韦英吉
广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院 广西河池市547000
摘要:分析确定涝区多溶洞排泄能力,针对涝区排泄特点,确定设计工程规模,满足区域设计防洪标准。
关键词:溶洞、排泄能力、设计洪水、排涝工程
1、涝区概况
河池市金城江区拉显村大禄河、拉矮河洪涝洪灾频繁,拉显村部分房屋、农田及村级主要交通道路受淹严重,洪涝灾害造成严重的经济损失,同时也影响当地居民的正常生产生活。大禄河、拉矮河河道萎缩淤积严重,河道沿岸杂草、垃圾、残积木等阻洪严重,以至河道排水不畅,造成洪水漫滩冲刷农田,同时拉矮河主河道1#消水洞泄流能力不足,洪水位壅高形成涝区,容易发生洪涝灾害。
2、流域概况
本工程位于大禄河和拉矮河河段上。大禄河发源于大禄屯附近后山,流经良山塘,经过拉显村后于拉矮屯于红沙河汇合,汇合口下游300m为红沙河入岩溶洞口;大禄河上游河段岩溶区较明显,洼地有消水洞分布,大禄河在拉矮屯交通路分汊出一条支流,即拉矮河,在枯水期,拉矮河无水,拉矮河主河道下游在拉显屯进入地下溶洞,而在洪水期,大禄河发大洪水时,大禄河在拉矮屯由于受拉矮屯交通桥阻挡,同时拉矮河区域地势较低,大禄河分流出大部分洪水往拉矮河排泄,同时受红沙河溶洞顶托,大洪水时溶洞口附近拉矮屯形成壅水,而拉矮河地势较低,红沙河部分洪水向拉矮河排泄;拉矮河有两个消水洞,当拉矮河流域水位低于225.0m时,主要通过拉矮河主河道1#消水洞排水,当水位超过225.0m时,另外一个2#消水洞排水。
大禄河集雨面积为4.51km2,河长3.58km,平均坡降4.5‰;拉矮河区间集雨面积1.35km2,河长1.51km,平均坡降2.3‰,由于受拉矮屯交通桥阻挡,同时受红沙河洪水位顶托,且拉矮河地势较低,大禄河洪水主要向拉矮河排泄,则拉矮河消水洞洞口断面设计洪水按集雨面积5.37km2进行计算。
3、基本资料
本工程流域范围内无实测气象水文站,直线距离12km金城江区城区境内设有金城江水文站。金城江水文站位于龙江干流上,集雨面积6199km2,金城江水文站累计有1957年~1978年实测流量资料和1954年~今的水位、雨量资料。
4、设计洪水
4.1历史洪水
大禄河及拉矮河工程河段进行历史洪水的调查;据当地多位老人反映,解放后,流域发生的大洪水主要有1991年和2019年两场洪水,其中1991年比2019年洪水要大。洪水调查期从解放1950年开始,调查周期为70年,结合金城江站1h、6h暴雨资料分析,则确定1991年洪水为70年一遇,2019年为30年一遇。
4.2设计洪水
(1)洪水计算
工程流域面积较小,本次直接采用2010年版暴雨等值线图进行查算,得到工程点设计暴雨值,H1h=52mm,H6h=85mm,H24h=118mm。本次工程设计设计洪水采用《广西暴雨径流查算图表》中介绍的推理公式法和瞬时单位线法计算。由于区域为岩溶地区,按岩溶地区公式确定各计算参数。根据以上方法计算得到各断面设计洪水成果。
(2)设计洪水过程线
从红沙河溶洞水位情况看,降雨停止后的四五个小时水位已经开始消退,第二天流域来水量已经很小、水位降至较低水位,典型的山区洪水特性。由此判断24h降雨在红沙河区域产生的洪水历时应为1天左右。
5、天然消水洞过流能力测算
本次消水洞过流能力按两种方法进行计算:①按泄排平衡进行估算;②按历史洪水过程及洪水位过程进行反算。
(1)按泄排平衡进行估算
红沙河涝区退水时间不超过两天,说明红沙河消水洞过流能力较顺畅;当上游不再降雨时,红沙河溶洞河段洪水一般四个小时退去,不再淹没红沙河两岸农田,红沙河干流满槽排洪,一般持续8个小时左右,此时的红沙河溶洞暗河达到了一个水量平衡状态,即来水流量与泄流量相等,本次红沙河溶洞最大泄流能力的估算按红沙河河段满槽时的过洪流量进行计算,反算红沙河溶洞上游100m断面河槽的最大过流能力,红沙河河宽12m,河床至河岸高度约6m,按曼宁公式计算得到红沙河溶洞泄流能力约为144m3/s。
(2)按历史洪水过程及洪水位过程进行反算
本次调查到红沙河消水洞上游拉矮屯2019年最高洪水位为218.5m,红沙涝区内农田一个上午(约6个小时)就快速退去,不再淹两岸农田(227.0m);此时由于红沙河涝区顶托影响,拉矮河涝区水位低,2019年场次洪水红沙河涝区向拉矮河涝区排泄,根据计算,红沙涝区水位228.5m时倒灌入拉矮河涝区最大排泄流量为26.3m3/s,依次叠加到拉矮河洪水过程线(由于拉矮河流域面积小,拉矮河洪峰比红沙河洪峰较早到达消水洞口,因此本次不进行拉矮河最大洪峰的叠加),根据现场洪痕测量,2019年拉矮河涝区最高洪水位为218.12m,经过一天时间,河道两岸农田不再受淹(225.0m)。
根据分析,2019年洪水约为30年一遇。本次通过2019年设计洪水过程及假定消水洞的过流能力,进行调洪拟合计算,确定各消水洞过流能力。
本次红沙河消水洞按两种方法进行计算,两种方法计算的消水洞过流能力接近,本次推荐采用历史洪水推算的消水洞过流能力。本次调洪计算成果与2019年调查到的历史洪水最高水位及退水过程接近,因此本次认为拟定的消水洞过流能力是合理的,即消水洞过流能力成果见表5-1和表5-2。
表5-1红沙河溶洞区洪水调节成果表
6、规划方案
6.1工程任务
由于大禄河河道严重萎缩,造成区域河段本工程主要以护岸为主,对局部河段进行扩宽、清淤和疏浚,连通大禄河至拉矮河河段,新建拉矮河排洪渠以便连通1#、2#消水洞,使大禄河、拉矮河满足5年一遇洪水标准。
6.2工程建设规模
大禄河段:大禄河段新建左、右岸护岸;同时疏浚扩宽河道。
拉矮河段:拉矮河段新建左、右岸护岸;同时疏浚扩宽河道。
排洪渠段:新开挖河道,主要承担排泄拉矮河部分洪水。
6.3工程建设规模
6.3.1计算工况
(1)红沙河与大禄河汇合口5年一遇设计洪水位为226.75m,大禄河受红沙河洪水位顶托,排泄能力较小,且下游河大仅有两米宽,过流能力较小;根据调洪计算,拉矮河消水洞连通工程实施后,拉矮河排泄能力大幅提高,因此本次在防洪标准下,大禄河上游洪水将主要由汊流拉矮河承担排泄任务,该断面5年一遇设计排水流量24.5m3/s。
(2)由于拉矮河直接排入1#消水洞,1#消水洞受过流限制,拉矮河区域容易形成涝区,排水时间缓慢,而2#消水洞排水高程为225.0m,而且位于村屯后山,并不是拉矮河的直排通道,当拉矮河洪水位壅高至225m左右时,洪水才越过农田及交通道路,由2#隧洞排出,共同承担拉矮河排泄任务。本次调查得到拉矮河拉显屯进村道路年年受淹(225.0m),给当地群众生活、学生上课带来不便,因此本次在防洪标准下(5年一遇),工程实施后,拉矮河区域防洪水位控制在225.0m以下。
(3)由于拉矮河涝区1#消水洞和2#消水洞之间受地形阻隔,并不能发挥2#消水洞最大消水能力,当拉矮河涝区水位达到225.0m时,2#消水洞才开始消水,因此,本次实施1#消水洞和2#消水洞连通工程,确保涝区能快速排洪,连通后2#消水洞排水高程为221.0m,设计连通渠道最大过流能力为24m3/s。
表6-1红沙河溶洞区洪水调节成果表
本次大禄河与拉矮河河口10年一遇设计洪水位为227.32m,而大禄河下游与红沙河汇合口水位10年一遇设计洪水高程227.15m,该河段大禄河整治宽度为3m,计算得到从汊口流向大禄河的流量为1.5m3/s,流向拉矮河的流量为29.1m3/s。同理,计算得到5年一遇洪水工况下,从汊口流向大禄河的流量为1.2m3/s,流向拉矮河的流量为23.3m3/s。
(4)拉矮河涝区调洪计算:本次实施1#消水洞和2#消水洞连通工程,确保涝区能快速排洪,连通后2#消水洞排水高程为221.0m,设计连通渠道最大过流能力为24m3/s,1#消水洞排水高程218.0m。1#消水洞和2#消水洞连通后泄流能力为:
表6-2 拉矮河1#和2#消水洞连通后总过流能力成果
(5)红沙河10年一遇、拉矮河2年一遇洪水遭遇工况调洪计算
当红沙河发生10年一遇时,红沙河涝区设计水位为227.05m,此时红沙河河段水面线成果如下:
表6-4 红沙河拉矮河段设计水面线成果表
在该工况下,根据测算,红沙河向拉矮河排泄流量10.2m3/s,本次拉矮河2年一遇设计洪峰流量为20.6m3/s,叠加后洪峰流量为30.8m3/s,超过了拉矮河设计防洪标准为5年一遇设计标准(29.4m3/s),因此本次红沙河向拉矮河排泄流量通过拉矮河5年一遇设计防洪标准进行设计。
由于拉矮河设计防洪标准为5年一遇,设计洪峰流量为29.4m3/s,本次拉矮河2年一遇设计洪峰流量为20.6m3/s,因此本次设计拉矮河与大禄河汇合口处最大泄流流量为29.4-20.6=8.8m3/s,可以保证红沙河遇到超标准洪水时,减轻红沙河涝区防洪压力的同时(减少淹没时间),拉矮河河段仍满足5年一遇设计洪水标准要求。
在该工况下,红沙河涝区向拉矮河最大排泄流量8.8m3/s,叠加拉矮河2年一遇设计洪水过程线,并进行拉矮河涝区调洪计算,计算成果如下:
表6-6消水洞连通后拉矮涝区洪水调节成果表(红沙河10年、拉矮河2年)
6.3.2工程实施效果
本次实施拉矮河1#消水洞和2#消水洞连通工程后,在5年一遇设计防洪标准下,最高洪水位为224.50m,不会淹没交通道路(225.0m),涝区洪水位较整治前5年一遇设计洪水位226.4m降低了近2m,整治效果非常明显;同时在遇到红沙河超标准洪水时,红沙河向拉矮河排泄洪水,减轻红沙河涝区防洪压力的同时(减少淹没时间),拉矮河河段仍满足5年一遇设计洪水标准要求,5年一遇拉矮河涝区最高水位224.55m,仍满足防洪标准要求。
7、结语
本次拉显村双溶洞涝区形成的涝区排泄规律复杂,通过对两个涝区进行洪水淹没过程调查,结合实测降雨资料,假定排涝隧洞过流能力,拟合历史洪水过程,确定天然溶洞排泄能力;针对工程排泄特性,采取新建排泄渠道、护岸工程、红沙河限排至拉矮河等工程措施,彻底解决涝区受灾问题,使区域满足设计防洪标准要求。
参考文献:
[1]刘建梅,范斌卫.岩溶内涝区水文计算分析[J].北方交通.2017(07).
[2]宋书巧.广西喀斯特地区洪涝灾害研究[J].广西师院学报(自然科学版).1998(01).