大三家河治理工程河道斷面設計計算與分析

劉 莢

(北票市水利規劃勘測設計院，遼寧 北票 122100)

大三家河治理工程河道斷面設計計算與分析

劉 莢

(北票市水利規劃勘測設計院，遼寧 北票 122100)

大三家河是大凌河的二級支流，涼水河一級支流，位于北票市的西部，發源于大三家鎮與哈爾腦鄉交界處的山脈上，自西北向東南流經北票市的大三家鎮，于臺吉鎮坤頭波羅匯入涼水河干河子。本次治理河段位于大三家鎮乃林皋村與廟下村交界處。文章通過對該段河道治理工程的斷面進行了設計與計算，最終確定了堤防的堤型，確保堤防符合防洪標準，工程竣工后將會有效地保護兩岸人民生命和財產安全，為當地經濟社會發展奠定基礎保障，也為類似工程建設提供參考和借鑒作用。

河道治理；工程設計；斷面設計；水利計算；探析

1 基本概況

大三家河是大凌河的二級支流，涼水河一級支流，位于北票市的西部，發源于大三家鎮與哈爾腦鄉交界處的山脈上，自西北向東南流經北票市的大三家鎮，于臺吉鎮坤頭波羅匯入涼水河干河子。屬丘陵的地形地貌[1]。流域面積97km2，區域河長21km，河道比降9.68‰。大三家鎮位于北票市西部，距北票市10km，東與臺吉鎮相接，西與哈爾腦鄉相連，南與雙塔區桃花吐鎮為鄰，北與西官營鎮接壤。朝北公路與101國道交匯于興隆溝村，大召線、大西線公路穿鄉而過。大三家鎮所轄9個村，51個村民組。總人口15729人，全鎮總面積0.99 萬 hm2，耕地總面積3 436 hm2。本次治理河段位于大三家鎮乃林皋村與廟下村交界處，治理河長3.00km，治理河段上游流域面積64.28km2，耕地面積340 hm2，人口1706人。

2 河道斷面設計計算與分析

2.1 工程等別和標準

大三家鎮位于北票市西部，距北票市10km，東與臺吉鎮相接，西與哈爾腦鄉相連，南與雙塔區桃花吐鎮為鄰，北與西官營鎮接壤。朝北公路與101國道交匯于興隆溝村，大召線、大西線公路穿鄉而過。大三家鎮所轄9個村，51個村民組。總人口15729人，全鎮總面積9 942 hm2，耕地總面積3 436 hm2。依據國家《防洪標準》(GB50201—94)的規定：以鄉村為主的防護區，應根據其人口或耕地確定相應的防洪標準。對于防護區耕地面積≤2 萬 hm2，人口≤20萬人，防護區等級應列為IV級，防洪標準應確定為20-10a(洪水重現期，下同)。據此，確定大三家河大三家鎮乃林皋段堤防工程級別為IV級工程，選定防洪標準為10a一遇[2]。

2.2 堤線布置原則

堤線布置遵守以下7個原則：

1)一個河段兩岸堤防的間距或一岸高地一岸堤防之間的距離應大致相等，不宜突然放大或縮小。

2)堤線應力求平順，各堤段用平緩曲線相連，不宜采用折線或急彎。

3)堤線的選擇要順應河勢，應使主流平順，并與大洪水主流方向大致平行。

4)堤線一般應修筑在地質條件較好，且比較穩定的基礎上。

5)堤線布置應與已建堤線相協調，充分利用原有堤防。

6)堤線布置時，應盡量多保護土地，少拆遷房屋等建筑物。

7)根據該河段實測平面圖根據上敘原則確定河寬35m。

2.3 堤防長度與河道清障

大三家河大三家段乃林皋段堤防治理總長度3.0km，其中左岸2.0km，右岸1.0km。在大三家河大三家鎮乃林皋段河道治理工程設計中，需對河道疏浚才能達到設計標準。本次設計需要清理河床斷面，形成人工河槽斷面增加過洪能力，以降低該段的設計洪水水位。為保證河道行洪的能力，以后需經常觀測淤積情況，及時進行河道清理[3]。

2.4 設計水面線計算

1)設計方法。河道恒定非均勻流水面曲線基本方程，即水流能量方程：

(1)

2)糙率分析[4]。根據洪痕等實測資料，糙率選擇根據實際河道查勘情況、河道特性及河床質組成資料，參考水力手冊和北票市地方資料確定糙率系數n取0.024。

大三家河大三家段乃林皋段堤防治理工程設計洪水水面線計算成果詳見表1。

表1 10a一遇設計洪水水面線成果表

2.5 護岸高程的確定

按《堤防工程設計規范》，依下式計算[5]。

Y=R+e+A

(2)

式中：Y為壩頂超高，m；R為設計波浪爬高，m；按《堤防工程設計規范》附錄C計算[6]；e為設計風壅增水高度，m；A為安全加高，m。

設計波浪爬高、設計風壅增水高度以治理段末端作計算斷面[7]。

1)風浪要素按下列公式計算：

(3)

2)風壅水面高度：

(4)

式中：e為計算點的風壅水面高度，m；K為綜合摩阻系數，可取K=3.6×10-6；V為設計風速，按計算波浪的風速確定；F為由計算點逆風向量到對岸的距離；d為水域的平均水深，m；β為風向與垂直于壩軸線的法線的夾角，°。

3)波浪爬高計算：

當m=1.5-5.0時，按下式計算：

(5)

經計算，Y=R+e+A=0.878m。

根據北票市河道治理經驗采用超高0.5m。堤頂高程應按《堤防工程設計規范》(GB50286—98)，工程級別為5級[8]，此工程不允許越浪，堤頂安全超高0.5m，確定堤防高度2.0-2.4m。

2.6 岸坡沖刷深度計算

該河段整治后河道基本平順，沒有連續彎，則護腳沖刷計算只需驗算水流平行于岸坡這種情況即可；護腳埋深的計算，采用《堤防工程設計規范》附錄D.2中所列公式計算[9]。

根據公式：

hB=hp×[(VCP/V允)n-1]

hB=hp×[(vcp/v允)n-1]

(6)

式中：hB為局部沖刷深度，m從水面算起；hp為沖刷處的水深，m；VCP為平均流速，m/s；V允為河床面上允許不沖流速，m/s(中砂取0.4)；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取1/4。

該河段整治石籠護岸沖刷深度計算結果見表2。

2.7 堤型選擇

壩體結構采用石籠形式[10]。石籠形式壩體共三層，地下一層，寬2.0m，高1.2m；中間層，高為1.0m，寬1.6m；頂層為高為1.0m，寬為1.0m。壩后利用疏浚砂料回填夯實。

表2 石籠護岸沖刷深度計算結果表

3 結 語

通過對大三家河治理工程河道斷面設計計算與分析，得出了該治理河段的安全超高值為0.878m，同時計算出了不同水位值時的堤頂高程，最終確定了河堤的堤型。通過以上各項計算論證，大三家河河道堤防工程設計是滿足防洪要求，合理、穩定、安全的。該次工程設計計算與分析為工程的實施提供了數據依據，也為類似工程建設提供了參考。

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1007-7596(2016)11-0050-03

2016-10-22

劉莢(1981-)，女，遼寧北票人，工程師，研究方向為農田水利。

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