張競(jìng)競(jìng)
(山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,太原 030024)
汾河是我省最大的河流,也是黃河第二大支流,自寧武縣管涔山發(fā)源地至上蘭村為上游段,全長(zhǎng)217.6km,靜樂(lè)縣位于晉西北汾河上游。汾河靜樂(lè)縣城段左岸堤防改建工程全長(zhǎng)933m,依汾河靜樂(lè)縣的左岸而設(shè)。汾河靜樂(lè)縣左岸堤防改建工程就是在保證縣城防洪安全的前提下,結(jié)合縣城至杜家村公路建設(shè),局部地段理順河道,為縣城發(fā)展留下空間。由于汾河靜樂(lè)縣城段左岸堤防改建工程項(xiàng)目涉及對(duì)汾河的防洪影響,故對(duì)靜樂(lè)縣城段左岸堤防改建工程所在河段的河勢(shì)、防洪及上下游河道工程進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià),并提出消除影響應(yīng)采取的措施,為工程的順利施工和河道的安全運(yùn)行提供依據(jù)。
改建段位于新建汾河大橋開(kāi)始至迎新大橋上游760m彎道止,全長(zhǎng)933m(樁號(hào)1+219m至樁號(hào)2+152m)。該段地形較為平坦開(kāi)闊,主河槽寬度在200~240m,兩岸均有堤防,部分地段堤線曲度較大,所以對(duì)該段進(jìn)行左岸堤防改建,以理順河道,為靜樂(lè)縣的美化治理奠定基礎(chǔ)。
堤防防洪保護(hù)對(duì)象為靜樂(lè)縣城,是重要的文化經(jīng)濟(jì)區(qū)域,人口少于20萬(wàn),根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—94)規(guī)定,屬于Ⅳ級(jí)城市,防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇。
工程左岸縣城至杜家村的公路根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—94)規(guī)定,采用50年一遇。
根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-98)中的SL51—93第2.1.1條,本工程堤防級(jí)別為4級(jí),防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇。
汾河上游的各工程,采用面積比的指數(shù)均為0.5,因此本次仍采用面積比的0.5次方。堤防改建段各頻率設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表1。
表1 堤防改建段設(shè)計(jì)洪峰流量成果表
河道水面線計(jì)算,采用灘槽不同糙率的一維恒定非均勻漸變流方程計(jì)算[2],公式為:
式中:Z 為斷面水位,m;Q 為斷面流量,m3/s;v為平均流速,m/s;α、ζ分別為動(dòng)能修正系數(shù)和局部阻力系數(shù);K綜合流量模數(shù)[3],由下式確定:
式中:Ai,Ri,ni分別為左灘、中槽、右灘的斷面面積、過(guò)水面積水力半徑和糙率。
依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)察看及橫斷面資料分析,改建斷面處河道較平緩、寬闊,屬緩流區(qū),故自下而上逐斷面推算河道水面線,分別計(jì)算了發(fā)生P=2%和P=5%的設(shè)計(jì)洪水時(shí),堤防改建前后的水面線。具體計(jì)算成果見(jiàn)表2,表3,水面線見(jiàn)圖1,圖2。
表2 P=5%水面線計(jì)算成果表(堤防改建前后)
表3 P=2%水面線計(jì)算成果表(堤防改建前后)
圖1 P=5%水面線
圖2 P=2%水面線
1)水流斜沖防護(hù)岸坡的沖刷深度按《水利計(jì)算手冊(cè)》中的公式計(jì)算[5],公式如下:
式中:hp為從河底算起的局部沖深,m;α為水流流向與岸坡交角,度;m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù);d為坡腳處土壤計(jì)算粒徑。對(duì)非黏性土,取大于15%(按質(zhì)量計(jì))的篩孔直徑,cm;vj為水流的局部沖刷流速,m/s。
2)水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷按《水利計(jì)算手冊(cè)》計(jì)算[5]公式如下:
式中:hB為局部沖刷深度,m;hp為沖刷處的水深,以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替,m;vp為平均流速,m/s;vH為河床允許的不沖流速,m/s,按粗砂取0.7m/s;n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),取0.25。
根據(jù)以上公式及參數(shù),當(dāng)發(fā)生20年一遇洪水時(shí),改建河段水流對(duì)岸坡的沖刷深度計(jì)算如表4所示。
表4 河道堤岸沖刷深度表
由上表計(jì)算成果可知:堤防改建后,發(fā)生20年一遇洪水時(shí),改建處一定范圍內(nèi)形成降水段,其水流流速有所增加,對(duì)河道堤防有所沖刷,改建前后水流斜沖岸坡沖刷深度最大可能增加0.45m,平行岸坡的沖刷深度最大可能增加0.15m。
汾河靜樂(lè)縣城段左岸堤防改建工程項(xiàng)目拆除了現(xiàn)有左岸堤防,并向右側(cè)移20m左右,建設(shè)項(xiàng)目直接改變了現(xiàn)有堤防工程,但改建后的新堤防替代了原堤防的功能。
由于建設(shè)項(xiàng)目所在河段床面較平整,河道基本順直,斷面較規(guī)則,兩岸為漿砌石堤防,形狀較整齊,河道左岸改建裁彎取直后,致使工程上游一定范圍內(nèi)水位壅高,河道有所束窄,但河道寬度仍在200~240m,因此左岸堤防改建對(duì)河道泄洪影響不大。
建設(shè)項(xiàng)目拆除了現(xiàn)有左岸堤防,向右移20m左右,直接改變了現(xiàn)有堤防,縮窄了行洪斷面,也改變了局部河勢(shì)。
因?yàn)楹拥赖目s窄和堤防位置的變化,從而水流流速和水流方向也發(fā)生了改變,也將對(duì)河勢(shì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。但在新舊堤防的約束下,中小水流仍在堤防內(nèi),對(duì)河勢(shì)影響不大。
靜樂(lè)縣城段汾河干流已建堤防工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,其主要任務(wù)是保證靜樂(lè)縣城的安全和保護(hù)兩岸村鎮(zhèn)及灘地免受洪水沖刷。左岸堤防改建如與原堤防銜接好,對(duì)兩岸堤防影響不大。
本工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,與《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定一致,與本段河道的有關(guān)管理規(guī)定相適應(yīng)。
本項(xiàng)目需在河道內(nèi)進(jìn)行施工建設(shè),會(huì)出現(xiàn)在河道內(nèi)堆渣、棄渣的現(xiàn)象,影響河道行洪安全。建議妥善安排施工期,并在施工完成后,將棄渣清理出河道,防止洪水受阻或棄渣被帶入主河道。施工期要與河道主管部門、水情部門保持密切聯(lián)系,根據(jù)洪水預(yù)報(bào),合理安排工期,以確保順利施工和安全度汛??⒐を?yàn)收前,應(yīng)及時(shí)清除施工便道等臨時(shí)建筑物,產(chǎn)生的棄渣廢料也應(yīng)及時(shí)清理出河道,集中處理,并按有關(guān)規(guī)范要求恢復(fù)河道原貌,以保證汛期行洪安全。
由水面線分析[1][4]可知:當(dāng)發(fā)生20年一遇洪水時(shí),原河道寬度237~259m,改建后河寬為209~253m,改建前后最大壅水高度為0.20m,壅水長(zhǎng)度約500m,左岸堤頂高程為1212.13m,改建后水位為1211.90m;
當(dāng)發(fā)生50年一遇洪水時(shí),原河道寬度238~260 m,改建后河寬為210~255m,改建前后最大壅水高度為0.26m,壅水長(zhǎng)度約500m,二級(jí)公路寧白線路面高程為1212.5m,改建后水位為1212.49m。
工程建設(shè)后河道有所束窄,使工程上游形成壅水段,應(yīng)重新復(fù)核堤頂高程,原堤防堤頂高程若不滿足要求,應(yīng)該抬高堤頂或路基。
建設(shè)初期應(yīng)及時(shí)做好水土保持工作,對(duì)可能造成的水土保持方面的影響做好預(yù)測(cè)和評(píng)估,并擬定減少影響所應(yīng)該采取的措施;對(duì)施工區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的廢水、污水等應(yīng)通過(guò)適當(dāng)處理,實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,不得任意棄置或直接向河道排放,避免對(duì)河道水質(zhì)及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染;對(duì)河道、岸邊開(kāi)挖等毀壞的生物保護(hù)和地表植被進(jìn)行恢復(fù)。堤防改建后,對(duì)生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的廢水、污水等進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè),采用相應(yīng)的污水處理措施,實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,不得任意棄置或直接向河道排放,避免對(duì)河道水質(zhì)及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染。
通過(guò)對(duì)本工程所在河段水文氣象特性、河床沖淤演變以及工程建設(shè)對(duì)所在河段防洪影響情況的分析計(jì)算,得出如下結(jié)論,并提出有關(guān)建議:
1)本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇設(shè)計(jì)洪水;靜樂(lè)縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇,符合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201——94)要求,滿足防洪要求。
2)工程處的設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算采用延長(zhǎng)系列后的成果,其20年一遇洪峰流量為1702m3/s,50年一遇洪峰流量為2310m3/s,堤防改建時(shí)河道按20年一遇洪水位設(shè)防,以保證達(dá)到20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。
3)本工程建設(shè)不與現(xiàn)有水利規(guī)劃沖突,對(duì)河道的河勢(shì)穩(wěn)定性影響甚微。
4)堤防改建后,使得過(guò)流斷面有所變窄,對(duì)河床及堤防的沖刷有所加劇。
當(dāng)河道發(fā)生20年一遇洪水時(shí),改建后水流斜沖岸坡最大沖刷深度為1.58m,平行岸坡的沖刷深度為2.76m。設(shè)計(jì)堤防基礎(chǔ)防護(hù)深度不小于2.8m,對(duì)改建段上下游500m范圍內(nèi)現(xiàn)有堤防進(jìn)行加固處理。
5)靜樂(lè)縣城段左岸堤防改建后,發(fā)生20年一遇洪水時(shí),壅水0.2m,原堤防堤頂高程可能不滿足要求,應(yīng)該抬高堤頂或路基。
6)工程施工應(yīng)避開(kāi)汛期,在汛期來(lái)臨前結(jié)束工程施工,并推平施工便道等臨時(shí)建筑物,恢復(fù)河道原貌,以利洪水通暢宣泄。
[1]吳持恭主編.高速水利學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川大學(xué))編.水利學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003.
[2]葉守澤.水文水利計(jì)算[M].北京:水利電力出版社,1992.
[3]吳明遠(yuǎn),詹道江,葉守澤.工程水文學(xué)[M].北京:水利電力出版社,1987.
[4]葉秉如.水利計(jì)算[M].北京:水利電力出版社,1985.
[5]梁在潮,李煒,黃克中,等.水利計(jì)算手冊(cè)[M].北京:水利電力出版社,1983.