滩区公路对水库下游游荡型河段洪水及整治工程的影响

刘明潇，徐梦鑫，朱勇杰，孙东坡，骆亚茹，蒋冠宇

（华北水利水电大学 水力学及河流研究所，河南 郑州 450046 ）

近年来我国交通基础设施建设飞速发展，有些公路选择在比较开阔的河漫滩内修建，这给河流管理带来很大的挑战［1］。 一方面面对社会经济发展与空间利用的迫切需求，另一方面则是对河流环境保护与安全行洪的担忧。 这是一类具有共性的工程技术问题，必须通过严谨的科学分析与工程规划才能使两者协调起来［2-3］。 从河流管理者的角度看河漫滩修路是否适宜，关键是要判断路堤选线是否科学合理。 这就需要评估河漫滩公路是否造成对河流行洪及整治工程的干扰及其影响程度，需要研究滩区公路建设是否影响河道的滩区过洪能力，研究对已有河道整治工程体系的影响；对于冲积性河流，还要预测未来河道冲淤变化对河床边界的影响。 这是一项既涉及洪水特性与河床变形研究，又涉及河势演变与整治工程安全分析的综合性工作，开展该项工作具有十分重要的现实意义与科学价值。

一些学者［4-5］基于河流健康的理念，分析了人类活动对河漫滩的影响及河流功能维护的重要性，给出维持河道行洪能力的相应水沙条件。 刘培斌等［6］分析了滹沱河宽滩区特性，认为滩区建设公路应顺河布线并多设置透水桥涵，以有利于降低工程阻水影响。李国志等［7］、王兆印等［8］研究了水库下游冲积性河流在未来水沙条件下的河床变化趋势及分析预测方法。李新杰等［9］针对黄河滩区存在的各类工程，分析了其对黄河下游漫滩水流的影响。 江恩慧等［10］将黄河下游河道河流系统划分为3 个子系统，即维持河槽基本功能的行洪输沙子系统、保障滩区居民生产生活安全的社会经济子系统、维持滩槽生态环境健康的生态环境子系统，分别构建了主控因子与各子系统滩槽协同治理目标的驱动—响应关系，提出了黄河下游滩槽协同治理模式下多维治理目标及其主控因子阈值。

本文选择紧邻小浪底水库下游的游荡型宽滩河段作为典型河段，以滩区拟建公路为例，借助河流动力学方法，分析研究在未来水沙及河床边界变化条件下拟建公路对河道行洪、洪水河势发展及整治工程的影响，试图通过多方面的分析评价，厘清影响程度与公路选线的关系，为类似河流的行洪功能维护与适度开发建设提供借鉴。

1 拟建滩区道路及河段概况

为适应黄河流域高质量发展需求，解决沿黄村镇交通问题并开发黄河滩区绿色廊道旅游，拟在原有低等级的乡村道路基础上改建一条省级公路。 线路规划使部分路段通过黄河右岸河漫滩，可解决十多个村镇的交通问题，线路位置见图1。 涉及的河段上距小浪底水利枢纽18 km，对岸是温孟滩移民安置区。 这是一个河势经常变化、整治工程密集、冲淤发展规律复杂、对防洪安全十分敏感的河段。

图1 河漫滩公路规划线路及所在河段平面特征

拟建公路的选线经过多次修改，基本选择沿邙山岭北侧山脚布线，走向与河槽基本平行，线路选择尽量远离河道主槽，一般距主槽1 200 ～2 500 m，涉及滩区的路段全长17.94 km。 拟建道路为二级公路，设计路宽10 m，一般比当地滩面高0.5 m；全线在低洼汊沟处设有中、小桥梁3 座，排洪涵洞49 道用于滩区过流。

拟建线路涉及河段为黄河下游铁谢险工—开仪控导工程河段，上端铁谢险工位于白鹤镇下游约2 km处，下端开仪控导工程在裴峪水文断面上游约17 km处。 河道右岸依邙山岭，有2～5 km 广阔的河漫滩；主槽左岸为温孟滩移民安置区围堤，围堤以北至黄河大堤为移民安置滩区。 移民区围堤防洪标准为10 000 m3／s 洪水，洪水频率相当于小浪底水文站百年一遇标准。 线路所经河段主河槽宽0.8 ～2.5 km，有深槽和嫩滩，历史上该河段主槽经常迁徙摆动。 20 世纪80 年代以来，通过系统的河道整治工程修建和小浪底水库对洪水的调控，该段河势基本稳定［9］。 但是，在这一敏感河段修建滩区公路，对河流洪水演进、河道整治工程以及防洪抢险工作带来何种影响，必须予以全面、认真的分析研究。

2 河道洪水特性与河床边界变动分析

2.1 研究河段洪水泥沙特性

研究河段紧邻小浪底水库下游，水文泥沙分析主要依据小浪底水文站数据并参考铁谢、裴峪水位站相关资料。 水文泥沙资料分析表明，拟建公路河段洪水发生时间一般为6—10 月，其中大洪水和特大洪水发生时间多为7 月中旬至8 月中旬。 该河段洪水主要源自3 个区域：中游的河龙（河口镇至龙门）区间、龙三（龙门至三门峡）区间、三花（三门峡至花园口）区间，形成的洪水具有洪峰高、历时短、陡涨陡落的特点。 河龙区间形成的洪水过程线最为尖瘦，含沙量最大，最大洪峰流量一般为11 000 ～15 000 m3／s，最大含沙量可达900 kg／m3；龙三区间河道调蓄作用大，洪水过程线较为低胖，最大洪峰流量一般为7 000 ～10 000 m3／s，最大含沙量一般为400 ～600 kg／m3；三花区间发生洪水的过程线也比较尖瘦，最大洪峰流量一般为9 000 ～15 000 m3／s，最大含沙量一般为80 ～90 kg／m3。 三门峡水库、小浪底水库建成后，黄河下游洪水受到有效控制［10］，拟建公路河段紧邻小浪底水利枢纽与西霞院反调节水库下游，河段洪水直接受水利工程运用、调控影响。

2.2 水库调控下的设计洪水

为满足黄河防洪要求，工程建设河段的设计洪水流量应按近期规定的设防流量确定。 根据防御花园口22 000 m3／s 设防标准，铁谢设防流量为10 000 m3／s；按该河段防洪要求，温孟滩防护堤防御百年一遇洪水流量也为10 000 m3／s。 因此，将研究河段上游进口铁谢断面的设防流量作为研究河段洪水影响分析的设计洪水流量。 另外考虑到铁谢上游已经运用的西霞院水库最大泄洪流量为14 000 m3／s，拟以流量14 000 m3／s作为研究河段的校核洪峰流量（计算洪水的上限）条件。

2.3 基于冲淤预测的河床边界条件变动分析

研究河段处于水库下游的冲积性河段，以主槽冲淤为主要标志的再造床过程始终存在，河床深泓点高程也一直在变化调整中。 因此，预测河道行洪影响的河床边界条件必须与时间相关，应该根据冲淤规律按预测时间适当调整河床边界，科学确定预测期研究河段各断面的河床深泓点高程。 按拟建公路对预测年的研究要求，现状年取2020 年，可分为两种预测边界条件：预测15 a（2035 年）河床边界和预测25 a（2045年）河床边界。 根据对该河段河床演变规律的研究成果［11］分析，以黄河工程规划建设相关指标为依据，提出对河床地形的预测期概化处理方法。

（1）预测15 a 后（2035 年）河床边界条件按如下考虑：根据2020 年以后预测期该河段的淤积速率研究，河道主槽每年淤积抬高约0.05 m。 15 a 后的2035年就以2020 年的河道地形为基础，将主槽抬高0.25 m（5 a 淤积厚度）作为2035 年的河床基础地形。

（2）预测25 a 后（2045 年）地形则是按25 a 后2045 年的河道预测地形应以2020 年的河道地形为基础，将主槽抬高0.75 m（15 a 淤积厚度）作为2045 年的河床基础地形。

2.4 控制断面的洪水位分析

黄河下游河道在洪水过程中冲淤调整剧烈，河道断面形态与河床高程都会发生变化，因此预测期研究河段控制断面的设计洪水位必然与现状设计洪水位不同。 河道断面的水位流量关系通常是根据实测资料，采用水力因子法、流量面积法、冲淤改正法及水位涨率法等进行推求。 不同预测期设计洪水位与当时的河床冲淤状态相适应，都有一个受冲淤影响的变化过程。各预测年控制断面的设计洪水位应根据河道冲淤特性采用水力因子法和水位涨率法两者结合推算确定。

研究河段的下端是南开仪断面。 该断面上下河槽比较顺直，槽宽相对较窄。 考虑到小浪底水库拦沙期结束后，水库下游河床总体仍要逐渐淤积抬升，实测资料分析表明南开仪断面河槽相对窄深，该断面的河床回淤速率比其他断面相对较低，因此预测2035 年和2045 年的设计洪水位是以2020 年为基准水位，按洪水位年增长0.026～0.029 m 的速率推算，结果见表1。根据已有资料建立了南开仪断面水位流量关系，见图2。

表1 南开仪断面特征流量及对应水位

图2 下游控制断面水位流量关系（现状）

3 滩区公路对预测年河道行洪的影响分析

3.1 公路建设后对河道洪水位的影响分析

为研究拟建公路对所在河段沿程洪水位的影响，本文采用一维水动力模拟方法对预测15～25 a 河道洪水进行模拟计算，分析未来不同预测期与不同边界条件下的洪水特征及公路建设可能带来的差异。 计算采用的洪水量级及河床边界条件按前节所述。 进行水面线计算时，研究河段涉及的计算断面共有10 个，自下而上为南开仪、张庄、扣马、花园镇、李家台、铁炉、双槐、下古街、西庄、铁谢，断面间距一般不超过2.0 km，见图3。

图3 研究河段计算断面的设置

洪水模拟时，主槽糙率采用0.019，滩地糙率采用0.035，下游南开仪与上游铁谢断面分别为洪水水面线计算的起始断面与结束断面。 通过对不同预测期、不同工况及不同洪水的水力计算，获得研究河段在各种条件下的沿程洪水位及其变化情况。 在设计洪水时，不同预测期研究河段特征大断面的洪水位及公路工程影响的分析成果见表2；不同预测期校核洪峰流量为14 000 m3／s 时的河段水面线见图4。 分析表2 和图4中不同边界条件的洪水位，可以看出公路对河道洪水位影响很小；特别在李家台断面以下河段，在设计洪水条件下，预测15 a 和预测25 a 拟建公路对河道泄洪基本没有影响。 分析李家台—铁谢河段各断面在洪峰期洪水位的变化表明，部分路段因压缩了过水面积而对泄洪产生阻滞影响，造成洪水位有少许抬高。 在流量为10 000 m3／s 时，与无公路状态相比，修建公路后洪水位壅高Δh分别为0.002 ～0.025 m（预测15 a）和0.006 ～0.047 m（预测25 a）；在流量为14 000 m3／s 时，与无公路状态相比，修建公路后洪水位抬高值分别为0.014～0.055 m（预测15 a）和0.024 ～0.064 m（预测25 a），西庄断面的水位增量最大。 计算出的两种频率洪水水面线在铁谢断面的水位与该站设计水位流量关系曲线基本一致，这也说明洪水模拟计算时阻力参数选择比较适宜，水面线计算成果较为合理。 由于水力计算中没有考虑公路沿线透水桥涵的作用，因此前述壅水分析成果是偏于安全的。

表2 设计洪水10 000 m3／s，不同工况、不同预测期各断面洪水位及水位壅高 m

图4 预测年铁谢—南开仪河段水面线（流量14 000 m3／s）

3.2 公路建设对洪水河势及防汛抢险的影响分析

研究河段目前受河段控导工程制约，河势比较稳定，主流集中在深槽运行。 预测期河道整治工程布局与现状基本相同，河槽平面边界条件受到工程控制，因此水深、流速与水流动力轴线均与现状条件基本相同。在控导工程导引约束下，“小水走弯、大水趋直”的洪水动力特性将依然保持，整治工程对漫滩洪水传播有一定影响。 拟建公路为土基公路，一般比当地滩面仅高0.5 m，由于公路选线远离主槽，因此公路最大阻水面积不会超过滩区过流面积的0.3%。 由于河道整治工程控制占主导作用，因此道路建设对洪水河势的影响很小，洪水河势基本保持未修公路时的状态。

另外，沿黄滩地修建的公路贯穿研究河段滩区，同时也和沿线控导工程建立了支线联系，大大提高了防汛物资的输运能力以及防洪抢险队伍的快速投送能力。 对于当地群众，滩区公路平时有利于促进滩区地方经济的发展，特大洪水时有利于快速迁安避险转移；对于河务部门，平时有利于河流防洪控导工程的建设管理，汛期有利于抢险物料输送及对险情及时响应与应急处置。

4 滩区公路修建对河流工程的影响分析

河漫滩道路修建对河流整治工程的影响主要有3个方面：一是如果压缩主流，那么将引起河槽水流挟沙能力的变化，改变河道冲淤规律，从而影响整治工程布局；二是如果引起主流调整，那么将改变流速、流向，引起局部冲刷、影响整治工程基础安全；三是如果造成河势改变，那么将引起整治工程脱流，导致主流控导失效。

4.1 公路建设后河道水流挟沙力的变化分析

公路建成后研究河段的冲淤变化可以用水流挟沙力的变化进行趋势评估。 工程建设后水流挟沙力的变化体现在流速的变化上，研究河段流速发生变化的区域主要集中在局部路段有阻水作用、影响泄洪宽度的河段。 根据设防流量条件下水动力数学模型的计算结果，在靠水路基处、受公路影响范围内的控导工程处及防护堤区域，流速变化一般在-0.01 ～0.1 m／s 之间，变化较小。 流速变化引起的水流挟沙力的变化率可用常用的水流挟沙力公式推算。

根据张瑞瑾水流挟沙力公式，建设公路工程后水流挟沙力的变化率η为式中分别为公路建成前水流挟沙力、流速和水力半径分别为公路建成后水流挟沙力、流速和水力半径；m为挟沙力指数，根据项目区床沙质资料综合分析，m取1.05。

公路建成后水位变化很小，最大不超过0.06 m。如果主槽平均水深取8 m，相对增高仅为0.75%；滩地平均水深取2 m，相对增高仅3%。 对于宽浅河流，水深与水力半径相近，因此对水力半径的影响甚微。

因此，水流挟沙力的变化主要取决于流速的变化。根据公路建成后水位和流速的变化，计算设防流量条件下公路建设后水流挟沙力变化率；各断面水流挟沙力变化趋势与流速变化趋势基本一致，主槽区水流挟沙力的变化率最大不超过1%。

综上分析，拟建公路位于右岸滩地，远离主槽，公路附近流速普遍很低，对水流的挤压作用有限，传递反映到控导工程和防护堤附近就更小了。 因此，从分析水流挟沙力的变化可以得出，科学规划的线路可以维持河道在洪水期的冲淤规律基本不变，使该河段流路稳定，保证控导工程的布局依然有效。

4.2 公路建设后对河道控导及护岸工程的局部冲刷

影响分析

借助水流挟沙力分析可以判断洪水期河道的沿程冲淤规律，但对整治工程基础的影响，还要分析判断工程附近局部流场的改变情况。 滩区道路建设是否使局部河段压缩主流，导致对河道整治工程局部冲刷产生影响，还需要进行具体分析。

4.2.1河道整治工程局部冲刷的计算方法

河道整治工程处的河床局部冲刷可采用有关河道工程的冲刷公式进行计算［12］。

（1）非淹没丁坝冲刷深度计算方法。 研究河段的控导工程多为丁坝，工程附近局部冲刷可参照《堤防工程设计规范》进行计算，非淹没丁坝冲刷深度计算公式为

式中：hs为冲刷深度，m；H0为行近水流水深，m；LD为丁坝的有效长度（丁坝坝头到岸线的垂直距离），m；Um为坝头最大流速，m／s；Uc为泥沙起动流速，m／s；k1、k2、k3分别为丁坝与水流方向的交角、护岸段的平面形态及丁坝坝头的坡比对冲刷深度影响的修正系数，位于弯曲河段凹岸的单丁坝k2＝1.34，位于过渡段或顺直段的单丁坝k2＝1.00，k3＝e-0.07m（m为丁坝坝头坡率，丁坝坝头坡率一般为1 ∶1，取m＝1）。

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k1按下式确定：

式中：θ为丁坝与水流的交角，（°）。

Um可按下式计算：

式中：U为主槽平均行近流速，m／s。

对于黏性与沙质河床，起动流速采用张瑞瑾公式计算：

对于卵石河床，起动流速采用长江科学院公式计算：

式中：d50为床沙的中值粒径，mm；H为河道水深，m。

（2）顺坝及平顺护岸的冲刷深度计算方法。 研究河段的整治工程也有顺坝与堤防护岸，水流对顺坝及平顺护岸的冲刷与近岸流速、水深、水流方向与岸坡的夹角、河床组成等因素有关，平顺护岸的冲刷深度可按下式进行计算：

式中：n为与防护岸坡在平面上的形状有关的指数，一般取n＝1／4～1／6；Ucp为近岸垂线平均流速，m／s。

式中：α为水流流速分配不均匀系数，根据水流流向与护岸坡线交角A查表3 得到。

表3 水流流速不均匀系数

4.2.2公路对河道工程局部冲刷影响分析

采用上述冲刷计算公式（式（2）～式（6））及一维水动力模拟计算成果，对研究河段不同时期各险工（控导）工程的局部冲刷进行计算，结果见表4；同时依据式（7）～式（8），对相应条件下各堤防顺堤冲刷进行分析计算，有关数据见表5。 分析表4 和表5 中的河床变形计算结果及相应的工况条件，可以看出：

表4 预测15、25 a 各险工、控导工程局部冲刷及增加值 m

表5 预测15、25 a 河道沿线各处顺堤及护岸局部冲刷及增加值 m

（1）控导工程。 整体看各控导工程在洪水期的局部冲刷深度与洪水河势有关；沿线洪水主流贴靠控导工程的流速大，局部冲刷深度就大。 如铁谢险工历年洪水靠河概率最大，主流靠岸顶冲，工程局部冲刷深度在6.5～8.5 m 之间，与历史调查险工的冲刷深度比较一致；2000 年以来南开仪控导工程靠河也比较好，控导作用明显，所以主流贴靠冲刷是必然的，工程局部冲刷深度在6.8～7.8 m 之间，也是比较可靠的。 其余控导工程的局部冲刷深度都与主流对工程的贴靠程度有关，贴靠较近的冲深较大，远离主流的冲深较小；铁炉护滩工程远离主流，工程边岸流速很小，因此几乎没有局部冲刷。

公路建设前后的局部冲刷深度差（即冲刷增量Δhs）体现了公路修建对控导工程洪水期局部冲刷深度的影响。 由表4、表5 中所列不同流量、不同预测期的冲刷增量可以看出，公路引起的冲刷增量很小，大多在0.1 m以下。 铁谢险工的上中部位冲刷增值稍大，但最大也仅为0.125 m；逯村控导工程处流速受公路阻水影响稍大，但局部冲刷增量最大也不超过0.174 m。

（2）平顺护岸。 由于受主流顶冲少，平顺护岸的局部冲刷深度远小于控导工程的。 受铁谢险工靠河影响，附近的铁谢堤防距主流较近，因此局部冲刷深度也受主流贴靠程度影响，越靠上游，主流贴近度越高，局部冲刷就越大，最大5.82 m；越靠下游，主流贴近度越低，局部冲刷就越小。 同铁炉护滩工程一样，铁炉堤防几乎没有局部冲刷，公路引起的增量在0.089 m 以下。在其他平顺护岸堤段，公路对洪水期堤防护岸局部冲刷的影响也很小，都在0.087 m 以下。 由此可见公路建设对控导、护岸工程在洪水期局部冲刷期影响均很小。

4.3 河势发展趋势及对整治工程的影响分析

研究河段历史上游荡性很强，经过长期的河道整治，目前基本形成了比较完善的河道整治工程系统。左岸有逯村控导工程、开仪控导工程及温孟滩防护堤，右岸有铁谢险工、铁炉护滩工程、花园镇控导工程，这些工程基本控制了这一河段的洪水河势，见图5。 小浪底水库运用以来，中小洪水增多而极少发生大漫滩洪水。 受水库的调控作用，下游冲积性河流都会有前期清水冲刷、后期逐渐回淤的再造床过程，西霞院反调节水库运用后也维持这一河床演变趋势。 因此，多年来形成的中水河槽已经适应了该河段的整治工程体系决定的河势，保持相对的稳定性。 从图5 中可以看到，研究河段中铁谢险工、逯村工程、开仪工程靠河相对较好，这意味着中水整治修建的河道控导工程对该河段河势发挥了控制作用。 经过小浪底、西霞院两级水库对洪水泄流的调整，该河段的来水来沙条件相对稳定。随着下游河道整治工程的进一步完善，铁谢险工至开仪工程直至裴峪河段主流与河道整治规划流路将进一步适应；在中水控导工程体系的作用下，河势将会进一步趋于稳定。 水动力模拟计算表明，在漫滩大洪水时，远离主槽布置的线路只在西庄附近局部轻微影响洪水边流，但对主流形成不了有效的干扰，因此对滩区过流影响极小的道路建设是不可能导致河势发生较大变化的。 以往的河势分析与工程条件下的模拟计算都表明，该河段的中水河势基本稳定，大洪水期主流流路依然受控导工程体系的控制；形成漫滩洪水在铁谢险工处受到制约，沿程逯村、花园镇、开仪控导工程都基本保持靠流的洪水常态河势。 这说明拟建公路没有改变洪水河势的基本状态，因此也不会对河道整治工程形成附加的不利影响。

图5 2005—2013 年线路所在河段主流线套绘

4.4 洪水对公路路堤的冲刷分析

在洪水期，拟建公路路堤有些路段也会有漫滩洪水偎路堤行水的状况，水力计算表明沿路基最大流速不超过1.06 m／s。 为了评估大洪水对路堤的冲刷影响，这里也采用式（7）、式（8）对拟建公路的路堤冲刷进行了分析计算。 不同预测期、不同洪水条件下，沿程路堤偎水冲刷状况见图6。 由图6 可以看出，无防护衬砌条件下，沿程路堤局部冲刷深度一般为0.1 ～0.5 m，西庄附近的局部冲刷比较大，在0.36 ～0.53 m之间。 由于路堤偎水流速不大，在有局部冲刷的路堤段适当采取衬砌或生态护坡措施是可以保证路堤安全的。

图6 拟建公路路堤沿程偎水冲刷情况

5 结 论

（1）宽滩河流若有系统的控导工程维持中小洪水河势稳定，河漫滩内建路只可能对漫滩大洪水产生影响。 如公路选线能顺依河道大洪水输运方向，尽可能减小滩区阻水面积，公路建设对大洪水的影响就会控制在很低的程度，依然可以保持该河段原有洪水河势不变。

（2）对水库下游冲积性河流河漫滩建设工程进行洪水预测分析时，必须考虑预测期河床边界条件与时间的关联性，根据研究河段的冲淤规律，科学确定预测期造床过程引起的河床边界变化，才能提高预测期洪水分析的可靠度。 工程模拟计算表明，预测25 a 后局部路段可能最大壅水高度0.064 m，个别控导工程附近流速增值1.6%左右，对该河段河道行洪安全干扰极小。

（3）河漫滩公路修建对河流整治工程的影响主要为挟沙力改变引起的河道沿程冲淤，主流调整引起的整治工程局部冲刷，以及洪水河势改变引起整治工程脱流、控导失效。 分析表明，整治工程与洪水河势有较好的互适性，研究河段洪水冲淤趋势维持不变，控导与护岸工程局部冲刷增量不超过0.17 m，拟建公路对洪水演进影响轻微；说明没有改变洪水河势基本状态，不会对整治工程形成附加不利影响。

（4）局部线路偎水处的路基局部冲刷一般不超过0.5 m，适当进行边坡衬砌防护或生态护坡处理，就可以避免路基破坏危及运行安全。 关注大洪水期河势变化动态，做好河势发生突变的应急预案，无疑是河漫滩公路运行期间必须重视的工作。