大沙河老古溝橋- 武營(yíng)橋段河道治理設(shè)計(jì)洪水水面線推求

賈 鵬

（丹東市振安區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 丹東 118000）

水面線推求是設(shè)計(jì)人員河道治理工程中的基礎(chǔ)工作，直接關(guān)系著河道治理中堤防高程的確定［1]。在設(shè)計(jì)中水面線推算較低，達(dá)不到防洪標(biāo)準(zhǔn)，洪水期河道漫堤而危害兩岸農(nóng)田及建筑物，起不到治理河道的效果，相反水面線推求較高，會(huì)使岸堤加高而增加工程投資，不經(jīng)濟(jì)。因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)洪峰流量設(shè)計(jì)成果、河道糙率、比降等選擇合理的計(jì)算方法進(jìn)行水面推求。

1 流域及工程概況

大沙河為鴨綠江一級(jí)支流，河道起點(diǎn)位置為五龍山的陶家溝，由西北向東南流經(jīng)五龍背、蛤蟆塘等，終點(diǎn)匯入鴨綠江干流［1]。大沙河徑流面積220.94 km2，河道長(zhǎng)度30.32 km，河道平均比降3.17‰。本次河道治理位于振安區(qū)樓房鎮(zhèn)，治理范圍是老古溝大橋下游至武營(yíng)橋上游之間的左岸，武營(yíng)橋以上大沙河集水面積188 km2，河道長(zhǎng)度26.70 km，平均比降4.33‰。本次治理河段起點(diǎn)位于大沙河武營(yíng)橋（干流樁號(hào)0+000），終點(diǎn)位于上游炮守營(yíng)支流高速橋二（支流樁號(hào)1+000），共治理干、支流河道治理長(zhǎng)度6.716 km［2]，其中，干流河道全長(zhǎng)5.143 km（干流樁號(hào)0+000～干流樁號(hào)5+143）；支流B 河道全長(zhǎng)0.573 km（支流B樁號(hào)0+000～0+573），炮守營(yíng)支流河道全長(zhǎng)1.0 km（支流樁號(hào)0+000～支流樁號(hào)1+000）。

河道治理段現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題：（1）干流河段部分迎水面無(wú)任何護(hù)砌，迎水坡無(wú)防護(hù)段河岸長(zhǎng)期遭受河水沖刷，易造成岸坡失穩(wěn)脫坡，岸線后退，加重水土流失；（2）原干砌石段干砌石石塊老化破碎，砌筑零散，且均無(wú)反濾墊層、無(wú)護(hù)腳。無(wú)反濾墊層的干砌石內(nèi)部土壤的細(xì)小顆粒易被帶走而引起岸坡塌陷，無(wú)護(hù)腳的干砌石段遇急流沖刷，坡上石塊易脫坡，抗沖刷能力弱；（3）干流堤防存在缺口段2 處，長(zhǎng)度分別為5 m 和11 m，汛期流域不封閉，對(duì)其后農(nóng)田、居民等生命財(cái)產(chǎn)將造成威脅；（4）上游迎水坡檢查井段：樁號(hào)0+000（武營(yíng)橋上游）～樁號(hào)0+853（迎水坡檢查井），堤后地面高程未填高的低洼段（樁號(hào)0+000～樁號(hào)0+077、樁號(hào)0+498 上下游150 m 范圍內(nèi)）在橡膠壩蓄滿水（壩袋高3.5 m）時(shí)可能產(chǎn)生浸沒(méi)問(wèn)題。建議橡膠壩運(yùn)行管理部門控制壩袋最高水位為壩袋高2.5 m。

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

工程起點(diǎn)以上集雨面積188.00 km2，采用遼寧省水文資源勘測(cè)局1998年8月出版的《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》（即圖表法）計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。由于大沙河流域暴雨和相應(yīng)的變差系數(shù)較其等值線圖查詢數(shù)值偏大，因此采用丹東雨量站降雨資料對(duì)其進(jìn)行修正，通過(guò)圖表法計(jì)算，武營(yíng)橋上游和上游炮守營(yíng)支流10年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量分別為1070 m3/s 和328 m3/s。點(diǎn)繪愛(ài)河流域各站設(shè)計(jì)流量、峰值與面積關(guān)系，可以看出設(shè)計(jì)洪水成果符合地區(qū)分布規(guī)律，見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 愛(ài)河流域各站設(shè)計(jì)流量～面積關(guān)系

圖2 愛(ài)河流域各站設(shè)計(jì)峰值～面積關(guān)系

由圖1 可知，湯山城站位于丹東市振安區(qū)湯山城鎮(zhèn)飲馬河上，距離較近，集水面積與工程處以上集水面積相差較小。因此工程采用與湯山城站面積比法比較合適。根據(jù)《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》中洪水過(guò)程線為概化的單峰過(guò)程線，峰現(xiàn)時(shí)間為第30 h。10 a 一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線成果見(jiàn)圖3 和表1。

圖3 大沙河設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

表1 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線 單位：m3/s

3 水面線計(jì)算

2010年丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院對(duì)大沙河洪痕調(diào)查，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知大沙河河段的洪水比降為1.30‰。2013年5月對(duì)大沙河（老古溝橋—武營(yíng)橋左岸段）治理工程河流進(jìn)行了（0+000～5+143）縱橫斷面實(shí)測(cè)，2017年9月對(duì)現(xiàn)狀變化較大的部分進(jìn)行了重新測(cè)量。

表2 2010年大沙河洪痕調(diào)查成果 單位：m

大沙河糙率分析采用兩種方法：一種是對(duì)沙河鎮(zhèn)與湯山城水文站實(shí)測(cè)的糙率進(jìn)行分析，作為河段確定糙率的參照，二是利用丹東水利院對(duì)大沙河2010年實(shí)測(cè)的洪水、洪痕資料，反求河段糙率，最后所采用的糙率根據(jù)兩種方法綜合確定，得到n=0.0275。

3.1 起始水位確定

位于武營(yíng)橋下游的武營(yíng)子水文站，垂直河流方向有一排水尺，水尺位置的橫斷面處（樁號(hào)0-158），河道順直，水文條件好，利用此斷面（樁號(hào)0-158）做水位流量關(guān)系（見(jiàn)表3），水位～流量關(guān)系曲線見(jiàn)圖4，武營(yíng)子水文站（樁號(hào)0-158）處10 a 一遇洪峰1070 m3/s，對(duì)應(yīng)水位為12.06 m。

表3 武營(yíng)橋下游的武營(yíng)子水文站（樁號(hào)0-158）水位- 流量關(guān)系

3.2 干流水面線推求

本工程段水面線推求以武營(yíng)橋（樁號(hào)0+000）作為起始斷面，根據(jù)武營(yíng)子水文10 a 一遇（洪峰流量1070 m3/s）對(duì)應(yīng)水位12.06 m 推得起始水位采用12.47 m，采用濟(jì)南百圖水利軟件中天然河道水面線推求方法向上游推算，中間以各河段中間的橋梁或順直河段的斷面等控制性斷面的水位- 流量關(guān)系曲線相應(yīng)頻率水位進(jìn)行驗(yàn)證。河道順直，水文條件好，根據(jù)河道恒定水面線計(jì)算原理，各斷面的基本水力參數(shù)如濕周x、過(guò)水面積w、水力半徑R 等可由程序按斷面數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算，斷面間距L 由丹東院實(shí)測(cè)河道測(cè)量的斷面成果可得。

基本計(jì)算方法采用1983年武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室編《水力計(jì)算手冊(cè)·第八篇＜河道的水力計(jì)算＞》的論述進(jìn)行計(jì)算，基本方程為：

式中：Z1、Z2分別為下端面和上斷面的水位高程；分別為下端面和上斷面的流速水頭；α1和α2為動(dòng)能修正系數(shù)，取值為1.1；hf和hj分別為上下斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失。

（1）沿程水頭損失hf的計(jì)算

本次計(jì)算對(duì)各斷面均按復(fù)式斷面處理［3]，根據(jù)主河槽和灘地糙率的不同，將斷面分為幾部分，分別求出各部分的流量模數(shù)，再總和求得整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁磕?shù)K=∑Ki，斷面上的水力坡度為J=（Q/∑K）i2。

（2）動(dòng)能修正系數(shù)α 的計(jì)算復(fù)式斷面必須考慮動(dòng)能改正系數(shù)的影響［4]，從天然河流復(fù)式斷面動(dòng)能修正系數(shù)本身的定義出發(fā)按下式計(jì)算：

式中：wi為斷面上按糙率的不同劃分的各部分的過(guò)水面積；Ki為斷面上按糙率的不同劃分的各部分的流量模數(shù)。

（3）局部水頭損失hj的計(jì)算，本次考慮橋墩阻力水頭損失，計(jì)算公式如下：

式中：ζ 為橋墩形狀系數(shù)，v2為橋墩后的斷面平均流速。

大沙河（老古溝橋—武營(yíng)橋左岸段）治理工程共有跨河橋梁5 座，跨河建筑物孔口尺寸和梁底高程均滿足10年標(biāo)準(zhǔn)天然河水下泄的要求，計(jì)算成果見(jiàn)表4，干流水面線推求結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 跨河5 座橋梁處計(jì)算結(jié)果表

表5 10 a 一遇洪水干流水面線成果表 單位：m3/s

武營(yíng)大橋與老古溝大橋各有一處洪痕，根據(jù)2010年大沙河洪痕調(diào)查成果，此河段的洪水比降為1.30‰，而此次推求的10 a 一遇設(shè)計(jì)洪水，自武營(yíng)大橋至老古溝大橋的洪水比降為1.28‰，兩洪水比降接近，干流水面線可靠。

3.3 支流水面線推算

炮守營(yíng)支流水面線推求采用干支流峰峰相遇方法，即起始水位采用大沙河干流匯合口水位，洪峰流量采用炮守營(yíng)支流（P=10%）洪峰流量Qm為328 m3/s，見(jiàn)表6。

表6 十年一遇炮守營(yíng)支流水面線成果表

4 結(jié)語(yǔ)

大沙河河道水面線推求過(guò)程中要重點(diǎn)收集流域內(nèi)水文氣象資料、實(shí)際洪痕調(diào)查以及實(shí)測(cè)糙率系數(shù)等基礎(chǔ)資料，在根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和水面線計(jì)算軟件從下游往上游進(jìn)行水面線求解，本次求解結(jié)果與實(shí)測(cè)調(diào)查成果高度吻合。