河道治理工程設計探討

李 偉

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明 650051)

我國中小河流防洪減災體系薄弱，山洪、泥石流等自然災害威脅著人民生命財產安全，破壞了生態環境，影響了經濟社會的發展，因此加強中小河流的治理是十分必要的。河道治理設計中水面線的計算及防護形式的選擇對工程的安全、投資有著很大的影響，現對河道治理設計中水面線計算及防護形式選擇等相關問題進行探討。

1 水面線計算的分析

1.1 水面線計算方法的選擇

水面線計算是河道治理中的基礎性工作，對河道治理的工程量及造價有著直接的影響。根據河段的資料，水面線計算一般有以下幾種方法:

1)恒定非均勻漸變流方程法。恒定非均勻漸變流方程法將治理河段劃分為若干個河段，逐段推求。在每一河段內，根據實測的斷面資料、相應的洪峰流量、控制斷面的“水位—流量”關系及各河段糙率等邊界條件進行求解。計算的方程如下:z2=z1+其中，z1為起調水位;z2為計算斷面水位;α為動能修正系數;Q為流量;A為過水斷面面積;h1-2為兩段面之間的水頭損失。其中，hf為沿程損失;hj為局部損失;s為斷面間距;為平均流量;為過水斷面面積平均值;為斷面水力半徑的平均值;ξ為局部損失系數;v為斷面流速。2)曼寧公式法。曼寧公式法根據治理河段平面圖，布置若干控制斷面，采用曼寧公式計算。計算方程如下其中，n為河段的糙率;Q為流量;A為過水斷面面積;i為河段的縱向比降;χ為計算斷面的濕周。曼寧公式法將河道看作是體形規則的“天然渠道”，對于沿程較為規則的河段，該方法具有一定的適應性，但是天然河道一般形態多變，因此，該方法的精度有限。3)水面比降法。水面比降法是一種粗略的類比法，通過調查河段近年的洪水位，確定水面的比降，再根據控制斷面推算整個河道的水面。該法只適用于資料缺乏的河段。河道治理設計中推薦采用恒定非均勻漸變流方程法，其余的兩種方法可作為一種粗略的校核。

1.2 計算軟件的選擇

河道水面計算常用的軟件主要有:1)美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的HEC—RAS軟件，該軟件以能量方程為基礎，可以計算一維恒定流和非恒定流河道水面線。2)荷蘭代爾夫特水力學所及有關機構聯合開發的SOBEK軟件，該軟件以一維圣維南方程為基礎，計算河道水面線。現以云南省彝良縣洛澤河角奎鎮附近的河道水面線計算為例，對以上兩種軟件進行對比分析。計算洪水標準為20年一遇，洪峰流量1 621.00 m3/s，河道為緩流，控制段選擇在下游，計算起始斷面水深為832.45 m，河道糙率綜合取值為0.04。SOBEK軟件迭代初始水深為0.0 m。

水面線計算成果見表1及圖1。

表1 洛澤河沿程水面線計算成果表

圖1 洛澤河沿程水面線計算成果

根據表1計算成果，HEC—RAS軟件的計算成果略大于SOBEK軟件，最大差值約0.2 m，HEC—RAS軟件計算結果更偏于安全一些。由于HEC—RAS軟件運行費用遠低于SOBEK軟件，且成果整理也較為簡便，因此實際設計推薦采用HEC—RAS軟件。

2 河道防護形式的選擇

2.1 傳統的河道防護措施

傳統河道防護多采用剛性防護措施，主要為漿砌石防洪墻、漿砌石(鋼筋混凝土)護坡等，結構抗沖刷及破壞的能力強，能夠適應較惡劣的自然環境。但傳統剛性防護很少考慮工程措施對生態環境的影響，阻斷了河道與外界的環境交流。

2.2 現代河道防護措施

現代河道防護多采用生態防護措施，主要有植物護坡、格賓石籠、生態袋護坡、生態混凝土等措施。其優點是在滿足工程結構安全的基礎上，達到了河流與外界環境的協調統一，實現了河道的持續發展。其缺點是生態防護措施的強度不大、抗沖刷能力較差，不適宜流速大的部位。各生態防護措施優缺點的對比見表2。

表2 各生態防護措施對比表

2.3 河道防護形式的選擇

河道治理的目的不同，選擇的防護形式亦應有所區別。防護形式的選擇應“因地制宜”，充分考慮水力條件、天然建筑材料、施工、維護等因素，設計中應充分體現“生態治理、親近自然”的理念，避免河道治理的“渠道化”，盡量不改變現有河道的走向及岸坡結構，減少二次生態破壞。流速不大的河段，應優先采用生態防護措施，盡量避免防洪堤的新建，如必須新建則應優選生態護坡土堤。流量較大、流速較高的河段，應首選防沖能力較強的防護結構，沖刷較深的河段宜選擇剛性防護。

3 結語

1)河道治理設計中推薦恒定非均勻漸變流方程法。根據實例計算，HEC—RAS軟件計算結果更偏于安全一些，由于HEC—RAS軟件運行費用遠遠低于SOBEK軟件，且成果整理也較為簡便，因此實際設計推薦采用HEC—RAS軟件。2)河道治理應根據不同的治理目的，選擇適宜的防護方案，在滿足河道防洪安全的前提下，應大力推廣和使用生態防護措施，促使人與自然和諧發展。

［1］李 煒.水力計算手冊［M］.第2版.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］劉 洋.幾種水面線推算方法的比較［J］.人民黃河，2011(2):51-53.

［3］夏繼紅，嚴忠民.生態河岸帶研究進展與發展趨勢［J］.河海大學學報，2004，5(3):252-255.