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桩式丁顺坝在石葵河道治理中的应用研究

  桩式丁顺坝相对于单一的丁坝形式,优化和改进了其作为河工建筑物的功能性,下面是小编搜集整理的一篇探究桩式丁顺坝治理问题的论文范文,欢迎阅读参考。

  引言

  石葵河位于云南丘北县境内东北部,属珠江流域西江水系清水江支流。石葵河流域西高东低,河道上、下游河床平缓,淤积严重,水灾频繁,中游段河床坡降大。石葵河河道弯曲,河堤低矮,外加河道上取水、跨河建筑物较多,阻水严重,每年因洪涝灾害造成的经济损失巨大,给沿河两岸的城镇居民及农业发展带来严重影响,防洪排涝形势严峻。通过对石葵河的河道治理,使石葵河沿河两岸的居民和基本农田防洪能力得到提高,免遭洪水侵袭,减少洪灾损失,保障区域人民群众的生命财产安全,降低洪涝灾害风险,为当地社会经济的和谐发展起到积极的促进作用。

  1治理问题研究

  1.1问题分析

  石葵河洪水灾害发生频繁,究其原因,可归结为以下几点。

  (1)丘北县属低纬度亚热带高原气候,降水量具有明显的季节性,多集中于5-10月份,占全年降水量的84.2%,11-4月为旱季,受来自西北的干冷气流控制,空气干燥,降水稀少,降水仅占年降水的20%以下。干湿两季分明的特点,导致径流的年内分配不均,春旱突出。石葵河流域多年平均降水量为1 050mm。由于受地形影响,降水量在全县分布随地形升高而增大规律明显,红旗水库坝址以上流域多年平均降水量为1 274.0mm,普者黑以上为1 203.8mm,下游清水江段为1 000mm。据气象站历年实测资料统计,多年平均气温16.3℃,极端最高气温35.7℃;极端最低气温-7.6℃;多年平均日照2 046h。最热月为7月,平均气温达26.8℃;最冷月为1月,平均气温为3.2℃,年无霜期275d,年降水变化为670.9~1 467.5mm,多年平均降水量为1 178.2mm。其水文气象条件变化幅度大,地形条件复杂,易造成洪涝灾害。

  (2)石葵河径流面积283.07km2,径流量1.512亿m3,河段集水面积2 743.6km2,流域内洪水主要由暴雨产生,年最大暴雨多发生在6-9月。据流域内水文站点资料分析,洪水多发生在6-9月份,其中60%以上发生在7-8月份。一次暴雨多集中在3d内,一次洪水主要由24h暴雨形成,数天后又快速消逝,雨量集中、强度高、破坏力大,水位大涨大落。

  (3)流域内自然植被及生态环境遭到破坏,水土流失严重。

  (4)由于河道沿岸的农田灌溉完全依赖石葵河取水,村民在河段擅自修筑取水坝21座,汛期来临时洪水携带大量泥沙冲向河道,造成泥沙在取水坝上游淤积、河床抬高,有效行洪断面变窄。石葵河治理段河流纵断面和各控制断面所处位置见图2。

  (5)整个河道走势曲折多弯,洪水来时冲向河流弯曲段的凹岸,与岸坡相互顶托,易发生决堤、漫堤现象。

  (6)石葵河流经地段为山区,整个河道现状仍属于自然行洪状态,且无防洪建设资金投入,未实施过河堤护岸设施,防洪基础脆弱。

  综上所述,石葵河治理须解决防洪基础薄弱、河床泥沙淤积以及沿岸农业生产的取水等突出问题。

  1.2解决方案

  在分析了以上可控因素后,基于对石葵河具有山区河流特征的考虑,选择铅丝石笼井柱桩结合丁顺坝亦即桩式丁顺坝作为石葵河整治建筑物进行设计。

  桩式丁顺坝除满足基本的防洪导流、护岸固堤外,尤其要在河道的弯曲段进行布置,以避免弯曲段遭受洪水的淘刷以及泥沙在凸岸的淤积,从而达到控制河势、约束水流、稳定河道的目的。通过对其合理的设计,沿岸的农业生产用水可由坝前壅水提供。由此可见,桩式丁顺坝可以较好地解决河道治理中存在的突出问题,并满足实际生产需要。

  另一方面,水流对坝体的冲刷问题,尤其坝头的最大冲深问题,一直都是不容忽视的。而丁顺坝的顺坝部分可以使水流平顺,所以它同时兼有丁坝和顺坝的作用,将有助于上述问题的解决。

  由丁顺坝的相关理论分析得出:

  (1)因丁顺坝的顺坝(勾头段)与水流方向的夹角很小(甚至可为零),对坝后的水流具有一定的引导作用,但并未影响到主流的流态,对上下游水位影响也不明显,改变了坝头周围水流的流态,这样便减弱了坝头挑流流线的急剧性变化,从而降低了冲刷程度。

  (2)较长勾头段的存在,隔离了部分回流与主流的接触边界,切断了主流区和回流区部分水流的交换,使坝下游的流速有所降低。

  (3)无论是在淹没条件或是非淹没条件下坝头的流速都有一定程度的降低,有利于解决坝头冲刷这个长期存在的难题。

  2技术可行性研究

  2.1生产取水

  因植被遭到破坏,水土流失严重,沿岸农业生产的不合理取水加剧了河道冲刷并进一步导致了泥沙淤积,故优先解决农田的灌溉需求迫在眉睫。作为拦河建筑物,桩式丁顺坝显然具有壅高坝前水位的作用,且具有结构简单、施工机械化程度高、运用安全可靠、可适应各种洪水标准、占挖耕地少等优点,故可为沿岸的农田提供生产用水。

  2.2防洪护岸

  得益于桩式丁顺坝布置的灵活性与适应性,可在河道冲刷严重的治理段、水流与河岸夹角较大的弯曲段、支流与河道的交叉口处等控制点布置该坝。桩式丁顺坝本身具有挑流护岸的作用,且坝身具有透水性,对主流及行洪影响较小,抗冲性较好,其坝后水流平缓,有利于保滩促淤以及某些水生动物的生长繁殖。

  2.3冲淤问题的解决

  针对泥沙(推移质)淤积问题,这里从推移质输沙率的角度分析。采用以流速为主要参数的方法,由沙莫夫提出的非均匀沙公式:

  上式表明推移质输沙率gs与断面流速v4成正比,水流流速有微小的改变就会极大地影响推移质的输沙率。河流横断面上的流速分布是不均匀的,主流带流速大,泥沙(指推移质)集中在这一带上运动。石葵河河床平均坡降1.218%,平均落差12.13m/km,宽浅河道,而输沙率与流速的高次方成正比,故考虑采用“束水攻沙”的方法:通过拦河坝即桩式丁顺坝建设及合理布置,束窄河床,增大流速,以达到输沙的目的,解决泥沙淤积问题。

  鉴于以下两方面的考虑,可有效削弱由“束水攻沙”引起的对于行洪的影响:

  (1)由于石葵河河道一年内大部分时期处于枯水期,枯期内平均河宽21m,平均水深1.3m,河道相对宽浅。通过对于河道的清淤处理,经计算比较,清淤后丁坝的断面处的实际过流能力较之原河道反而略有提高。如此可消除丁顺坝的修建对于行洪的影响。

  (2)桩式丁顺坝坝长L设计为河宽B的1/3,短式丁坝、下挑、坝体本身透水,透水率30%,对主流及行洪影响不大。故由河工建筑物的合理设计也可一定程度的缓解行洪压力。

  3结语

  桩式丁顺坝相对于单一的丁坝形式,不仅保留了普通丁坝本身所具有的特点,并且优化和改进了其作为河工建筑物的功能性,使得它可以兼顾多方面的要求并应用于石葵河的治理工程。关于桩式丁顺坝具体的应用设计以及实际的运用效果尚需进一步的分析、研究和检验。

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