道太溪流域大畈村綜合治理工程設(shè)計(jì)分析

甄選俊

(云南省昭通市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昭通 657000)

1 引言

河道具有防洪、排澇等作用，對(duì)城市發(fā)展建設(shè)有重大影響。在長(zhǎng)期的人類(lèi)工程活動(dòng)影響下，部分河道已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)狀防洪需求，針對(duì)這一類(lèi)型河道采取防洪綜合治理工程措施是十分必要的[1-4]。設(shè)計(jì)洪水參數(shù)是影響防洪工程設(shè)計(jì)的主要因素，需要結(jié)合流域?qū)嶋H情況，確定合理的防洪參數(shù)，保證河道沿線(xiàn)安全的同時(shí)降低工程投資[5-7]。道太溪流域是龍泉市重要的水系，流域范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，一旦爆發(fā)洪水將造成不可估量的損失，亟需采取防洪治理工程。

2 設(shè)計(jì)洪水參數(shù)

道太溪流域洪水主要受到氣候影響，梅雨、臺(tái)風(fēng)是造成流域洪水的主要原因。在地形、水汽輸送等因素影響下，流域范圍內(nèi)暴雨差異較大。道太溪流域洪水的主要特征是洪峰量大、漲落速度快、水量集中，洪水過(guò)程一般在3 d 以?xún)?nèi)。道太溪流域洪水多發(fā)于5 月～9 月。通過(guò)1∶10000 地形圖對(duì)各設(shè)計(jì)河段的流域特性參數(shù)進(jìn)行了量算。道太溪流域治理工程末斷面以上涉及道太溪干流河長(zhǎng)23.50 km，集雨面積115.77 km3，河道平均比降0.014。

道太溪流域?qū)儆跐駶?rùn)地區(qū)，產(chǎn)流方式為超蓄產(chǎn)流，當(dāng)土壤含水量不超過(guò)其持水量時(shí)，不產(chǎn)流。因此，區(qū)域降雨將全部被區(qū)域土壤吸收，直至達(dá)到持水量后方可產(chǎn)流。因此，考慮實(shí)際情況采用蓄滿(mǎn)產(chǎn)流簡(jiǎn)易扣損法進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算。

設(shè)計(jì)河段所控制的集雨面積由7.08 km2～115.77 km2變化，采用浙江省推理公式計(jì)算。

浙江省推理公式的一般形式為:

式中:Qm為洪峰流量，m/s3;h為凈雨;F為流域面積;τ為匯流歷時(shí)，h;l為出口斷面至分水嶺距離;J為沿流程比降;m為匯流參數(shù)。

表1 設(shè)計(jì)洪水成果表

水利計(jì)算范圍內(nèi)各河道屬山溪河流，河道坡降較大，洪峰流量相應(yīng)較大，水力計(jì)算采用山區(qū)性河道恒定非均勻流法，水面線(xiàn)采用HEC-ras 軟件計(jì)算。

(1)基本方程

河流連續(xù)下、上斷面能量函數(shù)為:

分別代表下游及上游斷面的能量函數(shù)，當(dāng)流量Q不變時(shí)，E1=E2，則:

式中:Q為洪峰流量，m3/s ;V1、V2分別為上、下斷面的流速，m3/s;ΔL為上、下斷面間距，m;Z1、Z2分別為上、下斷面的水位，m;K1、K2分別為上、下斷面流速模數(shù); 為阻力系數(shù)。

(2)河道斷面參數(shù)選取

1)河道坡降:根據(jù)河道實(shí)測(cè)斷面底高程量求。

2)河道斷面:實(shí)測(cè)地形及實(shí)測(cè)斷面量求。

3)河道糙率:取0.025～0.035。

4)局部阻力系數(shù):逐漸擴(kuò)散段 =0.33～0.55，急劇擴(kuò)展段=0.50～1.0，收縮及平順段 =0。

5)堰壩位置水利計(jì)算:水利計(jì)算過(guò)程中遇到堰壩，在堰壩位置采用堰流公式計(jì)算-堰上水深，并以堰上水深為起始水深從下游往上游推算水面線(xiàn)。

工程主要保護(hù)對(duì)象為農(nóng)田，按防沖不防淹的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表2 大畈段洪水位計(jì)算 單位:m

3 堰壩修復(fù)工程

大畈村1#堰壩位于大畈村上游450 m 處，主要為大畈村周邊農(nóng)田灌溉，堰壩長(zhǎng)度46.85 m，堰頂高程257.0 m～257.20 m，溢流面為混凝土，拋石基礎(chǔ)，下游無(wú)消能設(shè)施。目前堰壩基礎(chǔ)漏水嚴(yán)重，枯水期河道天然來(lái)水量較小時(shí)，灌溉渠道無(wú)水可引。堰壩采用折線(xiàn)型實(shí)用堰，上游堰體采用C20 砼澆筑，厚度0.8 m，溢流面坡比1∶3，采用C20 砼灌砌卵石砌筑，厚度0.35 m，底部為15 cm 厚C20 砼墊層，堰頂寬度1.5 m，全斷面溢流，堰頂設(shè)河卵石碇步，溝通河流兩岸，堰壩內(nèi)部采用C20埋石砼澆筑，堰壩下游設(shè)拋石防護(hù)。

大畈村2#堰壩位于大畈村B 段護(hù)岸樁號(hào)0+011.70 m 處，主要為大畈村下游右岸農(nóng)田灌溉，堰壩長(zhǎng)度41.28 m，堰頂高程251.50 m，受洪災(zāi)影響，該堰壩已完成被沖毀。本次重建修復(fù)，堰壩采用折線(xiàn)堰型，堰頂高程251.50 m，上游坡比1∶0.3，下游坡比1∶1，堰頂寬度1.5 m，全斷面溢流，堰頂設(shè)河卵石碇步，溝通河流兩岸，堰壩內(nèi)部采用C20 埋石砼澆筑，堰壩下游設(shè)拋石防護(hù)。

(一)計(jì)算工況:

計(jì)算工況取正常水位和設(shè)計(jì)水位兩種工況計(jì)算。

(二)荷載計(jì)算:

作用在壩上的荷載有:自重、水壓力、揚(yáng)壓力、淤沙壓力。

其計(jì)算方法分述如下:

(1)堰壩自重

式中:G為壩體重量;V為壩體體積;γm為壩體材料的容量。

(2)水壓力

式中:h為水面到堰頂?shù)你U直距離;H1為壩前水深;γ0為水的容重。

(3)揚(yáng)壓力

式中:γ0為水的容重;T為壩底寬;H2為下游水深;H為上下游水位差。

(4)淤沙壓力

式中:γs為淤沙浮容重;φs為淤沙的內(nèi)摩擦角;hs為淤沙層厚度。

(三)壩體抗滑穩(wěn)定采用抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算:

式中:K為安全系數(shù);ΣW、ΣP為作用于計(jì)算截面以上壩體全部荷載(含揚(yáng)壓力)對(duì)滑裂面的法向、切向分值，kN;f為抗剪摩擦系數(shù)。

取最不利堰壩斷面計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)算堰壩抗滑能滿(mǎn)足規(guī)范要求。計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 堰壩穩(wěn)定計(jì)算成果表

4 堤防工程設(shè)計(jì)

大畈村的治理河段有四段，各河段均為農(nóng)田外圍護(hù)岸，其中A 段新建護(hù)岸260.19 m，B 段新建護(hù)岸153.85 m，C 段新建護(hù)岸127.62 m，D 段新建護(hù)岸205.92 m。大畈村四段的防護(hù)對(duì)象均為農(nóng)田，道太溪流域治理工程大畈村段均按護(hù)岸進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，合計(jì)新建護(hù)岸747.6 m。大畈村護(hù)岸均位于凸岸，易淤積，采用干砌塊石重力式擋墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深1m。擋墻頂寬60 cm，采用15 cm 厚C20 砼壓頂，墻身采用干砌塊石砌筑，迎水側(cè)坡比為1∶0.2，背水側(cè)坡比1∶0.2 或1∶0.3，擋墻深入河床0.6 m，基礎(chǔ)采用40 cm 厚C20 砼。擋墻溝槽開(kāi)挖坡比1∶0.5，背坡采用砂礫石回填夯實(shí)。

(1)堤頂高程

工程主要為新建護(hù)岸，護(hù)岸頂高程按不低于現(xiàn)狀地面高程取值，本次不進(jìn)行高程計(jì)算。

堤頂超高按下式計(jì)算:

式中:Y為堤頂超高;R為波浪爬高;e為風(fēng)壅增水高度;A為安全加高，5 級(jí)堤防允許越浪考慮A=0.3 m。

取安全超高為0.3 m，由于波浪爬高和風(fēng)雍增水高度極小，堤頂超高值取0.3 m，在滿(mǎn)足超高要求下結(jié)合地形設(shè)置堤頂高程。

(2)堤腳防沖設(shè)計(jì)

順壩及平順護(hù)岸沖刷深度按下列公式計(jì)算:

式中:hs為沖刷深度，m;H0為水深，m;Ucp為垂線(xiàn)平均流速，m/s;Uc為泥沙擾動(dòng)系數(shù);U為行進(jìn)流速，m/s;n為與防護(hù)岸形狀有關(guān)的系數(shù);η為不均勻系數(shù)。

表4 沖刷深度計(jì)算表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合規(guī)范對(duì)坡式護(hù)岸基礎(chǔ)埋深的要求，道太溪流域大畈村段河道綜合治理工程設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)埋深按設(shè)計(jì)值取值。

(3)抗沖粒徑計(jì)算

抗沖粒徑計(jì)算方法如下:

式中:d為折算直徑，按球型折算，m;V為水流流速，m/s;W為塊石重力，kN;g為重力加速度，9.81 m/s2;rs為塊石的重度，取25 kN/m3;r為水的重度，取10 kN/m3;c為石塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)，取1.2。

經(jīng)計(jì)算可知抗沖粒徑計(jì)算值d=23 cm，本次抗沖塊石粒徑取50 cm，滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)論

為了保護(hù)道太溪流域沿線(xiàn)居民安全，保障生產(chǎn)生活正常進(jìn)行，減少洪澇風(fēng)險(xiǎn)，龍泉市實(shí)施道太溪流域綜合治理工程。通過(guò)浙江省推理公式獲取大畈村段設(shè)計(jì)洪水參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供參考。結(jié)合工程情況，采取堤壩、堤防等工程措施加以治理，通過(guò)穩(wěn)定性復(fù)核滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，可為類(lèi)似工程提供參考。