汉寿沅南垸新兴嘴河段综合整治刍议

2018-01-04刘爱国彭九华曹丽君周珊红

湖南水利水电 2017年6期

刘爱国彭九华曹丽君吴峰周珊红

（1.汉寿县水利局常德市 415900；2.汉寿县沅南垸水利管理委员会常德市 415900；3.湖南省开源水电建筑工程有限公司常德市 415900）

1 概况

1.1 河段现状

沅南垸位于湖南省汉寿县境内，洞庭湖西滨，沅水尾闾南岸。是洞庭湖区11个重点垸之一，也是常德市重要商品粮基地，社会经济地位十分重要。全垸保护总面积464 km2，总人口24.5万人。沅水从新兴嘴进入该垸境内至蒋家嘴水闸止，临洪大堤长52.65 km。其中上游新兴嘴至车脑防洪大堤（桩号0+000至10+000）10 km外河河段为典型分汊型洪道，分为北、中、南三汊。北汊经牛鼻滩进入安彭港，汊道长13 km，是历史上的通航汊道；中汊金石河，为1970年人工裁弯取直河道，经大泛洲、小泛洲出安彭港，长6.98 km；南汊长约16 km，蜿蜒后在牛鼻滩镇对面汇入北汊[1]；新兴嘴以上洪水河宽1.1 km，枯水河宽约450 m，新兴咀以下枯、中水时成河，宽约（300～900）m，水走北、中、南三汊且不漫滩；洪水成湖，高洪漫滩，大泛洲、小泛洲淹没时，水面宽达6.5 km（河势见图1）。该河段最高洪水位（1996年7月18日盘湖昏站）40.93 m，流量 29 100 m3/s（桃源站）。

图1 沅南垸新兴嘴至车脑河段分汊型河道河势图

1.2 大堤现状

沅南垸自1949年并垸修堤以来，国家及地方政府在该垸堤防工程建设上已投入了较大的人力和财力，特别是通过1986～2010年的14年间防洪大堤一期综合治理和二期加固治理，对新兴嘴至车脑防洪大堤，实施了堤身固脚、高喷灌浆；内坡坑氹及低洼地带挖泥船吹填压浸；封堵了内脚300 m以内的压把井。现堤顶高程（41.7～41.6）m，堤顶面宽 8 m，临水坡坡比 1∶3，背水坡坡比 1∶2.5，堤身高 10.4 m。

虽经过多年治理，沅南垸防洪大堤仍存在许多险工隐患，尤其是新兴嘴至车脑防洪堤段汛期险情众多，险象环生。一是大堤汛期河道崩岸，退水脱坡；二是堤身出现不同程度的渗漏；三是堤脚垸内吹填之外和低洼未吹填的地方高洪期出现管涌和管涌群，吹填地方存在管涌向后方农田延伸趋势。故此，沅南垸新兴嘴至车脑防洪堤段仍然是汉寿县政府目前防洪治理的重点、难点。

2 险情成因

2.1 河势变化

新兴嘴至车脑防洪大堤河段高洪期，由于河面变成湖面，面宽是中水期的7.2倍，水流分散，流速减慢，泥沙淤积严重，导致金石垸洲滩苇柳发育，苇柳发育反过来又加重泥沙淤积，目前金石垸洲滩由废垸时的30.3 m淤至31.06 m，苇柳面积由废垸时的零面积发展到11.73 km2。

虽然此河段高洪湖面宽，因中汊河道浅窄，加之中间湖洲金石垸淤积严重导致苇柳发展而形成阻水，成为洪水卡口河段。此段中部有牛鼻滩水文站，1995年洪水期间新兴嘴至牛鼻滩比降仅为0.037‰，比上游河段邱家昏至新兴嘴0.083‰及下游河段牛鼻滩至周文庙0.061‰要小得多[2]。卡口段水位壅高，卡口以上水面比降变缓。此河段北、南两汊河道弯曲，两岸堤防当冲，特别是南汊河道弯多狭长，深泓贴岸，加之新兴嘴外滩梅家切汛期顶托，中间金石垸洲滩苇柳阻水，使得行洪水位陡涨，2017年6月24日8时至24时，新兴嘴南汊盘湖昏站水位从34.98 m涨至37.5 m直达警戒水位（该站警戒水位37.5 m，保证水位40.0 m），16 h陡涨2.52 m，每小时上涨0.16 m。按20世纪90年代“三防”水位设防，该站防汛水位至危险水位2.0 m，即日超“三防”水位。因此，新兴嘴大堤防汛目前必须超前“二防”准备，否则，将会防不胜防。

行洪水位陡涨从而加大了南汊的行洪流量和冲刷流速。在弯道环流作用下，岸坡受冲，在水流的淘刷下，大堤汛期行洪崩岸，退水脱坡。2006年盘湖昏堤段（桩号2+700）外滑坡长200 m，最大错距1.3 m，同心拐堤段（桩号7+700）外滑坡长100 m，最大错距0.5 m；2007年盘湖昏堤段（桩号2+400）外滑坡长150 m，最大错距 1.0 m，裂缝宽（10～30）cm，同心拐堤段（桩号7+200）外滑坡长100 m，最大错距0.5 m，裂缝宽（10～15）cm。

2.2 堤基问题

防洪大堤根据典型断面地质勘测，高程31.66 m以上为第四系全新统人工堆积（Qs）：大部分为粉质粘土，灰褐色，可塑至硬塑状，结构较松散，局部见架空现象，主要是防洪堤填筑土。高程31.66m以下为第四系全新统冲湖积堆积（Q4al+l）：上部高程（31.66～28.61）m 为壤土；中部高程（28.61～16.96）m 为淤泥质粉质粘土；高程16.96 m至以下为砂砾石[3]。

大堤堤基下的卧层隐伏砂砾石，属强透水层，河床因历年水流冲刷，河底高程4.86（桩号0+500）至28.46 m，河底平均高程为16.66 m，新兴嘴进口处最低河床砂砾层裸露厚度为12.1 m，距大堤中心240 m。外河砂砾层裸露，上面没有防渗覆盖粘土层，这是新兴嘴至车脑防洪堤段“年年修、年年险，越修越险”的最主要原因。加之堤内垸老田低，地面高程（30～33）m。覆盖层薄，厚度仅（2～3）m。汛期外河洪水与大堤堤基内的地下水连通，高水位时渗透坡降变陡，当渗透坡降大于地基表层弱透水层允许的渗透坡降时，即在大堤内脚及其附近发生渗透破坏。将下面地层中的粉细沙颗粒带出而发生翻沙鼓水，亦称管涌。轻者渗漏、少量翻砂，重者掏空地基，引起地面和堤身塌陷，危及大垸防洪安全。

历年险情的基本特征为：外河水位达到或高于警戒水位，大堤内脚400 m范围内，未吹填低洼田地、沟港鱼池、宅基水井、坑氹墓地出现管涌。初始砂盘直径（0.1～0.4）m，后来小眼串大眼，眼群范围不断扩大，其范围可达数千平方米，大面积眼群涌水翻砂，整个管涌区象沸腾的稀粥，水花飞溅，喷泥冒砂，涌水水柱高度可达0.8 m。最近的离堤内脚10 m（2017年7月1日17时，水位39.23 m，车脑大堤段〈桩号9+300〉内坡两处翻沙鼓水）；最远的离堤内脚380 m（2014年 7月 17日下午 6时，水位 39.85 m。新兴乡鲁家河村齐心组〈大堤桩号5+900〉，水稻田里发生一处管涌群，其中主沙眼5处，最大直径1.5 m，最高水柱0.8 m，沙眼群范围约1 500 m2左右，鼓出黑砂近150 m3。局部地面土壤软化，人不能立）。

值得一提的是该堤段因堤身渗漏和翻沙鼓水曾采用高喷灌浆，即垂直防渗技术，但大堤防渗不理想。究其原因是该段大堤立身高，从堤顶41.7 m至砂砾层顶16.96 m，厚为24.74 m。若考虑砂砾层垂直防渗5 m，大堤垂直防渗厚度为29.74 m。在当时的施工设备和技术难已达到防渗要求，只能采用悬挂式防渗墙，悬挂式防渗墙的防渗效果很差，因此，堤身仍然存在渗漏和翻沙鼓水现象。

再者，垂直防渗只适宜于透水层较薄和堤段不长（如水库）的堤段堤基，此时可以做成封闭式垂直防渗，基本截断了洪水期江、河、湖、库水对地下水的补给，堤基渗漏和管涌可以得到彻底根治。但必须在勘察资料充分且经过渗流计算详细论证和技术经济比较后方可实施，以免造成浪费。

鉴于新兴嘴至车脑防洪大堤长，立身高、隔水层很深，不宜采用堤身高喷灌浆垂直防渗。除高喷灌浆垂直防渗造价高和施工难度大之外，更重要的是封闭式垂直防渗切断了外河水和地下水互相补给的途径，可能对生态环境造成一定的影响。

2.3 人为问题

沅南垸防洪大堤是20世纪50～80年代汉寿人民励精图治、建设洞庭湖区、堵支并流、整修洪道、加固堤防、战天斗地、肩挑人抬筑成。因人工挑筑，不得不沿堤在外河洲滩、河槽中就近取土。这样，难免不破坏大堤外河河床表土防渗覆盖层。

20世纪90年代后，随着科学技术的发展，防洪大堤采用机械加高培厚和挖泥船对大堤内脚翻沙鼓水的低洼坑氹实施吹填压浸。因当时的挖泥船没有现在设备先进，输送距离受到限制。所以，无论机械取土和挖泥船吹填仍解决不了远距离取土问题，无赖之举，仍取原人工土场余土，相反，加速了河床表土防渗覆盖层的破坏。

由于20世纪对于河道采砂没有规范采砂区域，河道内乱采乱挖屡禁不止。特别是新兴嘴南汊进口河道尤为突出。深挖砂砾破坏了防渗覆盖层，造成河床严重下切、深槽逼岸、急流割脚、危及大堤，更重要的是打开了南汊“大门”，或者说挖掉了“铁门槛”，加大了行洪泄量。本应分入中汊的流量引入南汊。可以说这是新兴嘴南汊盘湖昏站汛期水位陡涨原因之一。

大堤内脚300 m范围内仍有农户隐藏压把井、组内抗旱井及村内集中供水井，这些井在2017年汛期均出现翻沙鼓水。

3 综合整治

3.1 强化中汊,根治水患

中汊金石垸河段是典型的鹅头形汊道接“∽”河道，其分汊系数为2.36，汊道放宽率为5.72，分汊段长宽比0.93，江心洲长宽比0.89[2]。为解决金石垸河段水流不畅和迎流顶冲两岸堤防的局面，1969年冬废金石垸后，汉寿举全县之力，分别于1970年、1979年、1980年奋战三冬人工开挖，在老虎口破大、小泛洲开挖横穿南汊金石垸河（史称人工河），河底宽120 m（进口）至 60 m，底高程（27.7～26.7）m，全长 6.98 km（其中大泛洲段3.9 km，南汊老河槽0.78 km，小泛洲段2.3 km），三汊于安彭洲汇合沅水。三汊中以中汊金石河水流最为顺畅。因当时人工开挖的过流断面小，加之河床高程（28～20）m为8 m厚的粘土层。所以，新开河道未能冲开，致使中汊金石河不能成为主流，新河河槽呈冲淤平衡状态，而河槽两岸洲滩自废垸的25年（1970～1995年）以来平均淤厚达0.80 m，导致芦苇丛生，致使金石垸河段水流紊乱，顶冲两岸堤防的局面不能解决。

为了使中汊金石河水流顺畅，因势利导，避免洪水顶冲南、北两汊和冲刷堤防的局面，摆脱弯道险工，使中枯水归中，束水攻沙，改善河道行洪条件，延长河道寿命，缓解金石垸洲滩淤积严重的现象，逐步达到废除北、南汊，三水归一的目的。对中汊金石垸人工河再次实施疏浚加深拓宽，强化中汊、根治水患。

3.1.1 切除梅家切边滩

切除梅家切伸向河中引起水流流向改变的外滩，使主流北移直冲中汊。挖除区基本呈弓形，弦长1.5 km，新兴老轮船码头对面为弧的顶点，由地面高程25.5 m向梅家切方向水平挖进450 m，挖除区面积约55万m2。见图2。

3.1.2 疏浚拓宽中汊金石河

沅水上游流域已建成凤滩、五强溪等具有调节功能水库，洪水下泄过程趋缓，中、枯水期北汊尚可过流。施工方法采用“北汊过流通航、中汊疏浚拓宽、南汊静水吹填”。即在原人工开挖的中汊金石河原河断面上采用海狸3800型绞吸式挖泥船对其继续疏宽挖深，疏挖整治河道全长6.98km。采用多年平均年均流量2004m3/s疏挖中汊金石河为先期工程，视疏挖后的效果再考虑逐步加大到汛期平均流量或平滩流量进行拓宽，使其最终取代北、南两汊分流局面。

河道疏浚宽度由设计流量、河床糙率和河相关系等因素确定。根据水力学及河流动力学有关计算公式联立求解，得疏浚控制河宽B值计算公式为：

图2 沅南垸新兴嘴至车脑河段河道综合治理布置示意图

式中Q——设计流量（m3/s）；

n——河道糙率；

E——河相系数；

J——水面比降；

B——河槽疏浚宽度（m）。经计算,拟定河槽疏浚宽度690 m（进口）至400 m，河底高程（28.98～27.65）m。见图 2。

通过再次对原中汊疏宽挖深，可真正实现：一是因势利导，保证河势水流顺畅，逐步废除北、南两汊，达到“三汊归一”；二是摆脱了弯道险工和河堤冲刷14.37 km；三是缩短北汊流程（船程）6.02 km，南汊流程（船程）9.02 km，顺水顺航；四是降低新兴嘴高洪水位0.2 m，对防洪最为有利。

3.1.3 挖除安彭洲

安彭洲地处小泛洲以东，沅水河心，横卧于中汊金石河出水口处，堵塞中汊行洪。该洲呈葫芦状，面积约5.5万m2，地面高程33.5 m。下挖至河床底板27.65 m，有利行洪。见图2。

3.2 吹填南汊,防渗铺盖

中汊金石河疏浚土方主要以砂质粘土为主，淤泥质粘土约占15%，经计算，疏浚土方1 679万m3，淤泥53万m3。随着科学技术的发展，目前，海狸3800型绞吸式挖泥船排距可达3.5 km，排高5 m。中汊疏浚至南汊吹填最大吹距为2 100 m。完全满足吹填距离，可以发挥一石三鸟的作用。

3.2.1 静水吹填

南汊新兴嘴至同心拐（桩号0+000至8+000）河段，河床防渗覆盖层已严重破坏，为恢复原防渗覆盖层，利用枯水期中汊疏浚粘土吹至南汊河段（在吹填河段下游拦坝，尽量达到吹填区静水，防止水土流失）。再用水上挖机整理。

根据《水闸设计规范》（SL 265-2001）规定。铺盖厚度按下式计算：

式中 δ——铺盖厚度（m）；

△H——铺盖顶、底面的水头差（m），△H=22.5；

[J]——材料的允许坡降,粘土和壤土一般采

用 4～6，[J]=5。

堤防的设计洪水位为39.16 m，河床底部高程为（4.86～28.46）m，河床底部平均高程为 16.66 m，铺盖顶、底面的水头差为22.5 m；经计算，该河段吹填水平铺盖最小厚度为4.5 m，确定吹填水平铺盖为5 m。

通过南汊静水吹填防渗覆盖层,既稳固了大堤外脚,增加了堤基渗径,减小了地下水头差,根治”顽疾”管涌和管涌群；又避免了高喷灌浆切断地下水补给通道的弊端。2016年首先对南汊新兴嘴至同心拐（桩号3+500至6+500）多险河段实施静水吹填，经过2017年新兴嘴高洪水位39.85m的考验，该堤段防汛期间大堤垸内未出现任何险情，当地群众反映很好，成效显著，强烈要求继续吹填。未吹填的河段垸内仍险情不断。

更为突出的是南汊吹填防渗覆盖层后，有诱人的商机和很好的开发前景。鉴于中汊洲滩底部砂源丰富，通过规范，指定开采，将砂吹填到南汊防渗覆盖层上，打造沅水流域—汉寿新兴嘴外河天然砂滩游乐园和浅水区砂滩浴场。

3.2.2 垸内压浸

一、二期治理主要是针对新兴嘴至同心拐（桩号0+000至8+000）防洪堤段历年出险地段进行了吹填压浸，吹距（60～100）m，高程（32～34）m[4]。当时主要原因是吹距和土源问题不能实施全段低洼处吹填。另外，同心拐至车脑（桩号8+000至10+000）防洪堤段枯水季节外河成了岸滩，挖泥船无法吹填，加之大堤内外防渗覆盖层薄，以致是汛期险情多发地段。

结合中汊疏浚拓宽，将疏浚土方吹填到新兴嘴至车脑防洪堤段内脚，统一吹填宽度100 m，吹填高程35.0 m，按防洪大堤二级平台吹填。这样，既加固了堤防，又增加了河道容积。同时，100 m宽的平台可规划建房、种草放牧（当地有养羊习俗），营造美丽乡村、沿江风光带。见图2。

3.3 集中供水,电力灌溉

新兴嘴至车脑防洪大堤垸内住房密集，过去每户都有压把井，每组都有灌溉井。随着每年汛期压把井和灌溉井险情的不断出现。水利部门一方面要求大堤内脚300 m内封堵压把井和禁止打井；一方面支持以村为单位建集中地下供水厂和新建小型排灌站。但因水厂规模小、入户水量小、水价贵；小型排灌站排灌成本高等问题，目前，仍有农户私自打井和组保留有灌溉井；还有村集中供水站选址不当，离大堤很近，如鲁家河村集中供水站。未静水吹填的地段，这些井、站在2017年汛期中都先后出现险情。

3.3.1 新建新兴嘴地表水厂

在新兴嘴沅水河边新建一座且具一定规模的集中供水地表水厂，确保当地入户水量；降低供水成本；由地表水取代传统地下水，确保供水质量。

3.3.2 规划好车脑泵站排灌区

随着南汊吹填目标的实现，南汊将由河变成岸滩，新兴嘴至车脑防洪大堤上现进、出水闸、昏涵、电排等水利建筑物将失去作用。垸内农田排灌区必须重新规划。

2013年水利部门在新兴车脑堵口河新建了车脑中型泵站。利用车脑泵站，结合河道整治，新开车脑泵站西排灌渠，建立车脑泵站西部新兴嘴排灌区。依据2011年《常德市汉寿县河湖连通工程规划报告》，在车脑泵站旁还应新建一座大型进、出水闸和船闸[5]。见图3。这样可以通过新开西排灌渠，实现自灌和电灌。水利部门应提前着手向上级申报，以便尽早立项。导《规划》的制定。就新兴至车脑河段而言，北、南两汊应规定为禁采区，中汊及两边洲滩列为开采区。采砂工程实施后中汊金石河分流比显现明显增加趋势，反之，北、南两汊分流比降低，有利实现疏浚规划中“三汊归一”的目标[6]。这样既发挥资源效益，又扩大了河道容积，不影响河道安全行洪，还为河道清除障碍物。