銀河灣工程防洪計算與分析

劉 紅

沈陽銀河灣工程位于沈陽市區(qū)東部，總用地面積為47.36 hm2，在渾北壩與東陵橋之間的渾河北岸。本工程既要滿足現(xiàn)實(shí)的市場需要，也要滿足更高層次的規(guī)劃要求，使功能與周邊環(huán)境相契合，又能起到應(yīng)有的先導(dǎo)性，創(chuàng)造一個布局合理、功能齊全、有文化內(nèi)涵的復(fù)合型居住區(qū)，并提高整個地區(qū)的城市空間質(zhì)量。由于銀河灣工程建在臨渾河北岸，為保證銀河灣工程防洪安全、總體布局的合理，并盡可能避免對沈陽城市防洪的影響，滿足防洪規(guī)劃的要求，本文對銀河灣工程進(jìn)行防洪計算與分析。

1 計算范圍

銀河灣工程位于東陵橋與渾北壩之間的渾河北岸。本文中水面線計算范圍從王家灣橡膠壩至上游渾北壩斷面，計算范圍內(nèi)河道全長7.7 km，布置河道計算橫斷面21條，現(xiàn)狀跨河橋梁有新、舊東陵橋，攔河壩有王家灣橡膠壩、渾北壩、干河子壩。計算斷面示意圖見圖1。

圖1 計算范圍斷面示意圖

2 基礎(chǔ)參數(shù)

2.1 計算流量

銀河灣工程河段規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，因此銀河灣工程所在河段的防洪影響分析的水力計算選取P=2%和P=1%頻率洪水進(jìn)行計算。根據(jù)水文分析計算成果，渾河沈陽站P=2%和P=1%頻率洪水洪峰流量分別為4074 m3/s、4939 m3/s。

2.2 河道斷面

由于采砂和1995年洪水的共同作用，使得渾河沈陽城市段河道嚴(yán)重下切，尤其是八三隧道～渾北壩河段，2005年汛后主槽斷面較以往主槽斷面進(jìn)一步拓寬、加深。水力計算采用的河道縱斷面是在2005年現(xiàn)狀河床的基礎(chǔ)上考慮了2005年王家灣橡膠壩建成后，淤積情況加重等因素，充分考慮淤積的情況下擬定出的河道縱斷面。王家灣橡膠壩底板高程43 m，渾北壩經(jīng)2006年改建后，壩下海漫末端高程45 m，用這兩個控制點(diǎn)作為未來淤積的河底高程。

水力計算采用2005年實(shí)測河道橫斷面，主槽寬為現(xiàn)狀寬度。

2.3 起點(diǎn)水位

起點(diǎn)水位采用王家灣橡膠壩上游50 m處模型實(shí)測水位～流量關(guān)系曲線。

表1 閘上50 m位置處水位～流量關(guān)系

2.4 糙率分析及選定

渾河沈陽段河道橫斷面為復(fù)式河槽，其糙率按主槽、左灘、右灘分別選定，糙率n值見表2。主槽糙率和灘地糙率依據(jù)《渾河沈陽城市防洪規(guī)劃修編報告》確定，本次計算主槽糙率值采用0.03，灘地糙率選取0.08～0.125。

表2 計算選定糙率表

3 計算方法

防洪影響分析河段水面線計算采用能量方程式進(jìn)行計算，其中橋壅水計算采用鮑氏公式，一般斷面間用能量方程式推算。

（1）河道水面線采用恒定非均勻流公式推算。基本方程式為：

式中：ΔZ為上下游水位差；L為上下游流心距；V上為上游斷面平均流速；V下為下游斷面平均流速；K為河段平均流量模數(shù)，

（2）橋梁壅水計算

公路橋壅水高度計算采用公路設(shè)計規(guī)范推薦的公式：

式中：η為系數(shù)(與水流進(jìn)入橋孔的阻力有關(guān))，η=0.09；V0為天然條件下橋位置的平均流速，，m/s；V 為有沖刷情況時橋下平均流速m/s；P 為與橋孔沖刷有關(guān)的系數(shù)P=1.1；V為橋下設(shè)計流速m/s；W 為過水?dāng)嗝?，m2。

4 計算結(jié)果分析

4.1 河道縱斷變化分析

比較近年來測繪的渾河沈陽城市段的河底高程可以看出，自1988年以來，渾河河底呈逐年加深的趨勢，河床下切主要是因?yàn)椤?5”特大洪水的沖刷及河道采砂的影響。河道縱斷面變化情況見表3。建成大伙房水庫以后，使謨家堡閘以上洪水及泥沙基本得到控制。銀河灣工程段所處的特殊位置，上游有渾北壩和干河子壩攔蓄了泥沙，河段不易淤積。本次計算以王家灣橡膠壩底板高程43 m和2006年改建后的渾北壩下海漫高程45m這兩個控制點(diǎn)作為未來淤積的河底高程，河底平均淤積深度3.93m。

比較近年來各斷面河底高程可以看出，規(guī)劃河底高程線作為外包線，高于近期歷史上出現(xiàn)的最高縱斷面河底高程。在東陵橋處規(guī)劃河底比2002年天然河底最大淤積深度可達(dá)6.3 m，這也說明了本次計算采用的規(guī)劃河底已充分考慮了建成王家灣橡膠壩后的淤積影響。因此，從銀河灣工程項(xiàng)目遠(yuǎn)景規(guī)劃角度來看是偏于安全的，可以作為銀河灣工程項(xiàng)目防洪影響分析的科學(xué)依據(jù)。

表3 王家灣橡膠壩～渾北壩段河底高程比較表 單位：m

4.2 計算成果

2005年汛后主槽斷面較以往主槽斷面拓寬、加深，即行洪斷面變大，主槽過流能力增強(qiáng)。渾北壩自1974年建成以來，壩下河床逐年下切，2002年后壩下消力池已經(jīng)由初建時的一級消力池接續(xù)到三級消力池，消力池底板高程由48.93 m降至43.5m。2005年水毀后，渾北壩經(jīng)改建修復(fù)，壩下游進(jìn)行重新設(shè)計，變?yōu)橐患壪Τ亟Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)狀一級消力池底板高程仍采用水毀前的三級消力池底板高程43.5 m，海漫末端高程45 m。2005年王家灣橡膠壩建成后，淤積情況同天然狀態(tài)相比會加重一些。從安全角度出發(fā)，充分考慮淤積的情況下，以王家灣橡膠壩底板高程和渾北壩海漫末端高程為控制點(diǎn)，確定數(shù)學(xué)計算的河床縱剖面，以此作為規(guī)劃河底。

王家灣橡膠壩底板高程43m，渾北壩下海漫末端高程45m，用這兩個控制點(diǎn)作為未來淤積的河底高程，同現(xiàn)狀河底相比平均淤積深度3.93 m，其中，東陵橋至渾北壩區(qū)間平均淤積深度3.30 m。各斷面淤積情況見表4。

表4 2005年地形現(xiàn)狀與規(guī)劃平均河底高程比較分析表 單位：m

以淤積斷面為基礎(chǔ)，計算王家灣橡膠壩～渾北壩段水面線，詳見表5。以此作為規(guī)劃的水面線，來分析該河段的防洪能力。由表5可知，發(fā)生50年一遇頻率洪水時，東陵橋至渾北壩段，銀河灣工程處原地面安全超高1.48～2.99m。

表5 王家灣橡膠壩～渾北壩段計算水面線 單位：m

4.3 成果分析

將P＝2%時現(xiàn)狀模型實(shí)測成果與規(guī)劃計算水面線比較，見表6。在東陵橋至渾北壩段，河床平均淤積深度3.3 m。因此，50年一遇洪水時，計算出的規(guī)劃水面線比模型實(shí)測的水面線普遍偏高，最大差值2.53 m出現(xiàn)在東陵橋上游河寬縮窄斷面S11處，水面線平均抬高2.36 m。

表6 模型實(shí)測成果與規(guī)劃計算成果比較表 單位：m

模型實(shí)測成果和數(shù)學(xué)計算成果存在的差異主要是由于基礎(chǔ)條件不同造成的，兩種情況況如下：

模型試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)條件：2005年汛后實(shí)測的地形、斷面寬度，現(xiàn)狀存在的所有攔河建筑物和跨河建筑物。

數(shù)學(xué)計算成果的基礎(chǔ)條件：淤積計算采用的河床縱斷面是以王家灣橡膠壩底板高程43m與渾北壩下海漫高程45m為控制點(diǎn)確定的淤積后河底高程，橫斷面采用現(xiàn)狀寬度。主槽糙率和灘地糙率是依據(jù)《渾河沈陽城市防洪規(guī)劃修編報告》確定的。

5 防洪影響分析

（1）與現(xiàn)有水利規(guī)劃的關(guān)系與影響分析

渾北壩至馬官橋河段岸邊高程較高，洪水危害范圍小，區(qū)域按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)控制保護(hù)范圍，規(guī)劃不建堤防。銀河灣工程位于渾北壩至東陵橋之間的渾河北岸，即渾北壩至馬官橋的無堤段。依據(jù)數(shù)學(xué)計算和物理模型觀測的成果可知，發(fā)生50年一遇洪水時，完全是主槽行洪。銀河灣工程的建設(shè)不會影響規(guī)劃中的沈陽城市防洪工程的建設(shè)布局和工程實(shí)施。

（2）行洪安全的影響分析

通過數(shù)學(xué)模型的計算和物理模型的觀測，河段規(guī)劃50年一遇洪水位在岸邊高程以下，即河道主槽行洪，因此不影響該河段的防洪安全，也不存在阻水與壅水現(xiàn)象，因此對上游的防洪安全基本無影響。

（3）河勢穩(wěn)定的影響分析

銀河灣工程所在位置正處在干河子壩和渾北壩下泄水流的匯流段，壩頂高程均為52.6 m，河底高程在40 m～45 m左右，汛期水頭近10余米，而且深弘線靠近北岸，河段的濱水路為沙石路基，路面高程普遍偏低，無法抵御洪水的沖刷，屬險工險段。通過50年一遇洪水流速及流速場的觀測分析，河段岸邊流速較大，最大流速已達(dá)3 m/s～4 m/s，極易造成沖刷、兌岸破壞，必須加強(qiáng)主河道的全線防沖保護(hù)。

6 結(jié)論

采用水力學(xué)計算方法，對銀河灣工程進(jìn)行防洪計算與分析，計算結(jié)果符合實(shí)際情況。根據(jù)物理模型觀測和數(shù)學(xué)計算成果，分別體現(xiàn)了銀河灣段河底的現(xiàn)狀天然條件及未來淤積影響，兩種成果為銀河灣工程項(xiàng)目近期與遠(yuǎn)期的規(guī)劃和開發(fā)提供了可靠數(shù)據(jù)，可以作為銀河灣工程項(xiàng)目防洪影響分析的科學(xué)依據(jù)。