謝志高

(深圳市東部水源管理中心，廣東 深圳 518116)

引言

習(xí)近平總書記在“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)”明確提出，黃河流域是打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要區(qū)域[1，2]。由于歷史、自然條件等原因，黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相對(duì)滯后，特別是上中游地區(qū)和下游灘區(qū)，是我國(guó)貧困人口相對(duì)集中的區(qū)域。積極支持流域省區(qū)打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)，解決好流域人民群眾特別是少數(shù)民族群眾關(guān)心的防洪安全、飲水安全、生態(tài)安全等問(wèn)題，對(duì)維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)具有重要意義[3，4]。

河津市黃河沿岸碼頭現(xiàn)狀基本表現(xiàn)為缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)施，部分設(shè)備已老化，運(yùn)力較差，無(wú)法滿足安全?？恳?，僅建有部分簡(jiǎn)易梯步或下河道路，且寬度及縱坡等參數(shù)均不滿足規(guī)范要求，沒(méi)有護(hù)坡結(jié)構(gòu)；人員上行船和船舶?？繄?chǎng)所為自然岸坡，坡陡路滑，存在極大的安全隱患。但便民交通碼頭長(zhǎng)期以來(lái)為農(nóng)村交通發(fā)揮了重要作用，渡運(yùn)及短途客運(yùn)需求旺盛，作為農(nóng)村交通的組成部分在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)還會(huì)存在。面對(duì)碼頭落后的現(xiàn)狀，尤其是在全面建成小康社會(huì)總體目標(biāo)要求下，盡快完成龍門便民交通綠色碼頭建設(shè)工程，是發(fā)揮水運(yùn)優(yōu)勢(shì)、改善群眾水上出行條件及保障群眾出行安全的重要保證，同時(shí)也是實(shí)施山西省交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)計(jì)劃的具體體現(xiàn)。因此，對(duì)龍門便民交通碼頭進(jìn)行規(guī)范化建設(shè)，推動(dòng)黃河水上運(yùn)輸和水運(yùn)與旅游融合發(fā)展，是十分必要的。本文通過(guò)相關(guān)水利計(jì)算，對(duì)黃河流域龍門段某水利工程的防洪設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以期為防洪評(píng)價(jià)工作提供實(shí)例驗(yàn)證[5-8]。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于山西省河津市龍門景區(qū)西側(cè)，距上游侯西鐵路橋約272m，距下游禹門口黃河公路大橋(G108)約230m。位置坐標(biāo)為E110°36′11″，N35°39′31″。黃河船窩至龍門航道現(xiàn)屬于Ⅵ級(jí)航道，規(guī)劃為Ⅳ級(jí)航道，該河段河床質(zhì)可分為沙質(zhì)灘、石質(zhì)灘。隨著壺口至禹門口段航道整治工程的啟動(dòng)，將有效改善航行條件。該段水域能夠滿足船舶的靠泊及回旋作業(yè)要求。擬建龍門碼頭岸線順直，岸坡穩(wěn)定，無(wú)不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，自然條件良好。擬建設(shè)的龍門便民客運(yùn)碼頭后方緊鄰沿黃公路，交通方便，地理位置較優(yōu)越。港區(qū)建設(shè)用水、用電和通信可從相鄰村鎮(zhèn)接入，施工條件便利。由于當(dāng)?shù)亟ㄖ牧县S富，港區(qū)建設(shè)使用土石材料可以就地取材，山西省內(nèi)擁有多支航運(yùn)工程建設(shè)隊(duì)伍，能滿足該碼頭建設(shè)需要。龍門碼頭本次擬采用“架空梯道+架空棧橋”的布置方案，均采取樁基礎(chǔ)。其中單個(gè)泊位架空梯道總長(zhǎng)12.7m，寬6m。架空梯道后側(cè)設(shè)置架空棧橋與岸側(cè)銜接，棧橋總長(zhǎng)17.3m，寬6m。本著以近為主、遠(yuǎn)近結(jié)合的原則，本次擬建設(shè)2個(gè)客運(yùn)泊位，預(yù)留1個(gè)工作船泊位，采用浮式加斜坡的結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)通過(guò)能力96萬(wàn)人次·a-1，占用岸線長(zhǎng)度為106m。

2 河道基本情況

工程項(xiàng)目所在河道隸屬河津市境內(nèi)，所涉及黃河流域包括下化、樊村、清澗3個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))以及黃河灘一部分，流域面積307.7km2，洪水量平水年730.4萬(wàn)m3，枯水年322.2萬(wàn)m3。全市洪水總量平水年1376.9萬(wàn)m3，枯水年585.3萬(wàn)m3。龍門碼頭位于禹門口與黃淤68斷面之間黃河干流上，該河段屬黃河小北干流(禹門口至潼關(guān))上段。清澗灣調(diào)彎工程位于河津市清澗街道辦事處龍門村以西，黃淤67～68斷面間，上接禹門口工程6號(hào)壩，下鄰大小石咀高崖，工程類別為控導(dǎo)工程，全長(zhǎng)2472m，現(xiàn)有丁壩20道，垛壩14道。0+000～2+765段壩頂高程為386.08～382.81m，工程設(shè)計(jì)防御標(biāo)準(zhǔn)為龍門站12700m3·s-1洪水。

禹門口至潼關(guān)河段長(zhǎng)132.5km，河道寬淺，水流散亂，屬于強(qiáng)烈堆積的游蕩性河道，河道形態(tài)從縱向上看，河道比降上陡下緩，比降在0.3‰～0.6‰，平均為0.4‰。灘槽高差一般為0.5～1.5m。從平面上看，河道寬窄相間，總體呈啞鈴狀，中間較窄、兩頭較寬，河道彎曲系數(shù)為1.12。

黃河是境內(nèi)最大的河流，市境內(nèi)流經(jīng)長(zhǎng)度35km，根據(jù)龍門水文站多年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)(1988—1995年)，黃河多年平均流量731.81m3·s-1，汛期多發(fā)生在7—9月，據(jù)前人資料汛期最大洪峰流量為21000m3·s-1，一般年份洪流量為4710～16400m3·s-1，枯水期平均流量為53.2m3·s-1。河流含砂量根據(jù)1970—1992年的觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，1年之中有5～12d大于100kg·m-3，多出現(xiàn)在6—8月3個(gè)月份，多年平均值為25.9kg·m-3。

據(jù)鉆孔揭露資料，該場(chǎng)地地下水埋藏深度在自然地坪下5.13～5.99m，穩(wěn)定水位以高程表示為375.82～377.0m，根據(jù)含水介質(zhì)的巖性，地下水類型為松散巖類孔隙水，根據(jù)地下水的埋藏條件劃分為潛水，場(chǎng)地地下水主要由大氣降水入滲及黃河水側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水排泄方式以側(cè)向徑流及大氣蒸發(fā)為主，地下水流向西向東，水位年變化幅度為3～5m。

3 防洪工程

防洪工程主要存在于龍門水文站下游，其中黃河干流禹門口至汾河入黃口段左岸(山西)防洪工程：禹門口工程、清澗灣調(diào)彎工程、清澗灣工程、大石咀工程、小石咀工程、汾河口工程、西范工程、西范控導(dǎo)下延工程、廟前工程和城南工程，見表1。工程可分為控導(dǎo)工程和護(hù)岸護(hù)灘工程。防御標(biāo)準(zhǔn)：控導(dǎo)工程一般按當(dāng)?shù)亓髁?000～5000m3·s-1設(shè)計(jì)，部分具有重點(diǎn)防護(hù)作用的控導(dǎo)工程按5年一遇(相當(dāng)于龍門站流量12700m3·s-1)設(shè)計(jì)；護(hù)岸工程按20年一遇(相當(dāng)于龍門站流量20000m3·s-1)，護(hù)灘工程與灘面平。

表1 河禹門口至汾河入黃口段(左岸)防洪工程防御標(biāo)準(zhǔn)

黃河干流禹門口至汾河入黃口段右岸(陜西)防洪工程有橋南上延工程、橋南工程、下峪口工程、下峪口下延工程、史代工程、南謝工程和芝川工程，見表2，工程的防御標(biāo)準(zhǔn)大小不等，為龍門站11000～21000m3·s-1或當(dāng)?shù)?000m3·s-1。部分工程已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，部分尚未達(dá)到。

表2 黃河禹門口至汾河入黃口段(右岸)防洪工程防御標(biāo)準(zhǔn)

4 防洪評(píng)價(jià)分析與計(jì)算

4.1 歷史洪水資料

4.1.1 調(diào)查洪水

根據(jù)1983年刊印出版的《中華人民共和國(guó)黃河流域洪水調(diào)查資料》(黃河干流及主要支流控制河段)，龍門水文站調(diào)查歷史特大洪水成果共有2次：發(fā)生于1843年洪峰流量為31000m3·s-1的特大洪水；發(fā)生于1942年8月3日洪峰流量為24000m3·s-1的特大洪水。

4.1.2 實(shí)測(cè)洪水

龍門水文站自1934年6月設(shè)站以來(lái)，除因戰(zhàn)爭(zhēng)、站別更改等諸多原因幾次中斷，造成資料系列不連續(xù)外，1950年后各項(xiàng)測(cè)驗(yàn)逐漸穩(wěn)定下來(lái)。共有1934—1937年、1944—1945年、1950—2018年共75年的不連續(xù)實(shí)測(cè)洪水系列。

龍門水文站歷年實(shí)測(cè)最大洪峰流量為1967年8月11日的21000m3·s-1。從1934—2018年的85年間，龍門站實(shí)測(cè)流量大于20000m3·s-1的洪水出現(xiàn)過(guò)1次；歷年實(shí)測(cè)10000m3·s-1以上大洪水23次，1996年以后至今未出現(xiàn)洪峰流量大于該量級(jí)的洪水，具體洪峰日期、洪峰流量、來(lái)水區(qū)域見表3。

表3 龍門站實(shí)測(cè)10000m3·s-1以上大洪水統(tǒng)計(jì)表

4.2 設(shè)計(jì)洪水頻率計(jì)算

水文頻率計(jì)算依據(jù)龍門水文站1934—1946年、1949—2018年共83年實(shí)測(cè)插補(bǔ)最大流量資料，并考慮歷史調(diào)查大洪水資料進(jìn)行頻率計(jì)算。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL 44-2006)推薦的方法，以年最大值法選樣，并加入歷史調(diào)查洪水，按連序系列和不連序系列的數(shù)學(xué)期望公式進(jìn)行計(jì)算。頻率曲線的線型采用P-Ⅲ型，統(tǒng)計(jì)參數(shù)采用矩法初步估計(jì)，并采用目估適線法確定設(shè)計(jì)洪水成果。計(jì)算系列中歷史特大洪水調(diào)查考證期176年；連序系列洪水年數(shù)為83年。

4.2.1 經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算

a個(gè)特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式：

(1)

式中，PM為第M項(xiàng)特大洪水經(jīng)驗(yàn)頻率；M為特大洪水的排列序號(hào)；a為特大洪水個(gè)數(shù)；N為歷史特大洪水調(diào)查考證期。

n-l個(gè)連序系列洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式：

…，n

(2)

式中，Pm為第m項(xiàng)連序系列洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率；m為連序系列洪水的序位；n為連序系列的項(xiàng)數(shù)；a為特大洪水個(gè)數(shù)；l為從n項(xiàng)連序系列中抽出的特大洪水個(gè)數(shù)。

4.2.2 理論頻率曲線參數(shù)的確定

(3)

(4)

(5)

對(duì)于CV，由于計(jì)算值只是一個(gè)參考，還要在適線中調(diào)整確定，為簡(jiǎn)便計(jì)算按連序系列進(jìn)行計(jì)算。CV與CS的倍比參照地區(qū)綜合規(guī)律，結(jié)合適線具體情況確定。

4.2.3 頻率曲線適線情況

采用《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL 44-2006)中規(guī)定的P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，在適線中一條總的準(zhǔn)則是盡量使理論頻率曲線通過(guò)全部點(diǎn)據(jù)的中心位置。

適線時(shí)，先采用上述矩法估計(jì)出頻率曲線參數(shù)的初始值，固定系列均值，憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整變差系數(shù)CV和偏態(tài)系數(shù)CS，并進(jìn)行目估適線確定頻率曲線。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 龍門水文站洪水頻率計(jì)算成果表

4.3 設(shè)計(jì)洪水成果選用

《黃河流域防洪規(guī)劃》與本次計(jì)算的龍門水文站設(shè)計(jì)洪水成果見表5。本次計(jì)算結(jié)果與《黃河流域防洪規(guī)劃》成果較為接近，相差4.2%～8.5%，主要是由于所采用的資料系列長(zhǎng)短不同。鑒于《黃河流域防洪規(guī)劃》成果考慮多方面因素并通過(guò)審查，偏安全考慮，本次龍門站設(shè)計(jì)洪水成果主要采用《黃河流域防洪規(guī)劃》的成果，100年一遇(P=1%)設(shè)計(jì)洪峰流量值為28300m3·s-1，50年一遇(P=2%)設(shè)計(jì)洪峰流量值為24800m3·s-1，20年一遇(P=5%)設(shè)計(jì)洪峰流量值為20000m3·s-1。25年一遇(P=4%)設(shè)計(jì)洪峰量按21500m3·s-1。

表5 《黃河流域防洪規(guī)劃》與本次計(jì)算龍門水文站設(shè)計(jì)洪水成果比較

本建設(shè)項(xiàng)目位于龍門水文站下游約1.7km范圍河道內(nèi)。河道斷面寬度一般為731m。而龍門水文站測(cè)驗(yàn)斷面河寬約為300m，是典型的峽谷河段。考慮到項(xiàng)目距離龍門水文站較近，建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)間的洪峰流量應(yīng)與龍門站的洪峰流量相同。因此，本建設(shè)項(xiàng)目所在斷面設(shè)計(jì)洪峰流量統(tǒng)一采用龍門站不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量，從防洪安全角度而言是滿足要求的。

4.4 方案計(jì)算與分析

4.4.1 河道斷面水深與流速

由于龍門碼頭處于小北干流起始處，此處河道較上游突然變寬，黃河出龍門，進(jìn)入開闊地帶。龍門碼頭處最大水深為10.56m，根據(jù)二維數(shù)學(xué)模型水深變化等值線圖、流速變化等值線圖可以看出，洪水出山口后受彎道水流離心慣性力作用，主流更偏向于右岸。河道流速為0.5～4.8m·s-1，主槽內(nèi)流速分布較均勻，但局部有建筑物時(shí)，易引起局部流速增加，周圍需做好防護(hù)。

4.4.2 計(jì)算水位

擬建工程位置及其對(duì)應(yīng)的洪水水位見表6，擬建龍門碼頭5年一遇洪水位為382.50m，10年一遇洪水位為383.56m，20年一遇洪水位為384.21m，碼頭棧橋在10年一遇淹沒(méi)范圍外，碼頭陸域平臺(tái)在10年一遇洪水位淹沒(méi)范圍外，由于碼頭占地面積小，對(duì)河道行洪產(chǎn)生影響較小。

表6 模型計(jì)算水位

4.4.3 壅水計(jì)算分析

某一洪水位下工程占據(jù)的有效過(guò)水面積與工程前相應(yīng)水位全斷面的有效過(guò)水面積之比，稱為工程對(duì)過(guò)水面積的阻水比。阻水比是體現(xiàn)跨河及臨河工程影響河道行洪能力的主要參數(shù)，在工程區(qū)段水流條件相同的情況下，阻水比越大，對(duì)河道行洪的影響就越大。龍門碼頭工程采用躉船布置，平臺(tái)前沿采用架空梯道，架空梯道后側(cè)設(shè)置架空棧橋與岸側(cè)銜接，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，梯道和棧橋下部基本擬利用現(xiàn)狀已形成平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)，基本不增加阻水面積。碼頭阻水面積主要來(lái)自于樁基礎(chǔ)和棧橋橋面等建筑物，10年一遇洪水條件下阻水比為0.2%，100年一遇洪水條件下阻水比為0.1%。本報(bào)告采用二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)壅水高度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，10年一遇洪水條件下龍門碼頭工程產(chǎn)生的壅水高度為0.016m，壅水長(zhǎng)度256.3m；100年一遇洪水條件下龍門碼頭工程產(chǎn)生的壅水高度為0.018m，壅水長(zhǎng)度269.6m。

4.4.4 沖刷能力分析計(jì)算

碼頭樁基按河段遭遇100年一遇洪水時(shí)沖刷深度計(jì)算，斷面總沖刷深度包括河床自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷3部分組成。根據(jù)干流與支流來(lái)水方向不同，經(jīng)分析，九龍橋沖刷選取干流或支流最不利沖刷算結(jié)果，本次評(píng)價(jià)選取干流方向來(lái)水作為最終沖刷結(jié)果。根據(jù)龍門地質(zhì)圖可知，沖刷未到巖基?？倹_刷深度詳情見表7。

表7 P=1%碼頭總沖刷水深

5 防洪影響評(píng)價(jià)

梯規(guī)劃建設(shè)的古賢水利樞紐距離龍門工程上游距離約93.4km。由于距離較遠(yuǎn)，本項(xiàng)目建設(shè)與古賢水利樞紐的規(guī)劃及實(shí)施不矛盾，不會(huì)對(duì)古賢水利樞紐規(guī)劃與實(shí)施產(chǎn)生不利影響。規(guī)劃建設(shè)中的甘澤坡水利樞紐工程位于黃河大北干流下段，下距龍門水文站2.5km，后上移至舌頭嶺碼頭附近，距龍門工程約26.8km。禹門口水利樞紐工程的施工備料場(chǎng)地在距龍門工程上游21.8km左右，均不在項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)，因而工程與禹門口水利樞紐工程的規(guī)劃及實(shí)施不矛盾，不會(huì)對(duì)禹門口水利樞紐規(guī)劃與實(shí)施產(chǎn)生不利影響。龍門碼頭工程位于黃河小北干流起始處左岸岸灘修建，主要是服務(wù)黃河航運(yùn)，有利于航運(yùn)規(guī)劃的實(shí)施。項(xiàng)目建設(shè)產(chǎn)生壅水較小，基本不會(huì)改變河道特性，因此項(xiàng)目不會(huì)對(duì)黃河小北干流放淤規(guī)劃實(shí)施產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論

河津市黃河船窩至龍門段便民交通碼頭屬于便民基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，擬建龍門碼頭從以人為本的要意出發(fā)，可以有效改善河津市黃河沿岸群眾的出行條件，方便晉陜兩省群眾之間的來(lái)往交流，對(duì)于加快黃河兩岸文化旅游及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。

龍門便民交通碼頭工程擬新建2個(gè)客運(yùn)泊位，預(yù)留1個(gè)工作船泊位，泊位順岸布置，設(shè)計(jì)通過(guò)能力96萬(wàn)人次·a-1，龍門碼頭設(shè)計(jì)高水位(381.40m)不滿足5年一遇洪水設(shè)計(jì)水位；碼頭棧橋設(shè)計(jì)高程(382.50m)，滿足5年一遇洪水設(shè)計(jì)水位，不滿足10年一遇洪水設(shè)計(jì)水位；碼頭陸域平臺(tái)設(shè)計(jì)高程為387.50m，高于10年一遇洪水設(shè)計(jì)水位。

10年一遇洪水條件下，工程阻水比為0.2%，產(chǎn)生的壅水高度為0.016m，壅水長(zhǎng)度256.3m。經(jīng)計(jì)算，100年一遇洪水船龍門碼頭最大沖刷水深為24.34m，最低沖刷線高程為361.48m，沖刷線高程在基巖面(或片狀砂巖)以上。龍門碼頭陸域前沿線走向與附近流速方向基本一致，沒(méi)有引起工程附近出現(xiàn)挑流等不良流態(tài)，且碼頭工程占據(jù)河道過(guò)水面積有限，因此，龍門碼頭對(duì)工程附近流速大小及方向影響較小。