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(四)部分堤段堤顶宽度不足,临河堤坡较陡
黄河下游堤防有50%以上的堤段堤顶宽度为7~10米,严重不满足现代抢险交通需求。
部分堤段临河侧边坡不满足抗滑稳定需求。
(五)继续建设的急迫性
由于存在上述问题,黄河大洪水期间,在堤防的背河侧常出现管涌、渗水、滑坡、陷坑、漏洞等险情,险象环生。
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8”洪水期间,堤防出现裂缝5280米,渗水40383米,较大管涌群8处,其中河南封丘荆隆宫堤段在距背河堤脚约300米处发现管涌。
对堤防安全造成严重威胁。
2003年9~10月,黄河流量仅2500立方米每秒左右,兰考蔡集控导工程附近生产堤决口,兰考、东明约40公里堤防临水,偎堤水深1.7~4.9米,造成临河堤坡脚滑塌、背河渗水、管涌等严重险情。
全线背河侧均出现大范围的明水区。
黄河下游临黄大堤是黄淮海平原经济社会稳定发展的重要屏障。
除堤防本身存在重大质量问题外,部分河段河势还没有得到有效控制,“二级悬河”严重,堤沟河较多,当发生大洪水和中常洪水时,仍有“横河”、“斜河”直冲、顺堤行洪淘刷堤防,稍有不慎,仍有可能“冲决”、“溃决”堤防。
为确保大堤防洪安全,保障黄淮海平原经济社会稳定发展,急需进行标准化堤防建设。
二、堤防设计标准及设计流量
根据黄河堤防保护区经济社会状况及《堤防工程设计规范》(以下简称《规范》),黄河下游堤防为1级,需要说明的是,黄河下游堤防保护范围及保护对象远远超过《规范》规定的上限,堪称超级堤防。
设防流量仍按国务院批准的防御花园口22000立方米每秒,考虑到河道沿程滞洪和东平湖滞洪区分滞洪作用,沿程主要断面设防流量为:
夹河滩21500立方米每秒、高村20000立方米每秒、孙口17500立方米每秒,艾山以下11000立方米每秒。
三、堤防加固
(一)加固措施
黄河下游堤防曾经采用过放淤固堤、后戗、前戗、压力灌浆,以及截渗墙等加固措施。
经过长期的实践证明,放淤固堤优点最为明显:
一是可以显著提高堤防的整体稳定性,有效解决堤身质量差问题,处理堤身和堤基隐患;
二是较宽的放淤体可以为防汛抢险提供场地、料源等;
三是从河道中挖取泥沙,有一定的疏浚减淤作用;
四是淤区顶部营造的生态林带对改善生态环境十分有利;
五是长期实施放淤固堤,利用黄河泥沙淤高背河地面,淤筑“相对地下河”,可逐步实现黄河长治久安。
同时该措施已受到沿黄地方政府的大力支持。
因此规划选定放淤固堤为下游堤防加固的主要措施。
(二)加固断面
黄河发生大洪水时,在堤防的背河侧常出现管涌、渗水、滑坡、陷坑、漏洞等险情,如果抢护不及,就可能导致堤防“溃决”,造成重大灾难。
根据历史险情调查资料统计,背河堤坡发生渗水、滑坡和漏洞的具体位置有很大的差别,渗水位置一般低于临河水位2米左右,漏洞位置最高时接近临河水位。
背河堤脚以外发生渗水、管涌、陷坑,一般集中在距堤脚100米范围以内,最远的曾在堤脚200米以外。
为了基本覆盖背河地面经常出现险情的范围,保证堤身背河侧不再发生漏洞、滑坡等,结合黄河建设相对地下河的要求,近期规划放淤固堤宽度为100米,高度比设计洪水位低2~3米。
在淤背体的边坡和顶部用壤土进行包边盖顶,厚度为0.5米。
(三)淤区顶部措施
为防止淤区引起的风沙和改善黄河河床泥沙引起的风沙对周边环境的影响,并为防汛抢险提供料物,在淤区顶部营造生态林带。
四、堤顶宽度、堤防边坡、堤顶道路
(一)堤顶宽度
黄河下游临黄堤防不仅是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分,也是防汛抢险的交通要道。
黄河下游堤防堤顶宽度的确定主要考虑到堤身稳定要求、防汛抢险、工程正常运行管理等需求因素。
确定堤顶宽度的原则是:
在满足《规范》的基础上,充分考虑防汛抢险交通及工程正常运行管理的需要。
随着社会的进步,防汛抢险的手段有了很大的变化,由以前的以人工为主逐渐向以机械为主发展,在以后的防汛抢险中,将以机械化为主。
但是,由于机械化抢险的车型大,必须要有与其相适应宽度的通行道路,否则其优势将难以发挥。
目前,在大多数河段黄河大堤是唯一能够到达堤防出险地点的交通道路,所以堤顶的宽度必须满足抢险机械和抢险料物运输的交通要求,并充分考虑会车、调头等因素。
尤其是抢险料物运输,满载料物的车辆一般较宽,达4~5米,往往是一车挡道,万车难行,影响整个抢险交通。
为满足抢险交通的需求,并考虑工程管理因素,黄河下游一级堤防堤顶的宽度拟定为12米。
(二)临河侧和背河侧边坡
根据稳定分析,临河侧和背河侧边坡均为1∶3。
(三)堤顶道路
黄河下游雨汛同季。
遇到雨天,不硬化的堤顶,泥泞难行,不仅难以保证防汛抢险的交通需要,车辆通行也破坏了大堤堤顶,还会对大堤安全构成威胁,亟须改善。
小浪底水库建设前,黄河下游堤防一直通过加高和河床淤积抬升赛跑,堤防频繁加高时硬化路面处理较难。
小浪底水库建成运用,其拦沙减淤作用,使2015年以前堤顶高度基本满足要求,为堤顶道路硬化创造了好的条件,堤顶道路硬化后可以利用较长的时间。
本次规划将1级堤防堤顶道路参照3级公路路面硬化,路基宽6.5米,路面宽6米。
五、防浪林
在洪水期间,黄河下游河道水面开阔,风浪对堤防的破坏相当严重。
此外,由于过去黄河堤防历次加高和培厚多在临河一侧取土,在临河大堤堤根附近形成了低洼地带及堤河,尤其是近年来“二级悬河”局面加剧,增大了顺堤行洪的可能性。
同时,洪水漫滩后,风浪对大堤的冲击和冲刷严重,狂风掀起大浪,堤身安全将受到严重威胁。
防浪林带的主要作用表现在,一是能够有效地防止风浪对堤防的破坏,减少堤防的防汛压力;
二是在洪水漫滩后,能够有效地消耗水流能量,减缓顺堤行洪的流速,减轻水流对堤防的直接破坏;
三是能够有效地缓流落淤、加快沿堤低洼地带的淤积抬高,使槽高、滩低、堤根洼的不利局面得以改善;
四是能够为黄河防汛提供较好的抢险料物。
2003年华西秋雨期间,菏泽东明滩地进水,偎堤水深4~5米,当时受大风影响,没有种植防浪林的堤段临河堤坡淘刷严重,经过抢险才得以控制;
而种植了防浪林的堤段,临河堤坡受到的影响很小。
本次规划在临河种植防浪林,根据消浪计算,高村以上防浪林带宽度为50米,高村以下为30米。
六、规划工程安排情况
扣除沁河口以上堤段以及达到加固标准的堤段,规划加固堤段长1273公里,帮宽堤段长1193公里,修建堤顶道路长1324公里,种植防浪林带长912公里,近期全部完成。
按照上述措施,加固后的堤防,在防浪林辅助下,构成下游防洪安全保障线;
由硬化完成的堤顶道路,在上堤道路的辅助下,形成抢险交通线;
由淤区顶部适生林防治风沙,改善生态环境,形成生态景观线。
黄河下游堤防抗洪能力达到国家设计标准的要求,在河道整治工程配合下,加上沿河军民的严密防守,保证花园口22000立方米每秒不决口,保障黄淮海平原经济社会稳定发展,为维持黄河健康生命发挥重要作用。
黄河下游河道整治
黄河水少沙多、水沙关系不协调,致使黄河下游河道游荡摆动剧烈,不断淤积升高。
河势游荡摆动极易在洪水时发生“横河”、“斜河”,直冲临黄大堤,可能造成堤防被冲决,也冲毁滩区群众的村庄、土地。
为了减少“横河”、“斜河”直冲大堤的机遇和滩区群众村庄、滩地被冲毁的机遇,需要依赖完整的河道整治工程,稳定河势。
一、河道整治工程现状及存在问题
人民治黄以来,在充分利用险工的基础上,自下而上修建控导工程进行河道整治,险工和控导工程相互配合,共同控导河势。
险工是指紧邻大堤修建的丁坝、垛、护岸(统称坝垛),是历史上堤防抢险的产物,主要保护堤防安全,与控导工程共同控制河势。
控导工程是在滩岸前沿修建的坝垛工程,主要是控导河势。
险工属于堤防的重要组成部分,专门规划,以下主要指控导工程。
黄河下游共有控导工程205处,坝垛3887道,工程长度351公里。
这些工程发挥了控制河势,缩小主流游荡范围,减少“横河”、“斜河”发生的几率,减轻了冲决大堤的危险。
河道整治存在的主要问题有:
黄河下游高村以上宽河段河道冲淤变化剧烈,主流游荡不定,一旦流势突变,可能造成堤防“冲决”。
该河段长度仅占下游的34%,淤积量却占下游的50%~60%,河势变化频繁,整治河道、稳定河势的难度很大。
20世纪70年代以来,建设了一部分工程,对减少主流游荡范围,减少“横河”和“斜河”的机遇起到了一定作用。
但是目前该河段布点工程还没有完成,已建工程长度不足,整治工程不配套、不完善,还不能有效控制河势,主流仍然游荡多变。
目前高村以下河段河势已得到基本控制,近十余年在长时间小流量作用下,造成局部河段河势上提下挫,塌滩形成新弯、工程脱溜等不利局面。
部分控导工程是在抢险的基础上修建的,极不规则,不能适应河道整治的需要,同时由于近年来黄河下游水沙条件的变化,有些河段工程平面布局不合理,影响导流效果。
随着河道的不断淤积抬高,现有控导工程部分顶部高程不能满足设计要求。
据统计,下游控导工程3887道坝垛中,高度不足的坝垛2000道左右,占总数的一半以上。
根石是坝垛的基础,它是经水流冲淘坝基及时补充块石等料物形成的。
一般来说,根石深度达到9~12米,坡度达到1∶1.5左右较为稳定。
目前大多数工程普遍存在着根石坡度陡、深度浅、工程自身稳定性差等问题,不能满足稳定要求。
二、整治方案及规划治导线
在黄河下游河道整治过程中,曾实施过湖渠化治理、江洲治理(麻花型治理)和弯曲型治理等方案。
根据多年来实践经验,微弯整治在窄河段取得了很大成效,在宽河段也逐步得到了推广应用。
规划期间,又对微弯整治方案和对口丁坝整治方案进行了大量研究,认为黄河下游游荡型河道实施的微弯整治方案对小浪底水库运用具有一定的适应性,本次规划仍然采用中水流量微弯型整治方案,即在河道凹岸修建工程,控导主流,稳定河势。
整治流量是整治河道的控制流量,是确定整治线、整治建筑物设计的依据,黄河下游河道继续采用中水流量整治。
1986年以来,黄河下游来水来沙明显减少,河槽淤积发展迅速,平滩流量由1985年以前的6000立方米每秒左右减小到2000~3000立方米每秒。
由于主槽流量减小,易出现小水坐湾,出险几率增加。
规划采用前苏联马卡维也夫法对小浪底水库运用后的下游造床流量分析,500~1000立方米每秒流量级出现的频率大,且一般为清水冲刷,造床作用大;
2500~3000立方米每秒水库排沙,含沙量大,造床作用也大;
3500~4000立方米每秒水库为敞泄排沙,水流动能大,造床作用强烈。
综合考虑平滩流量及造床流量分析结果,结合黄河下游游荡型河道河床演变特点和水沙的变化趋势,尤其是小浪底水库的初期调水调沙运用,本次规划将整治流量由原来的5000立方米每秒调整为4000立方米每秒。
据此,利用小浪底水库建成后的水沙条件进行了物理模型试验、数学模型计算,对宽河段治导线进行了修订。
治导线修订的重点在东坝头以上河段。
本次规划将排洪主流带宽度由原来的2.5~3公里缩窄为2~2.5公里,东坝头以上河段的整治河宽由1200米减少为800~1000米,并对河湾要素进行了调整。
修订后的规划治导线主要参数如下:
白鹤至花园镇整治河宽为800米,花园镇至高村1000米、高村~孙口800米、孙口至陶城铺600米。
排洪主流带宽度为2~2.5公里。
以现状河势和充分利用现状工程为基础,在陶城铺以上布置了节点工程69处。
三、河道整治工程布设
根据规划治导线和水沙条件的变化情况,为了控制河势,按照“控导主流,因势利导,以坝护弯,以弯导流”的原则布设工程。
黄河下游现有河道整治工程可分为凸出型、平顺型和凹入型三种型式。
其中凸出型和平顺型工程由于不能控制流向,因而其控导河势的效果较差,而凹入型工程不但能适应不同的来溜方向,而且导溜送溜能力强,能很好地控制河势,因而是比较理想的平面布置型式。
规划控导工程按凹入型布置,遵循“上平、下缓、中间陡”的原则,同时有计划地改善一些凸出型和平顺型的型式。
根据水流变化特点,同时要考虑工程处的河势条件,同一河湾工程的不同部位要布置不同的整治建筑物。
丁坝挑流能力强,一般布置在弯道的中下段;
垛迎托水流,消减水势作用较大,一般布置在弯道上部,以适应不同的溜势;
护岸一般修在两垛或两坝之间,防止正溜或回溜淘刷,危及坝垛的安全。
因此在工程平面布置时,一般上段布置垛,中下段布置丁坝,个别地方辅以护岸。
对于现有工程已偏离治导线,影响到工程控导河势的能力,在改建时应根据治导线来重新确定工程位置线,按照新工程位置线来改建工程。
四、控导工程设计标准及主要结构
控导工程设计标准:
陶城铺以上控导工程坝顶高程按2000年4000立方米每秒流量水位加超高1米确定,陶城铺以下按滩面平均高程加0.5米确定;
陶城铺以上河段平均稳定冲刷水深为12米,陶城铺以下为9米。
黄河下游现有整治工程多数为土石结构,通常采用土坝体外围裹护防冲材料的型式。
一般分为坝体、护坡和护根三部分。
土坝体一般用壤土填筑,护坡用块石抛筑,基础护根用块石、铅丝笼、柳石枕、混凝土四脚体抛筑,经多次抢险加固后逐步达到稳定。
工程由连坝和坝垛构成,连坝为土体结构,丁坝由土坝体及裹护体组成,平均坝长100米。
土坝体顶宽15米,边坡1∶2;
裹护体顶宽1米,内坡1∶1.3,外坡近期1∶1.5,远期达到1∶2.0。
为增强抗冲能力,裹护体材料采用散抛石、铅丝笼及混凝土四脚体。
河道整治工程修建时应充分考虑下游河道演变的特点,加强新结构、新工艺、新材料研究,多建不抢险坝或少抢险坝。
规划中为了减少出险次数,除继续采用传统的土石结构外,在控导工程新建、续建结构中增加了少抢险坝的比例,主要是混凝土桩坝等。
五、规划工程安排
规划将高村以上河段作为河道整治的重点,主要是完成布点工程,完善已有工程,使河势得到基本控制。
规划下游近期新建续建控导工程工程98处,长度156.7公里,其中高村以上53处,长度111.4公里;
高村以下45处,工程长度45.3公里。
为充分发挥现有工程控导河势、保护堤防安全的作用,规划对不满足防洪要求的控导工程进行全面加高、改建加固,提高工程自身的抗洪能力。
规划近期完成控导工程加高加固177处、坝垛3669道;
远期加固控导工程202处、坝垛4618道。
规划工程实施后,河势变化较大的高村以上河段河势将得到有效控制,高村以下河段河势控制效果得到进一步提高,明显减少“横河”、“斜河”形成的几率,有效防止主流直冲大堤的状况,减少主流直接冲毁村庄和滩地的情况,并提高引黄取水的保证率。
构建水沙调控体系
调水调沙
针对黄河水沙关系不协调的基本特性,建设水沙调控体系,利用水沙调控体系将水沙过程重新进行塑造,改变黄河水沙关系不协调的自然状态,使之尽量适应河道的输沙特性,减少河道淤积,并恢复和维持中水河槽行洪排沙能力。
一、调水调沙,减少河道淤积,恢复中水河槽行洪能力
小浪底水库投入运行以后,具备了调水调沙的工程条件。
从2002年开始,每年都进行了调水调沙。
2002~2004年,相继开展了三次不同模式的调水调沙试验,以后进行了五次调水调沙生产运行。
八次调水调沙,实现了黄河下游河道主槽的全线冲刷,恢复了主槽的行洪输沙能力,通过联合调度万家寨、三门峡和小浪底水库成功地塑造人工异重流并实现小浪底水库异重流排沙,提高了水库排沙比,减少了库区泥沙淤积,深化了对河道、水库水沙运动规律的认识,取得了宝贵经验。
今后要把调水调沙作为处理黄河泥沙、减轻河道淤积的一项战略措施,以小浪底、三门峡、陆浑、故县等现有水库为基础,不断完善水沙调控体系,针对不同的来水来沙条件、水库蓄水淤积及下游河道淤积情况,长期坚持不懈地实施水库调水调沙,减轻水库及下游河道淤积,恢复主槽行洪能力,塑造并维持黄河下游中水河槽,逐步实现维持黄河健康生命的终极目标。
二、水沙调控体系布局
水沙调控体系主要由已建的干流龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底和规划的碛口、古贤、黑山峡水库7座骨干工程,以及支流已建的陆浑、故县水库和规划河口村、东庄水库组成。
鉴于洪水泥沙主要来自中游地区,而水量主要来自上游地区,需要采取不同的水库群组合联合运用,形成上游干流骨干水库群及中游干支流骨干水库群两个子体系。
对于中游水库群,利用三门峡、小浪底、陆浑、故县、河口村等干支流水库的防洪库容调节洪水,有效削减超过下游堤防设计标准的洪水;
利用碛口、古贤、小浪底等水库拦沙库容拦减泥沙,大幅度减少进入下游河道的泥沙,减缓河道淤积,降低潼关高程;
利用以小浪底、古贤为核心的中游干支流水库联合调水调沙,恢复、塑造并维持下游河道4000~5000立方米每秒的中水河槽,长期减轻下游河道淤积,降低并尽量维持潼关高程。
上游的龙羊峡、刘家峡、黑山峡骨干工程组成上游水量调控子体系,黑山峡水库对龙羊峡、刘家峡反调节,调水调沙,恢复和维持内蒙古河道中水河槽行洪排沙能力,并为下游水沙调控体系调水调沙提供动力;
调节凌汛期径流过程,控制造成凌洪灾害的凌汛期槽蓄水量。
中游支流泾河东庄水库拦沙和调水调沙对渭河下游防洪减淤具有重要作用。
三、水沙调控体系建设意见
针对黄河防洪减淤存在的问题,规划近期加强古贤水利枢纽、河口村水库、东庄水库前期工作,继续深化黑山峡河段工程的前期论证;
近期建成河口村水库,开工建设古贤水利枢纽和东庄水库;
远期2025年以前建成古贤水利枢纽、东庄水库,并适时开工建设黑山峡水利枢纽。
(一)黄河古贤水利枢纽
1.建设的必要性
2000年正式投入运用的小浪底水库,利用拦沙库容拦沙100亿吨,并且利用拦沙期较大的库容和正常运用期10亿立方米库容长期调水调沙,在拦沙期内,使下游河道减淤相当于20年的淤积量76亿吨,萎缩的中水河槽泄洪排沙能力恢复到4000~5000立方米每秒。
拦沙期完成以后,由于小浪底水库长期调水调沙库容所限,每年只能减少下游河道淤积0.4亿吨,下游河道每年还要淤积2.6亿~3.0亿吨,中水河槽逐步萎缩。
从2004年以后的调水调沙,通过联合调度万家寨、三门峡和小浪底水库成功地塑造人工异重流排沙出库,目的是真正实现水沙同调,塑造适合河道泄洪排沙的水沙过程。
由于万家寨、三门峡水库提供的动力不足,出库泥沙虽然逐次提高,但仍然偏少。
究其原因,一是两座水库的库容偏小,蓄水量十分有限;
二是万家寨水库距三门峡水库太远,联合精确调度难度较大。
这说明仅靠万家寨、三门峡水库还难以满足为水库联合调水调沙增加后续动力的要求。
从减缓下游河道淤积和为小浪底水库调水调沙提供动力两个方面看,均急需兴建古贤水利枢纽。
若古贤水库及时投入运用,还可以更好地实现1+1>
2的减淤效果。
2.古贤水库的作用
规划的古贤水库位于黄河北干流河段下段,上距碛口坝址235.4公里,下距壶口瀑布10.1公里,控制流域面积49万平方公里。
可以控制河龙区间的全部洪水和入黄泥沙9.38亿吨(约占全河泥沙的59%)。
水库总库容153亿立方米,有效库容48.5亿立方米,拦沙库容104.5亿立方米。
利用古贤水库拦沙和以小浪底、古贤水库为主联合调水调沙,2020年以后60年,下游河道每年淤积量由2.6亿~3.0亿吨减少至0.9亿~1.2亿吨,基本维持中水河槽过洪流量4000立方米每秒左右;
可以减少禹门口至潼关河道淤积量54亿吨,相当于该河段52年的淤积量,可使潼关高程降低1.5~2米,潼关高程降低,对渭河下游治理具有巨大作用。
水库运行还与小北干流放淤配合,塑造高含沙水流,实现有计划的人工放淤。
该水库还可以减轻三门峡水库淤积。
(二)沁河河口村水库
小浪底水库至花园口区间流域面积3.6万平方公里,是黄河下游洪水的主要来源区之一,目前还有2.7万平方公里(小浪底、陆浑、故县至花园口区间)没有水库工程控制,无控制区百年一遇和千年一遇设计洪水洪峰流量分别为12900立方米每秒和20100立方米每秒;
考虑该区间以上来水经三门峡、小浪底、陆浑、故县四座水库联合调节运用后,花园口百年一遇和千年一遇洪峰流量分别达15700立方米每秒和22600立方米每秒。
由于该类洪水上涨速度快,预见期短,将使长期不临水的黄河下游大堤迅速高水位临洪,对堤防安全威胁较大。
规划的河口村水库位于沁河最后一段峡谷出口五龙口以上约9公里,控制流域面积9223平方公里,占无控制区面积的37%。
水库总库容3.47亿立方米,长期有效防洪库容2.39亿立方米。
开发任务是以防洪为主,兼顾供水、灌溉、发电、改善生态。
水库建成以后,与小浪底、三门峡、陆浑联合防洪运用,可减少黄河下游10000立方米每秒以上的洪量0.5亿~2.3亿立方米,削减花园口洪峰1000立方米每秒左右,进一步减轻黄河下游的防洪压力。
对沁河下游,可将小董站百年一遇洪峰流量由7110立方米每秒削减到4000立方米每秒,设防流量的重现期由二十五年一遇提高到百年一遇,大大减轻沁河下游的洪水威胁。
此外,与小浪底等水库联合调水调沙运用,实现小浪底水库下泄水流和伊洛沁河来水在花园口“对接”,减少黄河下游河道淤积。
(三)泾河东庄水库
在三门峡水库运用初期,由于原设计对泥沙问题估计不足,三门峡库区淤积,潼关高程迅速升高,造成渭河下游河道严重淤积,防洪形势陡然严峻。
之后,
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