陽泉市省道214陽泉過境公路李家莊河防洪評價研究

馮 偉，沈金娟，李曉雷，雷 雨，陳 超，蘇小娟

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 概述

陽泉市位于山西省中部東側(cè)、太行山西麓的山間盆地，為石太鐵路的中樞站，是山西省以煤炭工業(yè)為主的重工業(yè)基地之一，也是晉東的經(jīng)濟(jì)文化中心。

李家莊河為桃河的一級支流，發(fā)源于劉備山，全長755 m。流域面積22.2 km2，河流途經(jīng)李家莊外圍。多年來，由于人類活動影響因素的日益頻繁，河道淤積及其嚴(yán)重，河流李家莊外圍幾乎被道路、橋梁及酒店覆蓋。為了緩解交通擁擠，美化環(huán)境，改善氣候。在以往道路擴(kuò)建其間，李家莊河實(shí)際已經(jīng)被覆蓋，通過埋在地下的3×3雙拱涵洞過水，河道基本消失?，F(xiàn)陽泉市規(guī)劃設(shè)計院于2010年8月完成了省道214陽泉過境公路改建工程的設(shè)計報告，見圖1。該公路改造工程覆蓋段的涵洞，起點(diǎn)向西接至新規(guī)劃4×4涵洞，穿越過省道214陽泉市過境公路，出口接新建李家莊橋下涵洞。以上工程項(xiàng)目的建設(shè)，主要工程建設(shè)范圍位于李家莊河流域，實(shí)質(zhì)為李家莊河的覆蓋工程，根據(jù)《中華人民共和國防洪法》、原國家計委及水利部《河道范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》（水政[1992]7號），對河道管理范圍內(nèi)的項(xiàng)目，應(yīng)進(jìn)行防洪評價。受陽泉市郊區(qū)交通運(yùn)輸局的委托，本研究就以上項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)的李家莊河進(jìn)行防洪影響評價研究。

圖1 李家莊近期規(guī)劃

2 技術(shù)路線及工作內(nèi)容

本次防洪影響評價的技術(shù)路線為：以陽泉市郊區(qū)交通運(yùn)輸局提供的陽泉市規(guī)劃設(shè)計院（2010年8月）完成的省道214陽泉過境公路改建工程的設(shè)計報告為基礎(chǔ)，以治理河段為研究對象，對規(guī)劃方案提出的治理方案工程措施等進(jìn)行分析評價，并作出補(bǔ)充規(guī)劃。主要計算出20年和50年一遇的設(shè)計洪水；對雙拱涵洞排洪能力進(jìn)行水力計算，主要是分析設(shè)計水深的影響；對規(guī)劃方案及治理工程措施進(jìn)行防洪評價；提出對治理河段的其他建議[2]。

2.1 防洪評價計算

水文分析計算主要內(nèi)容，在本次研究中，只需計算設(shè)計洪峰流量，以便對涵洞的過流能力進(jìn)行評價。本研究分別采用3種計算方法進(jìn)行，對計算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，最后選定合理的洪峰流量值。

2.1.1 淤地壩公式

根據(jù)山西省《淤地壩工程技術(shù)規(guī)范》（晉Q834—85），骨干壩、中小型淤地壩設(shè)計水文泥沙分析計算采用24 h降雨量。

（1）不同頻率24 h暴雨量計算：不同頻率24 h暴雨量采用下式計算：H24，P=KP×

式中：H24，P：頻率為 P 的 24 h 暴雨量，mm；

KP：頻率為pⅢ型曲線模比系數(shù)；

（2）設(shè)計洪峰流量。設(shè)計洪峰流量采用下式計算：Qp=C1H24，pF2/3

式中：Qp：設(shè)計頻率暴雨產(chǎn)生的洪峰流量，m3/s；

C1：洪峰地理參數(shù)，取 C1=0.19；

H24，p：頻率為 P 的 24 h 暴雨量；

F：控制流域面積，km2。

根據(jù)以上計算可以得出不同頻率條件下流域設(shè)計洪峰流量。其計算成果見表1。

表1 不同頻率計算成果表

2.1.2 水文比擬法

由于李家莊河是桃河的一級支流，距桃河水文站較近，下墊面條件相近，于是選用了桃河陽泉水文站作為參證站，陽泉水文站控制流域面積503 km2，收集到1955—2006年，52年的實(shí)測洪峰流量資料,山西省水文站對桃河的調(diào)查洪水做了大量工作，調(diào)查結(jié)果可靠，本次研究采用有關(guān)設(shè)計報告中的調(diào)查洪水資料。陽泉站有14次調(diào)查洪水，最早為1896年，調(diào)查期為100年。本次設(shè)計中選取了8年洪峰大、成果較可靠的調(diào)查洪水。

頻率曲線的線型采用皮爾遜Ⅲ型，統(tǒng)計參數(shù)采用矩法估計和DPS數(shù)據(jù)處理工作平臺兩種方法估算，借助DPS數(shù)據(jù)處理工作平臺，最后調(diào)整Cv和Cs參數(shù)，選擇一條最優(yōu)的擬合曲線。最后采用統(tǒng)計參數(shù)均值Q=530 m3/s，變差系數(shù)Cv=1.3。偏態(tài)系數(shù)Cs=2.25，Cs/Cv=1.78。桃河陽泉水文站洪峰流量頻率計算成果見表2。

表2 桃河陽泉水文站洪峰流量頻率計算成果表

本次防洪評價研究對象為李家莊河，附近沒有水文站。該斷面的洪峰流量采用山西省水利廳于2010年12月修訂的《山西省水文計算手冊》水文比擬法來估算。計算洪水公式如下：

Qp，設(shè)=KSKAQP

式中：Qp,設(shè)：設(shè)計流域的設(shè)計洪峰流量，m3/s；

Qp，參：參證流域的設(shè)計洪峰流量，m3/s；

KA：面積比擬系數(shù)；

KS：雨力比擬系數(shù)；

根據(jù)以上計算結(jié)合參證站實(shí)測資料，可以得出不同頻率條件下雨力比擬系數(shù)及設(shè)計洪峰流量，見表3。

表3 不同頻率所對應(yīng)的雨力比擬系數(shù)ks值表及洪峰流量表

2.2 設(shè)計洪峰流量合理性分析

采用上述3種計算方法所得的洪峰流量成果見表5。

表5 設(shè)計斷面不同頻率洪峰流量匯總表

計算結(jié)果合理性分析：

由于陽泉水文站控制流域面積（503 km2）遠(yuǎn)大于設(shè)計流域斷面即李家莊河控制流域面積，所做出的計算結(jié)果相比經(jīng)驗(yàn)公式和淤地壩公式法相差較大，以至于水文比擬法所計算的結(jié)果只作為參考；淤地壩方法是理論比較成熟的方法，有一套比較完整的運(yùn)算系統(tǒng)，是水土保持骨干工程設(shè)計洪水計算中普遍采用的一種方法。再加上用此方法計算出的成果較其他方法大，對工程比較安全。綜上，采用淤地壩公式的計算結(jié)果，見表6。

3 拱涵洞概況及過流能力

該公路改造工程覆蓋段的涵洞的拱涵洞采用鋼筋混凝土箱涵式。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，開始段向西于新規(guī)劃箱涵的銜接處斷面為漿砌石拱標(biāo)準(zhǔn)涵段，中間段為兩段鋼砼段漸變段和其間一段鋼砼段，出口段是石拱段。進(jìn)口拱涵段設(shè)計：過水底寬4m，直墻高2.0m，拱頂弧形內(nèi)半徑為2.0 m，外半徑為2.6 m。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201—94，李家莊河為50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 雙拱涵洞過水能力計算

按最不利過水形式排放，設(shè)計洪水頻率為2%需要排放的最大過水流量為86.62 m3/s,頻率為1%洪水洪峰流量最大值為98.85 m3/s。糙率n按混凝土抹面糙率值取0.015，排水涵洞的出口形式為開放式，所以采取明渠均勻流公式進(jìn)行計算：

式中：Q：設(shè)計流量，m3/s；

A：過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

C：謝才系數(shù)；

R：水力半徑，m；

排水涵洞是否能夠順利通過不同頻率的設(shè)計洪水，特別是當(dāng)發(fā)生50年一遇的洪水時，雙拱涵洞能否順利排洪，即求出過水水深，看是否存滿整個涵洞。

顯然，在上式中Q，b，n，i為已知，僅h為未知。但上式系為一高次方程，采用迭代法，選用VB計算機(jī)語言完成水深的計算。

當(dāng)（Abs（hi+1-hi）>0.000 000 01）滿足給定精度時，則hi+1即為所求的均勻流水深。進(jìn)口拱涵段拱涵洞過水能力計算結(jié)果見表7。

表7 進(jìn)口拱涵段過水能力計算結(jié)果成果表

通過以上計算結(jié)果可知，李家莊河在遭遇頻率為50年一遇的洪水時，匯流到排水涵洞的最大洪峰流量為86.62 m3/s，這時單涵洞的過水深度為2.01 m，過水面積為8.04 m2。雙拱涵洞的平均水深1.05 m，洪水可以順利通過。

3.2 治理方案及行洪能力

對現(xiàn)狀工程行洪能力進(jìn)行復(fù)核計算，設(shè)計涵洞過水能力計算結(jié)果見表8。

表8 設(shè)計涵洞過水能力計算成果結(jié)果

當(dāng)整個拱涵洞過水時，按照管道出流進(jìn)行水力計算，單拱過水流量Q為152.3 m3/s，雙拱過水量Q為304.6 m3/s。無論是170.56 m3/s還是304.6 m3/s，其流量都遠(yuǎn)大于設(shè)計最不利淤地壩公式算出的200年一遇的洪峰流量110.37 m3/s，所以該涵洞能順利通過50年一遇的洪水。

4 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，本次評價選用重現(xiàn)期為50年一遇的洪水作為分析的基礎(chǔ)，并對李家莊河段頻率為0.5%、1%、2%、5%、10%的最大洪峰流量做了推理和計算。經(jīng)計算，李家莊河段流域50年一遇洪水最大洪峰流量為86.62 m3/s。

（2）該工程涵洞改建結(jié)構(gòu)設(shè)計為過水底寬4.0 m，直墻高2.0 m，拱頂弧形半徑為2.0 m，拱頂中心角為180度，出水形式為開放式。經(jīng)水力計算得出，在發(fā)生50年一遇的洪水時，雙拱涵洞平均過水深為1.05 m，故該排水涵洞可以滿足排洪的要求。

（3）雙拱涵洞排水設(shè)施，是汛期泄洪的唯一通道，無論是在省道214陽泉過境公路改建工程建設(shè)期間還是在后續(xù)的使用過程中，汛期必須保持排水系統(tǒng)的暢通。在汛期到來之前要對整條河段的排水設(shè)施進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時做出補(bǔ)救措施。尤其是李家莊上游的排洪涵洞，要及時進(jìn)行清淤清砂，保持涵洞渠道的通暢。

（4）該排水（4×4 m）雙拱涵洞需要與上游原有的半圓拱形排水涵洞（3×3 m）相連接，而上游涵洞為漿砌石涵洞，經(jīng)過多年的運(yùn)行，其穩(wěn)定性已經(jīng)大不如前，故為了保持整個排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，本次改擴(kuò)工程要求如下：①原有排洪涵洞的保留部分全部做鋼筋混凝土內(nèi)襯防護(hù)。②在兩涵洞銜接部分由于過水?dāng)嗝娴牟煌?，洪水的流速和水流狀態(tài)也有很大的差異，使得對涵洞的沖刷和汽蝕加大。為了解決這一問題，建議在施工中，對可能引起水流形態(tài)發(fā)生驟變的地方適當(dāng)對涵洞壁進(jìn)行加厚。