佳县黄河防洪工程洪水分析与冲刷确定

贺晓玲，刘振燕

1 概况

佳县东临黄河，与山西临县隔河相望，总土地面积2028 km2。全县辖8镇12个乡27万人，是中国红枣名乡。佳县城区属大陆性半湿润、半干旱气候，干旱少雨，年平均气温8.2℃，年平均降水量384 mm，最大年降水量为1978年的642.3 mm，最小年降水量为1997年的296.2 mm。佳县白云寺是当地著名景点，每年游客达百万。寺门前黄河滩上的红枣林不仅给圣地增添了一份美景，也是峪口乡五个村唯一的平坦可用耕地。然而，黄河涨水，经常威胁到该区域及沿线公路两侧居民的生命和财产安全。为了营造一个稳定、安详的生产、生活环境，规划在佳临黄河公路大桥以下谭家坪村段修建防洪工程，需对此段洪水及河道冲情况进行分析。

2 工程区防洪现状及洪水特性分析

2.1 防洪现状及河势分析

工程所在河段为府谷～吴堡区间中段偏向下游的黄河干流。河长242 km，河道落差180.3 m，比降0.75‰，宽400～600 m。该段河道主要穿行于晋陕大峡谷之间，山坡陡峭，河道狭窄，河床堆积物一般较薄。干流切深，8条支沟密布，水系发达，河网密度大。两侧入汇支流大都属于季节性沟道，河谷深切，河床比降大。

拟建工程位于佳县峪口乡南河底村东的黄河滩区，工程西靠白云山风景区，东隔黄河与山西省吕梁市临县。黄河在本河段内自北向南流动，主流紧靠左岸山脚，近河两岸多为石山，属峡谷型河道。左岸为山西临县，山体基岩裸露；右岸为佳县峪口乡。河道在该段形成左岸冲刷、右岸淤泥的现象，右岸滩地目前宽度在100～300 m左右，为峪口乡五个村唯一的平坦可用耕地。该段河谷宽约450～740 m，河槽窄深，河床质由砂砾石组成，基岩埋深较小。两岸山体陡峭，岩石外露。在右岸滩区上游修建有浆砌石堤防工程240 m，该段堤防工程外型为“n”形，高出滩面约5 m。分别于1978年、1989年分两次修建，目前工程一直运行良好，无损毁现象。

2.2 洪水特性分析

工程位于黄河晋陕峡谷大北干流范围内，上游最近水文站为1953年7月建成测流的原黄河干流义门水文站，控制流域面积403877 km2；1972年1月由于修建天桥水电站移至下游7 km处的府谷县城，并更名为黄河府谷水文站，控制流域面积404039 km2。工程下游最近水文站为黄河吴堡水文站，1935年6月建成测流，控制流域面积433514 km2。

府谷～吴堡区间流域面积29475 km2，多年平均降水量423.1 mm，降水量年际变化大，时空分布不均，具有很强的集中性和突发性。吴堡水文站的洪水主要由黄河干流府谷以上洪水和府谷～吴堡区间洪水组成。上游地区的洪水是由大面积、小强度、长历时的暴雨造成，主要集中在7月和9、10月。受天桥水电站的拦蓄影响，洪水较矮胖历时长，是府谷～吴堡段洪峰的基流部分。府谷～吴堡段暴雨历时短、强度大、笼罩面积小，故洪水汇流快、峰型尖瘦、峰高量小、含沙量大。洪水除干流外，主要来自吴堡站以上的窟野河、皇铺川、孤山川等支流，是洪峰的主体。洪水多为复式峰型，过程历时长。经统计分析，吴堡站一次较大洪水（洪峰流量大于10000 m3/s）历时16～68小时，平均33.6小时，涨水历时为2～21小时，平均8小时。

2.3 工程任务

为了确保佳县白云寺旅游景区及黄河滩地的安全，规划在谭家坪建设堤防3180 m，其中：加固改造堤防240 m，新修堤防2940 m，工程防洪标准为30年一遇洪峰。

3 洪水分析

3.1 水文资料分析

吴堡水文站有1935～1937年、1951年至今的实测水文资料。拟建工程处无实测洪水资料，工程区域以上集水面积为429598 km2，为吴堡站控制流域面积的99%。本次工程区域与吴堡水文站仅相距85 km，其间几乎没有太大的支流汇入，可以认为两者集水面积、产汇流条件基本一致。直接采用下游吴堡站洪水成果代表本次工程设计洪水成果，误差小，且偏安全。因而，可以选用吴堡站设计洪水成果作为工程区域的设计洪水成果。

黄河吴堡水文站于1935年6月建成，以后观测中断，解放后又于1952年恢复观测，至今已有53年的实测资料，实测最大流量是1976年8月2日发生的24000 m3/s，其次为1967年8月10日实测洪峰流量19500 m3/s。该水文站断面处有4场历史调查洪水资料：1842年7月23日洪峰流量为32000 m3/s，洪水位646.10 m；1933年7月13日洪峰流量为14000 m3/s，洪水位642.24 m；1946年7月19日洪峰流量为23000 m3/s，洪水位644.27 m；1951年8月15日洪峰流量为11800 m3/s。此站多年平均流量为887.9 m3/s。

3.2 洪水影响分析

在实测系列中，由于系列相对较长，上游黄河干流上又修建了许多大、中型水利枢纽工程和支流上的一些小型工程、流域治理等，这些人类活动的影响是否会造成系列的不一致性，现根据实测资料进行分析说明。由于天桥电站的影响，上游和中游地区的洪水一般是不相遭遇的。1973年编写的《榆林地区实用水文手册》中对吴堡站1952～1971年20年资料进行频率分析计算，其结果为30年一遇洪峰流量20700 m3/s。本次对吴堡站53年长系列实测资料并考虑和历史洪水进行频率分析计算，其结果为30年一遇洪峰流量22232 m3/s，长短系列计算成果相差不大。在对天桥水库进行调洪演算，百年洪水入库15600 m3/s，出库洪峰13950 m3/s，对小于水库限制水位下的泄流量，限制水位830 m，相应泄量10736 m3/s，按穿堂过出库与入库流量保持不变。天桥自建成后只有1977年入库洪峰最大，为11100 m3/s，故可以认为天桥自建成后对下游洪峰影响较小。工程区以下吴堡以上黄河支流虽然多年来进行了一些流域治理，兴建了一批小型水利工程，但控制面积较小，削峰作用不大，不会对吴堡站的洪峰有大的影响。历史调查洪水摘自《榆林地区使用水文手册》，黄委会汇编，采用水位一流量法线法计算，可靠程度除1842年洪水较可靠外，其余调查洪水均可靠。

综上所述，人类活动的影响对吴堡站实测洪峰流量的影响较小，说明吴堡水文站实测系列具有一致性。所以选用吴堡站设计洪水成果作为工程区域的设计洪水成果。

3.3 洪水频率分析

采用工程中常用的目估适线法来确定最佳参数。由于有历史调查特大洪水资料，所以应加入特大洪水来进行配线，按三点法进行配线。由于资料系列较长，三点的频率取3%、50%、97%。配线成果如表1、表1。

表1 频率分析计算参数表

表2 理论频率曲线配线结果表 单位：m3/s

根据配线结果，在Cv=0.68，Cs=3Cv，20年一遇设计洪峰流量为18940 m3/s，30年一遇设计洪峰流量为21102 m3/s，50年一遇设计洪峰流量为23980 m3/s。1990年修订已经国务院批准的《黄河治理开发规划报告》中，吴堡水文站20年一遇设计洪峰流量为19900 m3/s，30年一遇洪峰是22232 m3/s，50年一遇设计洪峰流量为24800 m3/s，与之相比，此次计算值普遍偏小。“清岛至银川高速公路吴堡黄河公路大桥”、“清涧石楼黄河公路大桥”等论证、评价报告均采用了《黄河治理开发规划报告》中吴堡水文站不同频率的洪水成果。因此，本次黄河谭家坪村堤防工程也采用此成果，即30年一遇设计洪峰流量为22200 m3/s。

4 河道冲刷分析

佳县白云山段河道属于峡谷型河道，两岸高山相挟，河谷宽600 m左右。主流紧靠左岸，非汛期水面宽130～340 m，水深为3.0～4.2 m，最深处5.6 m，水面比降0.57‰。行洪宽度小、流速大，虽然河势比较稳定，但随着河道流量的变化，沿岸顶冲位置难免会上提下挫，特别是弯道段河势的变化，对直流河段影响更是明显。因此，要重视顶冲段护根工程的深度和宽度，也要重视平顺河段的护根工程设计。工程所在河段地处峡谷型河道“S”弯道中，河谷宽约450～740 m，河槽窄深，河床质由砂砾石组成，基岩埋深较小。两岸山体陡峭，岩石外露。工程场区基岩地层主要为中生代侏罗纪砂岩地层。基岩的天然容重为2.2～2.6 g/cm3，比重 2.6～2.75 g/cm3，渗透系数 3.8×10-3～4.06×10-5m/d，承载力300～800 kPa，与浆砌块石的摩擦系数为0.4，具有很强的防冲刷性。

冲刷坑深度主要取决于河流的洪水流量、流速、流势及河床质粒径。本次设计采用《堤防工程设计规范》附录D公式进行计算。

①水流平行于岸坡产生的冲刷深度由下式计算：

式中：hB为从水面算起的局部冲刷深度，m；hp为冲刷处的水深，m；Vcp为平均流速，m/s；V允为河床面允许不冲流速，m/s，按中砂取0.7 m/s；n为系数，取1/4。

经计算 Δhp＝0.744 m。

②水流斜冲护岸坡产生的冲刷按《堤防工程设计规范》推荐的公式：

式中，Δhp为从河底算起的局部冲刷坑深度，m；Vj为水流的局部冲刷流速取值5.83 m/s；g为重力加速度，9.81 m/s2；d为坡脚处土壤计算粒径cm，取0.55 cm；α为水流与岸坎的交角，取30°；m为防护建筑物的边坡系数，取m=0.6。

计算得局部冲刷坑深度△hp＝4.73 m。

比较水流平行于岸坡产生的冲刷深度和水流斜冲护岸坡产生的冲刷深度，取△hp＝5 m。该段河道覆盖层不厚，覆盖层以下为基岩，洪水对基岩的冲刷相对很小，故只考虑到基岩面上。设计的堤防基础应全部放在新鲜的基岩面上并嵌入基岩1 m深度，这样可保证堤防基础免受冲刷破坏。

5 结语

佳县白云寺河段缺乏实测水文资料，通过对下游吴堡水文站的监测资料和区间洪水的分析，提出工程防洪标准取30年一遇洪水为宜，以吴堡水文站设计洪水成果作为工程区域的设计洪水成果。根据工程区地质和河势、洪水情况，计算出河道冲刷深度为5 m，提出设计的堤防基础应全部放在新鲜的基岩面上并嵌入基岩1 m深度，以确保堤防建设安全。工程建成后，多年平均防洪效益为703.05万元。