一次性投资稍小，但不能从根本上解决王庄闸以下河道冲刷问题，河床将继续下切，常年整修和维护费用高。壅水坝方案虽然一次性投资较险工护砌方案大些，但可以从根本上解决王庄闸下河道的冲刷下切问题，保护堤防及跨河和沿线建筑物的安全，且维护管理费用低。故选择兴建3座壅水坝的治理方案。

另外，通过壅水坝的建设，除对稳定河床，达到防洪安全的目标外，对改善河道生态，也会起到积极的作用。

4 结语

沭河王庄闸下河道的治理，是江苏段沭河治理的重点内容。通过对王庄闸下河道特性及冲刷下切趋势的原因分析，治理方案的比选，建设壅水坝方案能较彻底解决该河段存在的突出问题，以达到防洪规划的目标。沂沭泗河洪水东调南下续建工程沂河、沭河、邳苍分洪道治理工程的设计，已于2008年经水利部和国家发改委审批，目前王庄闸下3座壅水坝已建设完成。