基于水文水力計(jì)算方法的堤頂高程校核

李煒軒 陳海濤 黃鑫 張發(fā)旺 郭純青

摘 要：河道理論堤頂高程計(jì)算分析是河道治理和管理的重要基礎(chǔ)。以汾河流域?yàn)槔ㄟ^水文水力計(jì)算方法，結(jié)合河道擋水建筑物的分布，計(jì)算設(shè)計(jì)堤防堤頂高程。分析結(jié)果顯示：樁號(hào)0+800～1+200段進(jìn)行加固處理；樁號(hào)1+400～5+200段對(duì)堤防實(shí)行嚴(yán)格的管理制度；樁號(hào)5+400～7+800段局部現(xiàn)狀堤頂高程低于設(shè)計(jì)堤頂高程，綜合考慮，堤防進(jìn)行加固處理綜合效益更高。上述成果解決了無徑流資料流域洪水推求的問題，為其他同類河道堤頂高程校核計(jì)算提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：河道治理；水文水力計(jì)算；沖刷計(jì)算；堤頂高程計(jì)算；堤頂高程校核；汾河流域

中圖分類號(hào)：TV871 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B DOI：10.11974/nyyjs.20180732028

引言

我國目前對(duì)于中小型河流的治理研究還處在初級(jí)階段，中小河流存在的問題很多：防洪基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，河道萎縮嚴(yán)重等[1]。在河道整治和管理上，河道理論堤頂高程計(jì)算分析起到了關(guān)鍵性指導(dǎo)作用，流域水文水力計(jì)算為堤頂高程校核分析提供了基礎(chǔ)的方法[2，3]。堤防頂高程確定方法為：根據(jù)河道的斷面幾何尺寸、河道水力參數(shù)、上下游邊界控制條件來推求設(shè)計(jì)流量下的水面線或設(shè)計(jì)洪水過程下的最高水面線， 再加上一定的風(fēng)浪爬高和安全超高， 作為河道堤頂設(shè)計(jì)高程[4-9]。在河道整治、堤防工程設(shè)計(jì)過程中，需要計(jì)算河道洪水水位，推算河道水面線，并對(duì)橋位處進(jìn)行沖刷計(jì)算[10-12]。對(duì)于缺乏徑流資料的小型流域，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)遇到阻礙。

本文采用水文水力計(jì)算方法作為河道設(shè)計(jì)堤頂高程計(jì)算的前提環(huán)節(jié)，以漯河召陵區(qū)汾河為例，通過水文比擬的方法解決流域無實(shí)測(cè)徑流資料的問題，求得準(zhǔn)確的河道水面線成果，為汾河堤頂高程校核提供了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在水文水力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以伍元等的堤防設(shè)計(jì)高程研究[13]為參考，得到汾河堤防設(shè)計(jì)高程，對(duì)汾河河道堤防整治提出了建設(shè)性的意見，為其他類似的堤防工程問題提供了解決方案。

1 流域概況

汾河流域中心點(diǎn)在召陵區(qū)中部，河道全長約120.8km，流域面積約1598km2，下游匯入汾泉河水系。汾河發(fā)源于河南省漯河市西翟莊鄉(xiāng)，流經(jīng)召陵區(qū)中部翟莊、召陵、姬石、萬金、鄧襄、青年等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，長約28.5km，流域總面積210km2，主要支流為幸福河、汾河支流以及西白馬溝，見圖1。

1.1 控制斷面概況

本次計(jì)算范圍為召陵區(qū)汾河全段。汾河流域控制斷面有6個(gè)，分別為公路橋（樁號(hào)21+200）、皇甫店（樁號(hào)17+300）、荒莊（樁號(hào)12+400）、西白馬溝入汾河口（4+900）、汾支入汾河口處（樁號(hào)1+200）、幸福河排澇閘處（樁號(hào)0+800）。其匯流面積見表1。

1.2 水利建筑物概況

本次所治理的汾河河道中包含5座公路橋，均為板梁式的結(jié)構(gòu)，橋梁的數(shù)據(jù)整理見表2。

1.3 工程等級(jí)及防洪標(biāo)準(zhǔn)

汾河有河堤段為7km，依照《防洪標(biāo)準(zhǔn)（GB50201-94）》中的要求，結(jié)合實(shí)際了解的受保護(hù)區(qū)域的重要性，確保區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)確定汾河的有堤防段（樁號(hào)0+800～7+800）按照二十年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)、五年一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和治理；無堤防段（樁號(hào)7+800～21+200）按照五年一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)治理。根據(jù)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可以確定該流域的堤防等別為4等，河流內(nèi)建筑物的級(jí)別為4級(jí)，河流的臨時(shí)工程為5級(jí)。

2 流域水文水力計(jì)算

2.1 水文計(jì)算

根據(jù)規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)計(jì)算河道各控制斷面的設(shè)計(jì)洪水、施工期設(shè)計(jì)洪水。在水文計(jì)算中，從暴雨圖集中找到汾河流域中心點(diǎn)，查取流域中心24h最大暴雨量，利用等值線內(nèi)插查取Cv值，得各控制斷面不同重現(xiàn)期24h設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，流域面積小于50km2的設(shè)計(jì)面雨量可用點(diǎn)雨量代替，大于50km2的用設(shè)計(jì)面雨量公式計(jì)算，從而得到各設(shè)計(jì)斷面不同重現(xiàn)期年最大24h設(shè)計(jì)面雨量；采用平原區(qū)排水模數(shù)公式，以周莊水文站為參證站，通過周莊站長系列施工期洪水資料進(jìn)行頻率分析，得周莊站設(shè)計(jì)洪水流量，運(yùn)用水文比擬法計(jì)算各設(shè)計(jì)斷面不同重現(xiàn)期施工期的設(shè)計(jì)洪水量。

2.2 水力計(jì)算

水力計(jì)算為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面的水力計(jì)算，在擬定河道設(shè)計(jì)斷面的前提下，計(jì)算各斷面正常水深；以概化的實(shí)測(cè)斷面，利用恒定均勻流公式，計(jì)算水面線推算的起始水深；利用分段求和法計(jì)算汾河水面線；對(duì)橋位處進(jìn)行壅水計(jì)算、沖刷計(jì)算。

2.2.1 河道斷面水力計(jì)算

在過流能力以及河道水力要素的計(jì)算中，汾河河道均按照明渠均勻流水力計(jì)算的基本公式（謝才公式）進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際工程中，謝才公式被廣泛運(yùn)用于明渠均勻流甚至是管道的水力計(jì)算中，但它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用公式時(shí)需要計(jì)算河道的各項(xiàng)水力要素。

2.2.2 河道水面線推求

2.2.2.1 水面線推求方法

河道水位的推算采用分段求和法，方法以水力計(jì)算中的能量方程為理論基礎(chǔ)。利用分段求和法計(jì)算明渠水面線時(shí)，首先應(yīng)選定控制斷面，并確定該斷面的控制水深。其次要正確分析水面線的類型。若是急流，控制斷面位于上游端，應(yīng)從上游向下游逐段推算；若是緩流，則控制斷面位于下游端，應(yīng)從下游逆流向逐段推算。

2.2.2.2 起始水位確定

汾河為汾泉河的上游段，水面線的推求應(yīng)采用下游控制河段水位向上推求。本次計(jì)算范圍為汾河全段。因此，選取汾河出口處以下800m處較順直的河段，采用實(shí)測(cè)斷面，用恒定均勻流公式計(jì)算其水位，作為水面線推算的起始水位。經(jīng)過計(jì)算，求得起始控制斷面（0+800）處五年一遇洪水起始水位為4.285m，二十年一遇洪水起始水位為4.761m。

2.2.2.3 橋位處壅水計(jì)算

在推求水面線過程中，河段內(nèi)的五座橋梁橋位處壅水計(jì)算成果見表7。

2.2.2.4 水面線推算成果

按照擬定的控制斷面推求水面線，運(yùn)用分段求和法，從出口處下游800m（樁號(hào)0+800）處開始，由下游向上游逐段推算。水面線推求成果表見表8。

2.2.3 沖刷計(jì)算

主河道的橋梁等擋水建筑物會(huì)對(duì)河道產(chǎn)生一般沖刷和局部沖刷。針對(duì)不同河段的涉水建筑物情況，進(jìn)行一般沖刷深度計(jì)算和橋墩局部沖刷計(jì)算。

2.2.3.1 一般沖刷水深計(jì)算

根據(jù)汾河河道狀況，采用黏性土河床一般沖刷公式計(jì)算。

2.2.3.2 橋墩局部沖刷計(jì)算

根據(jù)汾河河道狀況，選取黏性土河床橋墩局部沖刷公式計(jì)算。

3 堤防堤頂高程校核計(jì)算

汾河現(xiàn)有堤防距離為7km（樁號(hào)0+800～7+800）。為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行堤防堤頂設(shè)計(jì)高程的計(jì)算與校核，首先進(jìn)行風(fēng)浪要素、波浪爬高、風(fēng)壅高度的計(jì)算。

3.1 風(fēng)浪要素計(jì)算

汾河河道風(fēng)浪要素計(jì)算公式如下：

（1）

式中：H—平均的波浪高度，m；T—平均波的周期，s；V—計(jì)算風(fēng)速，m/s；F—風(fēng)區(qū)長度，m；h—平均水深，m；L—平均波長，m。

計(jì)算結(jié)果見表11。

3. 2 波浪爬高計(jì)算

波浪爬高是指河流水面的波浪沖刷護(hù)岸的邊坡時(shí)，在坡上打碎后沿坡向上翻涌爬升的現(xiàn)象。汾河波浪爬高計(jì)算公式如下：

（2）

式中：—累積頻率為P的波浪爬高，m；—坡面系數(shù)；—風(fēng)速系數(shù)；—爬高累積頻率換算系數(shù)；m—斜坡坡率。

計(jì)算結(jié)果見表12。

3. 3 風(fēng)壅高度計(jì)算

汾河流域降水和風(fēng)力受季節(jié)影響較大，容易產(chǎn)生強(qiáng)降雨和強(qiáng)風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象，風(fēng)壅高度的計(jì)算十分重要。風(fēng)壅高度的計(jì)算公式如下：

（3）

式中：K—綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；v—設(shè)計(jì)風(fēng)速，取汛期多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，m/s；F—吹程，取上口寬，m；D—平均水深，m；g—重力加速度，采用9.81m/s2。

通過上述公式計(jì)算，風(fēng)壅高度e=0.0046m。

3.4 堤頂超高計(jì)算

堤頂高程的計(jì)算為設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高。堤頂設(shè)計(jì)高程的左右岸重現(xiàn)期均為20a。堤頂超高計(jì)算公式如下：

（4）

式中：—堤頂超高，m；—波浪爬高，m；—風(fēng)壅高度，m；—安全加高，汾河堤防工程等級(jí)為4級(jí)，且不允許波浪翻越，安全加高值取0.6m。

通過上述公式計(jì)算，左右堤超高為1.0146m。

3.5 現(xiàn)有堤防與設(shè)計(jì)堤防比較

將所計(jì)算的堤頂超高與水面線推求結(jié)果表中所計(jì)算的水位相加，得到汾河的現(xiàn)有堤防段的設(shè)計(jì)堤頂高程。汾河現(xiàn)有堤防段的左右堤頂高程與設(shè)計(jì)堤頂高程數(shù)據(jù)比較見表13。

4 堤頂高程校核計(jì)算成果討論

對(duì)于樁號(hào)0+800～1+200段的堤防，左堤頂高程的現(xiàn)狀為51.9～52.2m，右堤頂高程的現(xiàn)狀為52.3～52.6m。計(jì)算的堤頂高程均在堤頂現(xiàn)狀的最小值內(nèi)。所以對(duì)于本段的堤防不需要加高，進(jìn)行加固處理。

對(duì)于樁號(hào)1+400～5+200段的堤防，左堤頂高程的現(xiàn)狀為52.2～53.1m，右堤頂高程的現(xiàn)狀為52.6～52.9m，計(jì)算的堤頂高程均在堤頂現(xiàn)狀的最小值內(nèi)。本段位于流量較大的河段，所以對(duì)于本段堤防需要實(shí)行更為嚴(yán)格的管理制度。

對(duì)于樁號(hào)5+400～7+800段，左堤頂高程的現(xiàn)狀為53.1～53.2m，右堤頂高程的現(xiàn)狀為52.9～53.9m。現(xiàn)有堤防堤頂高程在該段的上游段部分略高于設(shè)計(jì)堤頂高程，下游段則全部滿足防洪要求。對(duì)于局部現(xiàn)狀堤頂高于設(shè)計(jì)堤頂，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和施工效率問題，對(duì)堤防進(jìn)行加固處理可以減少工程的開挖量，節(jié)約治理成本，綜合效益更高。故保持現(xiàn)狀堤頂高程不變，不需要對(duì)堤頂加高處理。

5 結(jié)語

汾河流域的水文站設(shè)立極少，基本沒有徑流資料。在施工期設(shè)計(jì)洪水的推求上，選取周莊水文站作為參證站，以周莊站長系列施工期洪水資料作為基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過比擬法計(jì)算得到汾河流域施工期設(shè)計(jì)洪水。該計(jì)算過程為無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)流域的水文計(jì)算提供了方法依據(jù)。

文中提到的堤頂高程校核計(jì)算的方法不僅適用于天然河道，也適用于人工開挖渠道、運(yùn)河等人工水利設(shè)施，適用范圍較廣，對(duì)天然河道和水利工程設(shè)施的堤防堤頂校核工作有指導(dǎo)意義。

汾河流域河道堤頂高程校核計(jì)算和分析表明，以水文水力計(jì)算方法為基礎(chǔ)計(jì)算的設(shè)計(jì)堤頂高程更加準(zhǔn)確，依據(jù)不同河道下墊面的性質(zhì)選擇相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，得到的結(jié)果對(duì)堤頂高程校核工作具有更精準(zhǔn)的指導(dǎo)意義，有利于流域堤防治理工作的開展。

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作者簡介：李煒軒（1992-），男，碩士研究生，研究方向：水利工程；張發(fā)旺，研究員，中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所。