渭河咸陽城區段河道過洪能力淺析

胡文兵，丁 林

（陜西省咸陽水文水資源勘測局，陜西 咸陽 712000）

1 基本情況

1.1 分析計算范圍

本次分析范圍上起咸陽新西寶高速橋，下止上林大橋，全長19.14 km。

1.2 河段特征

按照城區段水景觀工程節點位置將河段劃分為三段，3#氣盾壩上至新西寶高速橋為上段，3#氣盾壩至2#氣盾壩為中段，2#壩以下至上林大橋為下段。

（1）上段河寬800 m～1300 m，主槽靠左岸，主槽寬度近200 m，河床平均比降0.3‰。

（2）中段3#壩～2#壩之間，包括“咸陽湖”，全長7.93 km，河寬600 m～670 m，河道順直，主槽靠近右岸，主槽寬140 m～200 m，河床平均比降0.465‰。

（3）下段河寬338 m～1250 m，主槽單一，基本位于河床中間，寬40 m～75 m。右岸灃河匯入，河床平均比降6.5‰。

1.3 水文站網

城區段設立有咸陽水文站，該站控制流域面積46827 km2，實測最大洪水7220 m3/s，發生于1954 年8 月17 日。2018 年7 月12 日10 時45 分洪峰流量4210 m3/s，為2003 年來最大洪水。

1.4 水利工程及其它設施

1.4.1 防洪工程

根據《渭河咸陽城區段綜合治理工程初步設計報告》，渭河咸陽城區段南北兩岸堤距不小于600 m，北岸堤防工程防洪標準為100 a 一遇，南岸為50 a 一遇。渭河綜合整治工程實施以后，咸陽城區段南北兩岸防洪標準均達到100 a 一遇。

1.4.2 橋梁工程

分析范圍內主要橋梁有老西寶高速公路橋、渭河3#、1#、風雨廊橋、2#橋、隴海鐵路橋組以及上林大橋。

1.4.3 水景觀工程

（1）“咸陽湖”：“咸陽湖”布置在渭河兩岸大堤間，河床斷面設計成復式河槽，主河槽寬500 m，兩側灘地寬約100 m，按照自然地形整理成一、二級平臺，大洪水時參與泄洪。主河槽內布置泄洪蓄水渠和泄洪渾水渠，中間由中墻分隔。北側泄洪蓄水渠長4628 m，渠底縱坡為0.65‰。南側泄洪渾水渠長4694.94 m，渠底縱坡為0.65‰。

（2）“咸陽湖”二期:“咸陽湖”二期工程上起新河入渭口上游1 km 處，下至上林大橋下游2 km 處，水岸線長度16.82 km。以隴海鐵路橋為界，橋上游12.47 km 河段以筑壩蓄水為主，利用已成“咸陽湖”3 座橡膠壩和新建的2 座氣盾壩形成三級連續蓄水區，兩側高灘建設濱河生態公園。

1.5 斷面布設及水文測量

在原30 處設計斷面中選擇19 處作為控制斷面，其中上段5 處，中段12 處，下段2 處。水文測量包括水準引測、斷面測量、洪痕測量、河床比降測量?？刂茢嗝鏈y至現有河堤背水坡以外50 m。測量過程中在洪痕明顯處施測左、右岸洪痕，并在橋梁、堤壩洪痕明顯處增加測點。

2 水文分析計算

2.1 設計洪水

咸陽水文站為渭河咸陽段工程設計的依據站，設計洪水采用咸陽水文站已經審查批復的《渭河咸陽城區段綜合治理工程初步設計報告》中的成果，見表1。

表1 咸陽水文站不同頻率設計洪水成果表

2.2 天然河道水位流量關系曲線計算

依據實測大斷面，分別按照恒定均勻流和恒定非均勻漸變流來計算各斷面的水力要素。恒定均勻流利用曼寧公式計算，非均勻漸變流采用伯努利方程計算。

2.2.1 曼寧公式計算

式中：Q 為某水位的相應流量，m3/s；A 為水位對應河道斷面面積，m2；R 為水力半徑，m；n 為河床糙率；I 為洪水比降。

（1）河道斷面

采用實測大斷面數據。

（2）洪水比降

結合“7.12”城區段實測洪水比降，綜合確定。其中上段水面比降0.3‰，中段水面比降0.4‰，下段水面比降0.65‰。

（3）河床糙率

參考《渭河咸陽城區段綜合治理工程初步設計報告》中主槽、灘地糙率取值，模擬“7.12”渭河咸陽城區段的洪水過程線，試算確定主槽、灘地糙率。主槽為0.020～0.0228，灘地為0.023～0.032，部分灘地0.038～0.045。

通過假定不同水位計算河道流量，與不同水位建立相關關系，點繪各斷面水位流量關系曲線，通過曲線圖得到不同流量的相應水位。

2.2.2 能量方程推算

按照天然河道恒定非均勻漸變流，采用能量方程計算洪水水面線，其方程為：

式中：Zu、Zd分別為上、下游斷面水位；Q 為斷面流量；Δs 為斷面間距；Ku、Kd為上、下游斷面流量模數；α 為動能修正系數；ξ為局部水頭損失系數。

流量模數的計算公式為：

式中：n 為斷面糙率；A 為斷面面積；R 為水力半徑。

（1）)灘槽糙率

采用試糙法成果，主槽糙率為0.020～0.0228，灘地糙率為0.023～0.032，部分灘地0.038～0.045。

（2）局部水頭損失

對于逐漸收縮的河段，局部水頭損失很小，可忽略不計，對于擴散河段，局部水頭損失視擴散的急劇程度不同來選定，一般選用-0.3～-1.0。

采用天然河道水面線計算程序，起始斷面水位初值按曼寧公式計算結果給定，中間利用咸陽水文站水位流量關系曲線進行控制。

2.2.3 成果確定

綜合分析上述兩種方法的計算結果，得到城區段天然河道各控制斷面的水位流量關系曲線。

3 城區段洪水水面線推算

依據城區段天然河道19 處過水斷面水位流量關系曲線，分析計算阻水建筑物的壅水高度，確定不同量級洪水水面線，結合地形資料分析不同量級洪水漫溢范圍，為防汛決策提供參考。

3.1 壅水高度計算

河段內共涉及老西寶高速橋、渭河咸陽3#、1#、2#橋、隴海鐵路橋組以及渭河上林大橋，其中老西寶高速橋、渭河咸陽3#橋、2#橋、上林大橋單跨均為30 m，墩徑1.4 m。渭河咸陽1#橋跨度18 m，墩徑1.3 m。采用《公路橋位勘測設計規范》（JTJ062-91）推薦的橋前最大壅水高度計算公式（8.4.1-1）進行計算，上述橋梁100 a 一遇設計洪水最大壅水高度0.178 m～0.286 m。

采用無坎寬頂堰公式計算隴海鐵路橋組在建過程中橋前最大壅水高度，公式如下，計算結果見表2。

式中：ΔZ 為壅水高度，m；Q 為設計洪水流量，m3/s；μ1為流量系數，與橋墩墩頭形狀有關；A2為橋下過水總面積，m2；矩形橋孔A2=（b-ΔB+mh3）h3；ΔB 為橋墩總寬度，m；b 為河流寬度，m；m為梯形邊坡系數。

表2 隴海鐵路橋組橋前最大壅水高度計算成果表

3.2 洪水水面線推算

將城區段天然河道19 處控制斷面不同頻率設計洪水位加上阻水建筑物的壅水高度，得到城區段不同頻率設計洪水沿程水面線，計算成果見表3。

表3 渭河咸陽城區段不同頻率設計洪水水面線成果表

3.3 成果合理性檢查

成果合理性檢查采用三種方法:

1）將本次分析計算的4210 m3/s 的洪水過程線與“7.12”渭河咸陽洪水實測的洪痕進行對比，相對誤差在-0.15 m～0.27 m之間，整體擬合較好。

2）將本次計算值與咸陽水文站歷年實測值進行對比，計算值在4000 m3/s 以下，水位流量關系曲線通過實測點群中間，誤差較小。4000 m3/s 以上略微偏高，比1954 年洪水位偏高0.28 m，比2003 年洪水位偏高0.36 m。

3）與2004 年渭河咸陽城區段綜合治理工程初步設計成果進行對照，設計洪水位成果基本一致。綜合分析計算成果基本合理。

4 城區段過洪能力分析

（1）城區段5 a 一遇洪水，河道北岸Z2 斷面(渭水金灘)、B167 斷面(老西寶高速橋段)親水觀光路出現漫溢，B168 斷面(3#氣盾壩) 親水平臺及B170 斷面(城市運動公園上段)、B171斷面(城市運動公園末端)親水觀光路漫溢，咸陽湖北槽1#橋至風雨廊橋段一級親水平臺漫溢，其余段安全過洪。

（2）城區段10 a 一遇洪水，河道北岸洪水漫溢位置同5 a一遇洪水；南岸B168 斷面（3#氣盾壩）、B171 斷面(1# 橡膠副壩)親水平臺漫溢，其余段安全過洪。

（3）城區段20 a 一遇洪水，南北兩岸內現有灘面治理工程超過設防標準，洪水漫溢。河道防洪工程設防標準為100 a 一遇，城區段河道安全過洪。

（4）城區段100 a 一遇洪水，超過河道兩岸內現有灘面治理工程設防標準，洪水漫溢。受阻水影響，隴海鐵路橋段北岸現狀岸坎、古渡遺址段安全超高不足，其余段安全過洪。

5 結論及建議

（1）渭河咸陽城區段南北兩岸防洪標準達到100 a 一遇。根據分析計算結果，城區段河道發生100 a 一遇洪水能夠安全過洪。河道內灘面治理工程發生5 a 一遇以上標準洪水時，部分親水觀光道路和親水平臺會出現洪水漫溢，應根據上游來水情況提前安排清灘巡查。

（2）建議加快實施隴海鐵路改擴建，實施隴海鐵路橋段河道疏浚治理和南北岸堤防銜接貫通工程，保證河道安全行洪。

（3）“咸陽湖”建成運行以來，北槽淤積，過水能力減小，南槽沖刷加劇。建議制定清淤方案，對“咸陽湖”北槽及1#橡膠壩壩前淤積泥沙實施清理。