山区陡坡山洪沟治理实践

谭毅源，马 勇

(楚雄欣源水利电力勘察设计有限责任公司，云南 楚雄 675000)

山洪灾害防御是云南省防洪减灾工作的薄弱环节。云南省山丘区占其国土面积的94%，强降雨引发的山洪灾害时有发生，导致人民生命财产受到重大损失。20世纪90年代前，每年全国因山洪灾害死亡的人数约占因洪涝灾害死亡的总人数的2/3，自21世纪以来上升到80%左右。然而山洪沟多数具有河床比降大、洪水暴涨暴落的特点，如何进行针对性的治理是山洪沟治理成功的关键。国内专家学者对山洪沟的治理提出了许多行之有效的办法[1-8]，何秉顺、黄先龙等主要对山洪沟治理要点进行研究，赵劲松探讨了山洪沟治理对生态环境的影响，张志彤主要分析了山洪灾害防治措施与成效。

楚雄州位于金沙江与元江两大水系的分水岭上，是山洪灾害易发区，灾害易发区点多面广，山洪灾害防治区受山洪威胁人口为34.1万人，受山洪威胁行政村有552个、自然村有2384个，受山洪威胁严重的沿河村落有783个，山洪灾害防御难度大。多底河流域是湾碧乡经济、粮食的主产区，流域内人口集中，有傣族、彝族和汉族三个民族聚集，少数民族人口占比为98%。河流两岸防洪基础设施薄弱，只在村庄附近做了部分治理，大部分河段无堤防，或仅有低矮的土堤。2020年9月13日6小时降雨达到140mm，超出河道防洪标准，原河堤冲毁严重，洪涝灾害导致农田大量受损，耕地面积骤减，房屋部分垮塌，严重影响附近人民群众生产生活。山洪冲积物导致部分河段淤堵严重，河道萎缩，行洪能力降低，再次发生洪涝灾害的可能性非常之大，因此对多底河山洪沟治理十分必要。

1 水文和地质情况

1.1 流域自然地理概况

多底河发源于大姚县三台乡境内拉务村附近，河源高程为2900m，河流流向为由南向北，汇入多底河电站库区，出库后流经羊窝子、瓦房、高坪子、以迫、巴拉等村。经本次在五万分之一地形图上复核，多底河总流域面积为313.0km2，高差为1800m，河流全长37km，比降为48.6‰。

1.2 洪水分析成果

根据资料条件，本次治理段各断面的洪水计算，以邻近的位于万马河干流上的中和街水文站为参证站，采用水文比拟法，可将参证站的实测洪水成果及历史调查洪水做频率分析，并计算各频率的洪水成果，经面积比拟加多年平均最大24h暴雨量修正后计算治理河段的设计洪水成果见表1。

表1 多底河治理河段各断面设计洪水成果表

1.3 工程地质

河道沿线地势较陡，广泛发育河床冲积层(QaL1)厚1.0～5.2m的砂卵砾石层，漂石、细砂、卵砾石混杂堆积，局部夹碎石土；阶地冲积层(QaL2)：①上部为厚0.5～1.0m的含砾粉质黏土层，成分多为泥岩；②下部为厚1.0～5.9m的褐红色含砾石、卵石粉质黏土、粉砂质黏土层。地层岩性简单，河床段未见基岩出露，下伏基岩为中生界侏罗系上统妥甸组(J3t)的泥岩夹砂岩及泥灰岩。现河流阶地主要为耕地区。耕地区内土体抗冲刷能力较差，多发生冲沟、坍塌等现代物理地质现象。河道底部基岩埋深较大，河堤基础开挖1.5～2.0m，基础置于河床冲洪积砂卵砾石层上，砂卵砾石层是河堤堤基良好的持力层。

2 治理原则

2.1 治理难点

本次多底河山洪沟治理河段存在的主要问题归纳为：①现状河床因“9·13”山洪，河床内一片狼藉，堆积有大量孤石、块石、砂卵砾石，河床堆积物搬运明显，河床较不平整，两岸耕地冲毁严重。②人多地少，土地资源极其珍贵，现状左右岸耕地低矮，不满足防洪要求，耕地冲毁，且该河道部分河段主槽左右摇摆不定，河道两岸耕地权属界限不清。③区内少数民族占比大，工程治理不得破坏和改变傣族原有亲水生活习惯。④河床坡度大，治理河段内平均比降为2.9%，最大河床比降为4.4%，最小比降为1.96%。⑤河床流速大，通过计算，治理河段内20年一遇洪水流速普遍超6m/s，最大流速达8.46m/s。

2.2 治理原则

针对现状河道的治理难点，提出了“拦渣、束边、固床、降速”的八字方针。“拦渣”是在上游河床较窄处设置拦渣坝，一方面有效拦截上游两岸陡坡滚入河流当中的滚石和坡积物，另一方面可以降低拦渣坝以上的河床比降，减缓水流流速；“束边”的重点是在河床较乍处设置单边河堤挡墙，河床较宽处设置两岸河堤挡墙，对河槽淤积物或堆积物进行清淤，并回填在河堤背部，抬高及重新恢复原有耕地，并保证老百姓田亩总数不减少，在相邻村耕地界限处的河堤尽量按村界布置，但同时在宽河段保留浅滩以满足傣族同胞亲水需求；“固床”是针对河流比降大、流速大、易陶脚的特点设置固床梁，特别是在紧邻村落河段，固床梁采用埋石砼；“降速”是指除了设置有降速作用的拦渣坝外，还设置跌水砍，它兼有固床、挡渣、消能和景观作用，另外还能有效利用原河床漂石和大孤石多的特点，在固床梁下游一定范围内平铺较大漂石和孤石，两道固床梁距离较近的，采用满铺，这样一来，既运走了漂石和孤石，有利于老百姓耕种，又有效地降低了水流速度，稳固了河床，保护了堤脚。

3 工程布置与治理措施

3.1 工程布置

现在河道宽度多为15～40m，部分冲蚀较严重的地段，河宽可达65m，大部分河槽深1～2m。为了少占地，不搬迁，根据实际地形、河势，多数河段在确保行洪断面的情况下，沿天然河岸布置，保留了原河道凹岸、凸岸、河湾和浅滩，既保持一定的浅滩宽度和植被空间，为生物的生长发育提供栖息地，发挥河流的自净功能，又稳定了河槽。只对不规则转弯部分进行修圆处理，平顺河道，采用疏挖与拓宽河槽并举的方法，改善水力条件，增加河槽下泄量。

3.2 冲刷深度计算

根据治理情况，选取流速较大、转弯段凹岸等具有代表性的断面进行基础埋置深度计算。根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》规定，护岸冲刷深度按下式计算：

(1)

(2)

式中，HS—局部冲刷深度，m；HO—冲刷处水深，m；U—行进流速，m/s；Uc—泥沙起动流速，m/s；Ucp—近岸垂线平均流速，m/s；η—水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角查表得；n—平面形状系数，一般取n=1/4～1/6；α—水流流向与岸坡交角。

泥沙启动流速、近岸垂线平均流速、基础埋置深度计算结果分别见表2—4。

表2 泥沙启动流速计算成果

表3 近岸垂线平均流速计算成果

表4 基础埋置深度计算成果表

本工程堤线基本沿现状河道布置，通过冲刷深度计算，综合治理后河道冲刷深度均小于1.5m，结合本地区已治理河流多年来运行情况以及现状河道的冲刷情况，考虑一定的基础富余深度，河堤基础埋深按1.5m考虑。

3.3 水面线计算

本次对水面线采用水面线计算程序MIKE 11进行分析计算，该软件是由丹麦水利研究所(DHI)研发的，对保留潭、坑、槽、滩等河道形态的生态河道水面线计算具有显著优势[9]，是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南(Saint-Venant)方程组来模拟河流或河口的水流状态。其方程组的具体形式如下：

(3)

运动方程：

(4)

方程(3)为连续方程，反映了河道中的水量平衡。方程(4)为运动方程，其中第一项反映了某固定点的局地加速度，第二项反映了由流速的空间不均匀引起的对流加速度。前两项合称为惯性项；第三项反映了水深的影响，为压力项；第四项反映了摩阻和底坡的影响。

圣维南方程组的基本假定为：流速沿整个过水断面均匀分布，可用平均值代替。不考虑水流垂直方向的交换和垂直加速度，可假设水压力为静水压力分布，即与水深成正比；河床比降小，其倾角的正切与正弦值近似相等；水流为渐变流动，每一小段水面曲线近似水平。

充分考虑河道地形及河势、河床及堤岸稳定，河道断面经对比优化取用较经济断面，底坡按照分段确定、维持天然河道坡降的原则，尽量少挖少填，挖填平衡，将治理河段分段选定行洪断面，计算水面线，不同计算堤高起始断面成果见表5。

表5 不同计算堤高起始断面成果表

在满足防洪前提下，综合考虑挖填平衡，恢复耕地，堤高计算结果为2.5～3.0m。

3.4 建筑物布置

治理段起点为多底河电站下游瓦房子村，治理终点为多底河与金沙江交汇口上游约600m处，治理长度为8.82km，治理堤防长11.104km，其中左岸新建堤防4.364km，右岸新建堤防6.740km；根据河床地形情况，在治理段上游230m和2200m处设置两道拦渣坝，该河段两岸无耕地和房屋等保护对象，同时在拦渣坝内设置取水口，可为下游耕地灌溉提供取水保证，并为傣族水车提供水源和动力，如图1所示；在河床较陡河段和傣族聚集地河段设置14道跌水砍，如图2所示，跌水砍中间设置导流槽，槽宽占河宽的4/5，归顺主流，跌水砍可有效降低河床比降，跌水砍河床比降由治理前的2.9%降为0.5%～1.5%，并在跌水砍前形成亲水浅滩，砍后形成跌水景观效果，满足傣族同胞亲水的生活习惯要求；全段共设置90道固床梁，平均100m设置一道，在弯道处或村庄保护处加密，在平缓直线段扩大间距；在村庄附近设置多处下河踏步。

图1 拦渣坝断面图(单位：mm)

图2 跌水砍断面图(单位：mm)

4 工程效益和结语

4.1 工程效益

工程治理后可保护人口约2191人，保护和灌溉耕地704亩，保护经济林果100亩，同时对改善河道生态景观、传承和保护金沙江河谷傣族文化起到积极作用。

4.2 运行效果

主体工程和建筑物于2021年4月底完工，经过一个雨季的检验，拦渣坝上游有效堆积了粗颗粒砂石、漂石、孤石等；跌水砍前水流归槽明显；宽河段浅滩初步形成；固床梁对河堤堤脚保护良好，少有冲刷堤脚的情况发生；河床流速明显降低，经实测，流速大多为4～5m/s，河床逐步稳固；工程运行良好。

4.3 结语

文章从工程实际出发，提出“拦渣、束边、固床、降速”的治理原则，有效解决了山区陡坡山洪沟治理难题，“拦渣”可有效拦截上游冲刷淤积物，“束边”可以有效治理河床主槽的摆动，“固床”可有效稳固河床和挡墙基础，“降速”可有效降低水流速度减少冲刷，经试运行证明治理原则是合理的，工程措施是有效的。在布置工程措施时结合考虑当地少数民族文化的保护和传承发展，可为同类工程提供参考。