北江大堤西南历史险段整治效果分析

2020-08-03张广传李海彬刘画眉练伟航

广东水利水电 2020年7期

张广传，李海彬,黄东,刘画眉，练伟航

(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州 510635；2.广东省水安全科技协同创新中心，广东广州 510635；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室,广东广州 510635)

北江大堤是全国七大重点堤围之一，是广东省最重要的堤围。大堤的防洪安全直接关系到广东经济社会的稳定和发展，捍卫着广州、佛山、清远3市14个县(区)、2 000多万人口、100多万亩耕地和2万多亿元国民生产总值，以及白云国际机场、京广铁路、武广高铁、京珠高速等重要设施的防洪安全。北江大堤西南段位于北江下游新沙洲河段左汊，三水区西南水闸上游，起讫桩号为51+893～53+550(新桩号)，全长1 657 m。该堤段为迎流顶冲、深槽迫岸堤段，且堤基为透水地基，易发生崩岸、裂缝、滑坡等，属于历史险段。堤内为三水市区，房屋密集，抢险条件极差[1-3]。

北江大堤加固达标工程已于2008年底完工，强透水堤基渗漏问题经过加固达标工程的截渗压渗减压处理后，已基本满足设计要求[4-5]。为了解决迎流顶冲造成堤岸失稳的问题，西南河段采取了拋石、模袋混凝土防护、扩挖河汊、鱼嘴导堤控制、拆除丁坝等工程措施。由于河床是不断变化的，冲刷与淤积交替出现，北江大堤达标加固工程实施后，尚未遭遇设计频率100年一遇洪水，迎流顶冲河段特别是西南河段的整治效果及稳定情况备受社会各界关注。

根据马兴瑞省长2017年4月10日现场检查北江大堤防汛备汛工作时提出的对北江大堤可能存在隐患的历史险段进行排查，确定堤围的安全性的指示精神(签报201700154)，本文对北江大堤西南险段开展分析研究，对其整治效果进行评估，分析其变化趋势，为西南险段整治效果后评估和防洪决策提供参考。

1 险段治理

1.1 整治目标

北江大堤西南历史险段整治总体原则与目标为：控制左汊，疏导右汊，稳定左汊河床不继续下切，逐渐恢复左、右汊的分流比。即采取适当的工程措施，限制左汊河床持续下切，创造条件，使河床回淤，起到固堤作用；适当疏浚右汊河道，使得右汊的分流比逐渐恢复以减轻左汊的压力。

1.2 险段整治过程

北江大堤西南堤段全段均为堤脚临河，迎流顶冲，1983—1987年曾对桩号51+953～52+253进行拋石护脚处理，对桩号52+366～52+566做高压定喷防渗墙处理。

1998—2000年，西南堤段多次出现堤顶混凝土路面裂缝，堤防管理部门于2001—2003年实施了堤身加固、堤基处理及护岸工程：堤顶高程为设计洪水位加超高2.2 m，堤顶宽8 m，采用泥灰结石加沥青表面处治层路面，堤后改建防汛公路；在迎水坡及背水坡脚设置反压平台，堤后填砂压渗、修建减压井和排水渠；采用抛石护岸、护坦，220 cm厚C20模袋砼护岸及干砌石。

北江大堤加固达标工程于2005年开始实施，西南段重点实施了河势控导措施、堤基处理与护岸工程。其中，河势控导与整治包括：① 老沙洲整治：拆除老沙洲地面建筑物；降低老沙洲地面高程至4.0 m；② 解除护岸约束：将两岸抛石拆至-6.0 m高程，同时，为扩大左汊过水断面，老沙洲左岸挖进10 m，挖除高程-6.0 m；③ 右汊河道进口清除丁坝及疏浚涉及的拦沙坎，疏浚宽度60 m，疏浚底高程为-4.8 m。④ 鱼嘴导堤整治。堤基处理包括强透水层堤段采用400 mm厚砼防渗墙、高压旋喷桩墙补接处理，设置压渗配套减压井，全段填塘固基。护岸工程采用抛石护岸、护坦，C20模袋砼护岸厚220及干砌石(见图1)。

图1 北江大堤加固达标工程西南堤段整治措施布置示意

2 数据源及技术路线

2.1 数据源

本研究主要收集到：北江大堤西南河段1998年、2005年、2008年、2012年、2014年、2016年共6 a西南河段典型大断面或水下地形测图资料；新沙洲左、右汊分流比监测数据；西南河段2015年9月22日10：00—9月23日12：00的同步水文泥沙观测资料。同时还搜集了“06.7”等典型历史洪水、西南河段床沙颗粒分析等资料。

2.2 方法

1) 基于实测地形资料，分析近年来西南河段近年来河道演变情况及变化趋势；

2) 运用平面二维水沙数值模拟手段，分析设计洪水条件下(100年一遇)，该河段冲淤变化趋势及分流比变化等，在此基础上，综合分析整治工程效果及日常防护重点。

3 西南河段河道演变及分流比变化

综合考虑资料系列时限、北江大堤整治加固达标起止时间节点，本次主要采用1998年、2005年、2008年、2012年、2014年、2016年共6 a西南河段典型大断面或水下地形测图资料进行比较，以分析各时期的河道演变情况。

3.1 河床冲淤变化

西南河段自1998年以来，左、右汊河道均有较大幅度下切；北江大堤整治工程实施期间(2005—2008年)，主槽仍呈下切趋势，左汊下切幅度达2.33 m，右汊下切幅度约0.73 m；自2008年整治工程实施后，北江大堤岸滩基本稳定，老沙洲解除护岸约束后，2012—2016年间沙洲边坡内溃约4.6 m；2014—2016年左槽有所淤升，淤积厚度约0.26 m。右槽过水断面较左岸宽阔，2014年前逐年变深，2014—2016年明显淤升，淤积厚度约1.69 m(见图2)。

(1)

3.2 河道深泓变化

从平面变化来看，新沙洲左汊河道西南段，深泓线基本居于河道中央，1998—2016年间深泓线略有摆动，但摆幅不大，新沙洲右汊河道深泓线基本位于河道中间偏右(见图1所示)。

从纵向变化来看，2005年以前，新沙洲左汊河道西南段总体表现为深泓变深，2005年以后基本表现为深泓淤升。其中，北江大堤达标加固工程实施后，2008—2016年西南段深泓年平均淤升幅度约为0.20 m/a。

3.3 分流比变化

西南河段被新沙洲分为左、右两汊，在20世纪50～70年代，分流比相差不大；70年代末以前，主航道在右汊；进入80年代，航道部门在右汊河道进口处进行多次航道整治，包括修建分水坝，左右汊分流比发生剧变，左汊河道变成主航道，至2001年底，左汊枯水期分流量占比92%～100%；中水期占比70%以上，洪水期(20～100年一遇)约占68%～69%。

经对比分析整治工程实施前、后汊道分流比情况(见表1)，与2002年相比，在综合整治措施实施后，北江干流水道新沙洲左汊枯、中、洪水期(2008—2015年，洪水期未进行水文监测，采用数值模拟计算成果)的分流比均小于整治工程实施前，整治工程发挥了一定的效果。

表1 西南段左、右汊河道分流比

4 河道冲淤变化趋势

研究建立了平面二维曲线网格水流泥沙数学模型，水流连续方程、运动方程、泥沙输移方程参考文献[6]进行了详细阐述。

4.1 模型建立及基础资料

研究区域的范围见图1，研究河段地形资料均采用2015年9月实测的1∶1 000水下地形图，床沙颗粒分析资料采用西南河段实际采样成果。

4.2 模型率定

1) 水位、流速率定

以2015年9月10日12：00—9月11日14：00同步水文测验资料对模型进行了率定。模型所模拟的各验证测点水位过程与天然情况比较吻合；计算的各条垂线(观测断面位置见图1)的流速大小和流向变化与实测结果趋于一致(流速值相对误差基本在10%以内，个别流速值误差略大，但流速差值在0.08 m/s以内)。限于篇幅，仅列出了部分观测点率定过程线(见图3～4)。

(1)2#断面(观测点1)

2) 河道冲淤验证

初始地形采用2014年11月实测地形，复演至2015年9月，验证左汊洲头至洲尾范围的河床冲淤变化。分析可知，河道左汊整体以微淤为主，计算的冲淤量与实测值接近(见表2)。

表2 工程附近河床验证误差统计

模型率定和验证成果符合水力计算相关规程规范要求，可进行实际方案计算。

4.3 计算结果分析

选取堤防设计防洪标准(P=1%)水文条件采用恒定流计算分析北江大堤西南段河道水动力条件特征：上边界流量：16 200 m3/s；下边界水位：8.84 m(珠基)。

选取北江发洪典型大洪水(06.7洪水)，进行非恒定流水沙冲淤计算，分析河段冲淤演变趋势。

4.3.1流速分布特征

在百年一遇设计洪水条件下，流速最大值分布在老沙洲洲尾附近，该位置堤段迎流顶冲，最大流速在2.2～3.0 m/s；近岸流速达到了1.60～1.80 m/s。

4.3.2河道冲淤分布

根据泥沙冲淤结果分析(见图5)，在老沙洲河槽及洲滩位置，河床将发生冲刷，冲刷幅度约0.6～1 m。左汊抛石护脚工程抛石块石重量在50～70 kg，选取应用广泛的沙莫夫公式等进行起动流速进行计算，防护块石能够满足抗冲刷防护的要求。尽管如此，由于抛石区域与河槽结合部位易发生冲刷，为避免河床冲刷引起抛石平台失稳而影响防护效果，需要重点监测并进行补充防护。

图5 西南险段典型洪水冲淤变化示意

4.3.3分流比变化

由表1可知，鱼嘴导堤整治工程的实施，新沙洲左汊的分流比有逐渐缩小的趋势；通过2009—2015年流量监测，水位越高，右汊流量占比越大：新沙洲左、右汊分流比低水位从73.5%和26.5%调整到67.7%和32.3%，高水位从68.4%和31.6%调整到63.2%和36.8%。根据水沙数值模拟成果，在百年一遇设计洪水条件下，新沙洲左汊的分流比进一步减小，约为58.5%。