山區河流堤防工程導流設計

顧 威

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

山區河流的堤防建設對兩岸人民的生命和財產安全具有重要作用。堤防工程設計施工過程中，對施工期導流的分析涉及的工程安全性、經濟性等方面，是施工過程中的關鍵環節。山區河流的水流屬于非恒定漸變流，滿足圣維南方程組，但常規的河道水面線計算一般采用對應流量的恒定的非均勻流方程，即伯努利方程的分段試算法。該方法根據恒定流量和上下游斷面水位，按照能量守恒原理計算水面線，但由于天然河道的洪水多為非恒定流過程，且河道斷面沿程變化，能量系數修正較煩瑣，因此該方法具有一定的局限性[1]。本文結合MIKE11 對施工期導流進行比選設計，根據流量過程、上下游水位變化過程，按照質量守恒和動量守恒原理進行水力計算，適用于復雜河道、不同洪水流態下的水力計算，模型適應性強、應用范圍廣。

1 項目概況

某山區河流堤防工程的建設任務以防洪護岸為主，兼有水土保持和美化環境等。新建堤防段總長2 000 m，位于河道左岸。工程河堤結構型式為：格賓石籠鎮腳+ 碾壓回填體（上覆三維水土保護毯）+ 人行步道。根據現狀邊坡高度分為一級護坡或二級護坡。

工程所在區域防洪標準為50 a 一遇，堤防級別為2 級，主要護岸建筑物工程按2 級建筑物設計，臨時建筑物為4 級。工程河段枯水期導流標準采用10 a一遇洪水重現期，汛期度汛標準采用10 a 一遇洪水重現期。

2 MIKE11 計算原理[2]

2.1 控制方程組

MIKE11 主要適用于河口、河流、灌溉渠道，以及其他水體的模擬一維水動力、水質和泥沙運輸。MIKE11 是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態。軟件計算為非恒定流計算，計算時同時輸入整個過程、水面線成果提取最高水位，即對應的最大流量水面線為計算成果。

無旁側入流方程組的具體形式如下:

式中：x、t 分別為空間坐標和時間坐標；Q、h 分別為斷面流量和水位；A、R 分別為斷面過流面積和水力半徑；B 為河寬；C 為謝才系數；g 為重力加速度；α 為垂向流速分布系數。

式（1）為連續性方程，反映了河道中的水量平衡。式（2）為運動方程，其中第一項反映某固定點的局部加速度，第二項反映由于流速的空間不均勻引起的對流加速度，前兩場合稱為慣性項；第三項反映了水深的影響，為壓力項；第四項反映了摩阻和底坡的影響。

2.2 方程的基本假定

圣維南方程組的基本假定為：流速沿整個過水斷面均勻分布，可用平均值代替。不考慮水流垂直方向的交換和垂直加速度，從而可假設水壓力為靜水壓力分布，即與水深成正比，河床比降小，其傾角的正切與正弦值近似相等。水流為漸變流動，每一小段水面曲線近似水平。

2.3 模型概化及相關參數

河流上對水位具有控制下作用的為橋、堰等涉河構筑物，模型采用工程區段下游的攔河堰作為控制斷面，確定水位流量關系。在流量、控制斷面水位后，根據率定河道糙率0.038，即可采用MIKE11 一維水流數學模型推算的施工期洪水水面線成果。

3 導流時段比選

導流時段的選取主要從以下兩方面考慮：

（1）根據工程所在河流的水文特性分析，洪枯流量變化較大。

（2）根據防洪要求，盡量將防洪堤安排在一個枯水期內完成，滿足汛期度汛需要。

根據國內同類型堤防的施工經驗，選擇導流時段為枯水期，根據設計各河流段的工量和施工條件，枯水期時段選擇如下：

工程區洪水有明顯的季節變化規律，每年3 月下旬開始，隨著降雨量增加，流量也逐漸加大。3 月為汛前過渡期，4—9 月為汛期，主要洪水集中在5—9月，年最大流量基本上發生在本期內。10 月、11 月屬汛后過渡期，隨著降雨量減少，洪水也小。12 月至翌年2 月，徑流主要由地下水補給，為穩定退水期。根據本流域降雨、洪水特性和施工設計安排，將全年劃分為主汛期5—9 月，非汛期2 月、3 月、4 月、10 月、11 月、12 月至翌年1 月、11 月至翌年3 月等8 個分期。由于工期1 個月的施工時段短，需要的施工機械設備、投入的物資強度較大，對工程工期沒有可調節的余地，不考慮1 個月施工時段。工期6 個月及以上的施工時段太長，導流圍堰等臨時工程量變大，投入的人力、物力加大，故不考慮。

根據工程需要，初選12 月至翌年1 月、12 月至翌年2 月、11 月至翌年3 月3 個分期時段進行比選，相應分期洪水成果見表1。

表1 工程各斷面分期洪水計算成果

項目主要工程措施為堤防護岸。該段河道堤防采用縱向圍堰擋水，束窄的河床泄流的導流方式，工程右岸河道導流、左岸施工。

擬對12 月至翌年1 月（2 個月，方案1）、12 月至翌年2 月（3 個月，方案2）、12 月至翌年3 月（4 個月，方案3）3 個時段從水文、工程造價和施工安全等方面進行比選。

工程河段下游的寬頂堰對上游水位起到良好的控制作用，因此將該斷面選為工程河段設計洪水水面線計算的控制斷面。

控制斷面水位流量關系曲線（見圖1）同樣用寬頂堰堰流公式推算，溢流凈寬36.5 m，堰頂高程338.65 m，流量系數為0.34，側收縮系數為0.97。

圖1 工程河段控制斷面水位流量關系曲線（保留攔河堰方案）

寬頂堰堰流公式如下：

利用MIKE11 進行水文計算，天然河道水面線直接采用ArcGIS 將橫斷面提取出來，然后導入MIKE11 進行計算。由水文調查結果比對計算結果，同時率定糙率。率定結果為10 a 一遇洪水位水面線計算采用糙率為0.038。水面線計算成果見圖2。導流時段比選見表2。

表2 導流時段比選（以保留攔河堰方案為例）

圖2 導流時段比選水面線計算結果

方案三比方案二的施工工期增加1 個月，但方案三的導流流量比方案二增加較多，水位增加0.63 m。圍堰建筑物造價多約39.99 萬元，導流工程投資增加十分明顯，且工程無必要花4 個月時間導流。

方案一與方案二的流量相差不大，方案一水位比方案二降低0.01 m，圍堰建筑物造價減少約2.26 萬元。但方案一堤防施工工期減少了1 個月，由于工程堤線較長，較短時間無法完成基礎施工，若增加機械設備趕工，投資明增加，不經濟也不合理。

綜合比較各方案導流方式優缺點和導流工程投資后，導流時段選擇方案二，即枯水時段12 月至翌年2 月，相應10 a 一遇導流流量為：P10%=13.50 m3/s。

4 導流方式比選

水利工程導流方式主要有分段圍堰法、全段圍堰法。分段圍堰法為利用圍堰將水工建筑物分段分期維護進行施工的方法。所謂分段，就是在空間上將永久建筑物分為若干段進行施工。所謂分期，就是在時間上將導流分為若干個時期，比如河道左右岸分別采用縱向圍堰分期實施。分段圍堰法一般適用于河床較寬、流量大的工程。全段圍堰法為工程上下游各建一道圍堰，使水流經河床以外的臨時或就用泄水通道，如隧洞、涵管、臨時明渠等下泄。主體工程建成后，再將臨時泄水通道封堵。

工程區域河寬30～50 m，主要工程措施為堤防護岸，并且主要為河道左岸。經綜上考慮，該段河道堤防采用分段圍堰法，縱向圍堰擋水，束窄的河床泄流，右岸導流，左岸施工的導流方式。

工程施工期水位主要受工程區下游約903 m 處的一座小型電站攔河堰的影響。此攔河堰結構為漿砌石結構。堰頂高程為338.65 m，堰底高程為335.85 m，堰高2.8 m。堰體迎水面和背水面均直立，堰寬2.5 m。工程施工期可拆除部分攔河堰，降低控制斷面的水深，從而減少施工圍堰的工程造價，但拆除攔河堰會對電站造成發電效益損失，需給予相應的經濟補償。擬對攔河堰拆除與否及拆除的寬度分別進行比選后確定合理的導流方式。

4.1 攔河堰拆除寬度比選

工程擬拆除攔河堰高度為2.8 m，以下就拆除堰體中心段寬3.0 m 和寬5.0 m 進行比選。水位位于堰頂高程之上時，控制斷面水位流量關系曲線用無底坎寬頂堰堰流公式[式（3）]推算，寬頂堰凈寬36.5 m，溢流寬度分別為3 m 和5 m，堰頂高程為335.85 m，流量系數分別為0.322 和0.323。該控制斷面水位流量關系曲線見圖3。

圖3 工程河段控制斷面水位流量關系成果圖（拆除攔河堰方案）

利用MIKE11 進行水文計算，水面線計算成果見圖4。

圖4 攔河堰拆除寬度比選水面線計算結果

經水文計算，施工導流拆除堰體中心段3.0 m 寬施工期10 a 一遇水位338.00～338.15 m；拆除堰體中心段5.0 m 寬，施工期10 a 一遇水位337.38～337.68 m，施工期水位能大幅度降低，能減少臨時圍堰量和保證施工期安全。施工導流選擇拆除攔水堰堰體中心段5.0 m 寬，拆除高度為2.8 m。

4.2 導流方式比選

該電站總裝機900 kW，年發電量304 萬kW·h，枯水期發電75 萬kW·h，施工期電站效益為23.4 萬元。利用MIKE11 進行水文計算，水面線計算成果見圖5。根據水面線計算成果確定圍堰高度，從經濟合理性方面對是否拆除攔河堰進行比選（見表3）。

圖5 攔河堰是否拆除比選水面線計算結果

表3 導流方式比選

經比選，拆除攔河堰施工方案導流費用較少，并且有利于施工期安全，作為推薦方案。施工時對電站進行補償，先拆除下游電站攔河壩中部5 m 寬，拆除高度為2.8 m，降低施工期水位。石籠鎮腳施工完成以后，恢復攔河堰。

5 導流工程設計

工程區域左岸堤防采用分段施工，每段長80～100 m，通過初期排水和后續經常性排水，確保堤防工程干地施工。

工程在一個枯水期內完成，根據以上比選的導流方式和時段，導流全過程分為兩個階段。各階段分述如下：

第一階段：第一年12 月初拆除下游攔河堰中部5 m 寬的范圍，放水后至第二年2 月，在河道左岸布置縱向圍堰擋水，束窄河床泄流導流方式，河道右側泄流，左岸基坑施工。首先于河道堤腳線外側5 m 處填筑臨時圍堰，迎水面均采用黏土編織袋防滲。利用右側河道導流，進行左岸基礎開挖和鎮腳澆筑，同時進行部分堤體回填。各段3 月上旬開始拆除導流圍堰，并恢復攔河堰，導流程序結束。

第二階段：第二年3 月初至3 月底。繼續進行堤體回填和堤防護岸施工。由于在第二年3 月前，各個區段的堤腳已施工完成，滿足堤防設計的正常工況運行。該時段由河床泄流。

工程在汛期到來之前就已完成堤防基礎開挖，鎮腳施工均在枯期內完成，不需要采取度汛措施。

干流采用河道左側修建縱向圍堰，右側導流，左岸堤防施工，進行左岸基礎開挖和鎮腳澆筑，同時進行部分堤體回填。堤體部分填筑完畢后，進行圍堰拆除，導流結束。施工期水面線和圍堰高度見表4。

表4 施工期水位和圍堰高程 單位：m

枯期施工導流采用土石圍堰擋水，圍堰結構見圖6，圍堰頂寬1.0 m，迎水面坡比為1∶1.5，面層采用復合土工膜防滲，并使用至少300 mm 厚黏土編織袋，背水面邊坡1∶1.0，最大堰高2.03 m，圍堰堰體采用開挖黏土料填筑。

圖6 圍堰斷面示意圖（單位：mm）

6 結 語

（1）河道施工期水面線計算的結果正確與否影響整個河道導流工程的布置、工程量和投資，是導流設計的重要環節。山區河道屬于非恒定流，伯努利方程并不完全適用，MIKE11 根據流量過程、上下游水位變化過程，按照質量守恒和動量守恒原理進行水力計算，適用于天然河道導流工程的設計計算，模型適應性強、應用范圍廣。

（2）導流工程設計過程中需結合河道的實際情況，選擇合適的控制斷面，對導流的時段和方式進行充分比選后，選擇經濟合理、安全可靠的導流方案。