北京市山区河道治理工程设计的体会

2013-09-05闫永旺

水利规划与设计 2013年1期

闫永旺

（北京禹冰水利勘测规划设计有限公司北京 100048）

1 引言

北京的山区面积占市域总面积的62%，山区河道多位于房山、门头沟、怀柔、密云、延庆等京郊区县内，其特点是：区域内地形变化较大，地质结构十分复杂，上下游气候存在较大差异；河道纵坡陡，集雨面积小，暴雨相对集中，且强度非常大，汇流时间短，水流速度大，挟沙能力和冲刷能力强，其推移质和悬移质多，对河道冲刷严重，极易造成大面积水土流失；河道两岸分布村庄、农田，工厂、企业等，防洪标准要求越来越高；为了带动山区旅游产业，促进当地经济发展，改善生态环境，吸引高端产业落户，山区河道治理的目标由过去单一的提高防洪标准转变为建设“安全行洪的汇水通道，丰富稳定的流域生态，自然和谐的生态景观，特色生态的沟域经济”。

通过对大石河流域绿色水岸建设工程的规划设计，谈几点山区河道治理工程设计的体会，供类似河道设计借鉴、参考。

2 项目基本情况

大石河为北拒马河支流，发源于房山西部山区霞云岭乡堂上村西北，是唯一发源于房山境内的河流，房山旧志称“圣水”。

大石河总流域面积为 1280平方公里，北京市境内为1243.4平方公里，河道全长129公里，北京市境内为121公里，其中辛开口村以上为山区河道长 85公里（平均比降为 6.4‰），自辛开口村至夏村段长15公里（平均比降为3‰），夏村至北京市界长 21公里（平均比降为 0.3‰）。流域内多年平均降水量600mm左右，多年平均天然径流量9570万m3，枯水年天然径流量4785万m3。建国后大石河下游发生过多次洪水灾害，1956年洪水流量为1860m3/s，是漫水河水文站实测最大洪峰流量。

大石河承担着防洪排水、生态旅游、山区经济发展等多种重要功能。但由于矿山的无序开发、铁路及护岸工程的阻隔、河岸沿线煤炭、水泥等工矿企业无序经营等一系列问题，使得河道堆积现象严重，过流断面较小，现况水质恶劣，严重影响着大石河的行洪排水和河道及周边的生态环境，同时也对北部山区旅游资源的开发和旅游产业的发展造成严重威胁，与房山区建设旅游大区和作为首都西南生态屏障的地位极不协调。房山区委、区政府启动大石河流域绿色水岸建设工程，通过综合治理的手段将河道打造成可以带动山区经济转型，推动当地经济发展，吸引高端产业落户的基础平台。

大石河治理工程内容包括河道疏浚工程、堤防加固工程、调蓄水工程、道路桥梁工程、环境整治工程、景观工程、绿化工程等。

3 因地制宜、综合治理的理念

大石河治理工程治理范围为霞云岭乡银水村至城关镇大件路桥，河道全长 52km，按照地理条件不同，河道分为深山区、浅山区和平原区。

深山区为霞云岭乡银水村至佛子庄乡黑龙观景观桥，全长 24.01km，流经霞云岭、佛子庄两个乡，河道两岸为108国道或山体，路面高程距河底约10～15m，防洪条件较好，河道横断面呈U型状河槽，河床狭窄，洪水陡涨陡落、流速大且易挟带推移质淤堵下游平原河道。工程治理思路是在满足相应防洪标准的条件下，疏浚河道、清除障碍物及垃圾、局部修筑堤防及护坡、恢复生态植被。从补充涵养地下水、调节区域气候、保护生物多样性和泉水综合利用等角度出发，在不渗漏河段布置浆砌石坝，形成基本水面景观。

浅山区为佛子庄乡黑龙观景观桥至青龙湖镇辛开口村，全长 20.09km，流经佛子庄、河北、青龙湖三个乡镇，沿岸村庄乡镇较多，人口相对密集，河道蜿蜒曲折，局部走向变化很大，纵坡相对较小，河床较宽，两岸分布河漫滩和阶地，阶地上分布村庄、居民点和耕地。工程治理思路是扩挖河道，修筑堤防及护坡，提高防洪标准，保障人民生命财产安全；疏浚河道、清除障碍物及垃圾；植树绿化改善生态环境，恢复生态植被，在基础条件较好河段布置景观闸，结合现状的蓄水建筑物梯级蓄水，形成水面景观。

平原区为青龙湖镇辛开口村至大件路桥，全长7.9km，流经青龙湖镇、燕房组团、阎村镇三个乡镇，沿岸分布了包括燕房组团、燕山石化产业区、北京石化新材料科技产业基地等企事业，人口相对密集。该段河道纵坡相对较小，洪水挟带推移质在河床内大量沉积，河势呈不规则漫滩态势，无明显河主槽及岸线；河道多年干枯，高滩地被果园及厂矿侵占，严重阻碍行洪，沿河道内遍布采砂坑，生态环境恶化。工程治理思路是在满足相应防洪标准的条件下，适当调整河道主槽坡降，进行平整，疏通开挖沟槽连通采砂坑，修整陡峭采砂坑边坡，对堤外采砂坑回填至原地面高程，并结合地形修建集雨坑，滞留积蓄雨洪水，恢复生态植被，营造深潭、浅滩、湿地、绿洲相结合的多层次河道空间，恢复河道自然功能。

生态景观空间总体布局因地制宜，根据各区的特点进行布置，确定深山区为生态保育涵养区，浅山区为生态治理修复区，平原区为生态重建休闲区。建设内容以三个建设区域为框架，根据其立地类型、河道现状、景观节点布局分别实施，以河道生态修复为重点，打造流域特色生态产业，发展沟域经济，自上而下形成“溪流-湖泊-湿地”点点相连，营建植被与水相依的健康河流生态系统，打造“一条生态走廊、三段功能分区、四岛五湖六园”的空间景观布局。

4 面、线、点结合的布置

山区河道的平面布置对一个流域、一条河流的总体规划有着很重要的影响，规划设计尽量做到面、线、点结合的合理布局。

面就是在工程空间总体布局后，对河道的平面、纵段、横断面协调统一，合理布置。

线就是对河道左右堤岸线分别设计，根据天然河道多年形成的自然流线，结合现状地形宜宽则宽、宜弯则弯，形成急流与缓流、深潭与浅滩相间的格局，既符合河道冲淤的自然规律，又有利于生物多样化的形成。

点就是要确定河道治理的重点设计部位，大石河以疏浚和防护为主，工程措施包括：顶冲段增加抛石等防护措施，防洪标准不足处扩挖断面、调整纵坡、修筑堤防、增设防浪墙，修建小型溢流坝、景观闸等蓄水建筑物形成水面。生态绿化措施结合周边人文自然景点，确定景观节点，主要包括：河心岛、江心洲等四岛，山川湖、黑龙观湖等五湖，银狐休憩园、河北镇滨水文化园等六园。

大石河治理工程首先需要确定整治河宽，通过计算和对实际情况的具体分析综合确定。设计中采用公式计算法和现场分析法进行确定。

（1）确定造床流量下的稳定河宽

采用C.T阿尔杜宁稳定河宽关系法进行分析，公式如下：

根据漫水河水文站 1963年实测洪水流量成果表分析，治理河段的造床流量为800m3/s。经计算，河道稳定河宽最小不低于50m，最大稳定河宽应小于196m。

（2）确定设防流量下的整治河宽

①方法一：采用三公式联解计算：

河相关系式：

曼宁流速公式：

水流连续公式：

上述三公式联解求得整治河宽公式：

经计算，在设防流量情况下，山区河段的平均河宽为89.2m，最小不低于48m，最宽为219.3m；出山后平原河段平均河宽为187m左右，最小不低于151.3m。

②方法二：采用《泥沙设计手册》涂启华等概化公式计算：

涂启华、张俊华等统计分析了河道河槽水力几何形态，进行概化后得出沙卵石河床情况下计算河宽计算公式：

经计算，在设防流量情况下，山区河段的平均河宽为 104m，最小不低于 50m，出山后平原河段平均河宽为159m，最大可达307m。

（3）整治河宽范围拟定

上述方法计算结果表明：山区河道的整治河宽应不低于造床流量行河时的最小宽度50m，其取值范围为 50～219.3m左右（漫水河水文站附近河道较宽浅）；出山后的平原河段，其整治河宽取值范围应在151.3～307m左右。

（4）整治河宽选取

在采用以上经验公式进行计算的基础上，结合现场查勘对各河段的河道特征指标（如设计比降、糙率等）进行分析，按照地方政府对于河道内村庄、耕地、果园及影响行洪的煤厂、石板厂、石灰厂等的整治意见和初步设想，在河道自然比降的情况下，对现状过水不足的断面进行疏浚调整，制定出不同河段的工程处理方案，并通过复核各断面的水位流量关系，在满足设防流量行洪要求的情况下，提出各断面的整治河宽。然后结合河道的现状条件、整治河宽计算结果，通过扩挖河道，调整纵坡，修筑、培高堤防或设防浪墙等措施，最终确定左右堤岸线。

5 建筑物的布置及选型

大石河治理工程中建筑物主要包括调蓄水工程和桥梁工程。

调蓄水工程根据深山区、浅山区和平原区的特点进行布置，主要布置在村庄、景观节点附近，结合现状铅丝石笼坝或橡胶坝，拦蓄水面，形成梯级水面景观。深山区段设计新建6座重力式浆砌石坝，挡水高度3～4m，疏浚清理后坝址处设计河面宽为100～150m。河道总落差约 131m，平均纵坡为5.46‰，蓄水水面面积约39.64万m2，蓄水量约44.05万 m3。浅山区段设计新建 8座景观闸，挡水高度1.5m，闸型选用水力自动翻板闸和钢坝闸，疏浚清理后闸址处设计河面宽为 40～100m。河道总落差约32m，平均纵坡为3.0‰，蓄水水面面积约60.69万 m2，蓄水量约 81.19万 m3。平原区段河道多为砂砾石河床，且不规则分布了众多的采砂坑，设计疏通开挖沟槽连通采砂坑，修整陡峭采砂坑边坡，采用减渗防渗措施，利用采砂坑蓄水形成水面，蓄水量约246万m3。桥梁工程是对现有14座交通桥进行拆除重建。现状交通桥为管涵结构，基础埋深较浅，过水断面小，行洪时严重阻水，且多为乡镇村自建，标准低，年久失修，老化严重。根据山区河道坡陡水急，洪峰历时短的特点，修建漫水桥是经济合理的。为减少阻水，设计采用三跨连续板梁结构；为防止冲刷，采用灌注桩基础。既满足了工程安全要求，又节省了投资。

6 堤防护岸的型式及绿化工程

大石河治理工程的堤防护岸采用多种型式，对于河道内边坡较陡受水流冲刷厉害的部位，采用重力式浆砌石挡土墙防护；对于需要修建防洪堤处，堤身就地取材，采用砂石料填筑，外包粘性土防渗，迎水、背水面边坡均为1∶2，迎水坡面采用生态袋、坡改平等形式防护，坡脚采用浆砌石固脚。

绿化工程植物布置原则：5年一遇洪水位线以下可撒播草籽；5年一遇洪水位线与10年一遇洪水位线之间，可采取灌草结合的方式配置植物；10年一遇洪水位线以上允许配置少量乔木。植物选择原则：适地适树（植物）的原则；乡土物种与外来物种相结合的原则；乔灌草花相结合的原则；落叶彩叶与常绿植物相结合；生物多样性与景观多样性相结合的原则。