西白楊溝綜合治理工程水面線推求及護(hù)坡方案比選

艾來(lái)提江·謝熱甫丁

（烏魯木齊水文勘測(cè)局，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

對(duì)河道進(jìn)行治理，防治洪澇災(zāi)害是一項(xiàng)重要的民生工程。有許多的學(xué)者對(duì)河道治理進(jìn)行研究。王玉林[1]以皮山河流域工程治理為例，介紹了土石籠袋的生態(tài)治理工程效益；李慧[2]采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同的生態(tài)河道治理方法進(jìn)行分析，結(jié)果表明第4 種生態(tài)治理方案具有較好的生態(tài)治理效果；尤潔[3]以念頭坑河道治理為例，對(duì)防洪堤斷面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化比選；吳名劍等[4]使用HEC-RAS 模型進(jìn)行山區(qū)河流的水面線推求，與“雨洪法”比較，結(jié)果較為準(zhǔn)確；劉文達(dá)等[5]以余慶河普興河段為例，研究了生態(tài)護(hù)坡防護(hù)堤方案在河道治理工程中的設(shè)計(jì)方法；王大明等[6]以東荊河為研究對(duì)象，使用數(shù)值模擬方法對(duì)治理工程安全性進(jìn)行研究，認(rèn)為保持現(xiàn)有堤距，擴(kuò)挖深水槽的治理方案可以同時(shí)滿足安全、經(jīng)濟(jì)要求；陳暉等[7]使用遺傳算法進(jìn)行水面線的求解，認(rèn)為遺傳算法具有精度高、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)；譚毅源[8]使用MIKE11 軟件對(duì)條件較為復(fù)雜的河道水位線進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果經(jīng)過檢驗(yàn)較為準(zhǔn)確；張大偉等[9]采用二維數(shù)值模擬方法進(jìn)行防洪設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度較高；葉楠等[10]使用MIKE21 模型研究洪水對(duì)大橋的影響，認(rèn)為MIKE21 可以精確分析水位、流速等信息，可在工程設(shè)計(jì)中推廣使用。在前人研究基礎(chǔ)上，收集大量資料對(duì)治理段水面線進(jìn)行推求，為防洪工程設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

1 工程概況

西白楊溝是英雄橋水文站下游匯入烏魯木齊河的一條較大支流，位于烏魯木齊河出山口，匯流點(diǎn)位置距下游烏魯木齊河大西溝渠首約4.7 km。西白楊溝近似于西南偏東北走向，工程區(qū)東西寬3.31 km，南北長(zhǎng)4.56 km，河道寬10 m～30 m，天然縱坡4.03%。

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算及水面線推求

2.1 參證站選取

西白楊溝距英雄橋水文站約20 km，選用英雄橋水文站為工程區(qū)水文分析計(jì)算的參證站。英雄橋站1958 年～2009 年最大實(shí)測(cè)洪峰流量累積平均值模比系數(shù)過程線見圖1。

圖1 英雄橋站洪峰流量模比系數(shù)累積平均值曲線

實(shí)測(cè)洪峰流量模比系數(shù)差積曲線見圖2，該曲線反映了洪峰流量年際周期變化過程。從該曲線可以看出1993 年出現(xiàn)最低點(diǎn)，1996 年出現(xiàn)最高點(diǎn)。1958 年～1993 年為烏魯木齊河的小洪水段年，1994 年～2009 年屬大洪水年階段。

圖2 英雄橋站洪峰流量模比系數(shù)差積曲線

2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

①洪峰模數(shù)法

參證站英雄橋水文站自1958 年～2009 年設(shè)站以來(lái)，已有51 年連續(xù)實(shí)測(cè)年最大洪峰流量系列，對(duì)于1953 年調(diào)查洪峰流量作為特大值處理，并加入洪峰流量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，重現(xiàn)期為62 年。以英雄橋水文站不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量除以流域面積F（924 km2），得到英雄橋水文站以上流域的設(shè)計(jì)洪峰模數(shù)。英雄橋水文站以上流域設(shè)計(jì)洪峰模數(shù)成果，見表1。

表1 英雄橋站以上流域洪峰流量模數(shù)成果表

將英雄橋水文站以上流域的設(shè)計(jì)洪峰模數(shù)用于工程場(chǎng)址各水文計(jì)算斷面，計(jì)算得到工程場(chǎng)址各水文斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，其計(jì)算公式采用下式計(jì)算。

式中：Qp河道斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Mp計(jì)算依據(jù)站設(shè)計(jì)洪峰流量模數(shù)，m3/（s·km2）；F 河道斷面以上集水面積，km2。

②推理公式法

結(jié)合參證站英雄橋水文站最大24 小時(shí)的設(shè)計(jì)雨量，推求工程區(qū)的設(shè)計(jì)洪水。

式中：Qm洪峰流量，m3/s；h 在全面匯流時(shí)代表相應(yīng)于 τ 時(shí)間的最大凈雨，在部分匯流時(shí)代表單一洪峰的凈雨，mm；F 流域面積，km2；τ 流域匯流歷時(shí)，h；m 匯流參數(shù)；L 沿主河從出口斷面至分水嶺的最長(zhǎng)距離，km；J 沿流程L 的平均比降。

為減少設(shè)計(jì)成果計(jì)算方法單一造成的一些弊端，本次設(shè)計(jì)洪峰流量分別采用洪峰模數(shù)法、推理公式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)兩種方法的計(jì)算成果進(jìn)行合理分析，計(jì)算成果見表2。

表2 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果

通過以上計(jì)算分析，用洪峰模數(shù)法計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量時(shí)，結(jié)果相對(duì)偏小。采用推理法，能反映流域基本特征，較合理。因此，推薦采用推理公式法的計(jì)算10 年一遇洪峰流量24.2 m3/s作為護(hù)岸工程設(shè)計(jì)洪峰流量。

2.3 水面線推求

計(jì)算采用水文分析計(jì)算中河道水面線推斷計(jì)算水面線。計(jì)算橫斷面根據(jù)實(shí)測(cè)河道橫斷面，河道糙率依據(jù)河床特性參照《水力計(jì)算手冊(cè)》表8-1-18 天然河道糙率表選取，選取時(shí)考慮河道兩側(cè)及河底為天然河岸、河床，其綜合糙率采用0.040。

根據(jù)設(shè)計(jì)堤距、天然河道各橫斷面的地形點(diǎn)資料、各斷面平均糙率以及起始斷面水位，按照伯努力方程逐段試算，求出各斷面的水位。

計(jì)算采用的伯努力方程如下：

式中：Z1、V1為斷面 1 的水位和流速；Z2、V2為斷面 2 的水位和流速；hw＝hy+hj為斷面 1 到斷面 2 之間的總水頭損失；hy＝j(luò)×ΔL，為沿程水頭損失；j＝V2/（C2R），為沿程摩阻坡度；V、C、R為斷面1 和斷面2 的平均流速、平均流速系數(shù)、平均水力半徑；ΔL 為兩斷面間的距離；hj＝-ξ（V12/2g-V22/2g），為局部水頭損失；ξ 為河段的局部阻力系數(shù)。

水面線計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水面線計(jì)算表

2.4 堤頂高度確定

堤頂超高按照下式計(jì)算確定。

式中：y 堤頂超高，m；R 設(shè)計(jì)波浪爬高，m；e 設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度，m；A 安全超高，取 0.5 m。

根據(jù)表4，確定本工程的安全超高為0.8 m，故護(hù)岸高度結(jié)果見表5。

表4 堤頂超高計(jì)算

表5 護(hù)岸高度計(jì)算表

3 護(hù)岸斷面設(shè)計(jì)

針對(duì)采用不同的護(hù)坡材料，考慮采用以下2 個(gè)方案進(jìn)行方案比選。

方案一：漿砌卵石斜坡式護(hù)岸+格賓護(hù)坡。

護(hù)岸迎水面邊坡設(shè)計(jì)開挖基礎(chǔ)至護(hù)岸腳以上30 cm～50 cm范圍內(nèi)采用C25F200 細(xì)石混凝土砌卵石，卵石厚30 cm，邊坡1∶1.5；護(hù)岸腳以上30 cm～50 cm 至護(hù)岸頂高程采用30 cm 厚格賓網(wǎng)墊護(hù)坡，邊坡1∶1.75。背水面邊坡1∶1.5。

方案二：C20F200 現(xiàn)澆砼斜坡式護(hù)岸。

護(hù)岸迎水面襯砌材料及基礎(chǔ)均采用C25 現(xiàn)澆砼，邊坡系數(shù)為1∶1.5，背水面邊坡系數(shù)為1∶1.5，行洪斷面河床以上0.5 m砼板厚20 cm，行洪斷面河床0.5 m 以上砼板厚15 cm。

針對(duì)采用不同的護(hù)坡材料，以及不同的堤基處理辦法，考慮采用以下2 個(gè)方案進(jìn)行方案比選。

表6 橫斷面方案型式比選表

經(jīng)過方案比選，方案一投資較省，抗凍性好，項(xiàng)目區(qū)已建護(hù)岸均為漿砌卵石襯砌形式，因而本次設(shè)計(jì)推薦方案一。

4 結(jié)論

（1）水位線推求是堤防設(shè)計(jì)工程的重要參數(shù)，結(jié)合水文、氣象資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查結(jié)果，采用推理法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果較為合理。

（2）根據(jù)河床現(xiàn)狀和水位手冊(cè)推薦值，確定河道糙率為0.040，采用伯努利方程確定河道不同斷面的水位，為堤防設(shè)計(jì)提供參考。

（3）通過方案比選，選擇砼砌卵石護(hù)岸具有投資低、抗凍性能好等優(yōu)勢(shì)，可作為西白楊溝治理段河道護(hù)岸材料。