中小河流防洪治理河道寬度選擇

董敏龍

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

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中小河流防洪治理河道寬度選擇

董敏龍

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

中小河流治理結(jié)合城鎮(zhèn)化發(fā)展成為防洪治理重要方向。因人類歷史發(fā)展、上游建設(shè)水庫(kù)、近年來雨水偏少等原因，北方地區(qū)中小河流下游河道往往斷流，河道多被侵占或束窄。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，中小河流河道治理項(xiàng)目增多，河道寬度的選擇就成了防洪設(shè)計(jì)的難題。采用河相關(guān)系式確定防洪治理河道寬度，以滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)。

中小河流；防洪治理；河項(xiàng)關(guān)系式；河道寬度

0 前 言

近年來，隨著大江大河防洪治理的逐步完成，中小河流治理結(jié)合城鎮(zhèn)化的發(fā)展，逐步成為防洪治理的主要內(nèi)容[1-2]。未進(jìn)行防洪治理的中小河流，主要因?yàn)樯嫌涡藿ㄋ畮?kù)，引起下游河道發(fā)生洪水的概率較??；或是因?yàn)榻陙碛晁伲樗l(fā)生概率小，因而河道多被侵占或束窄。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展及各種工業(yè)園區(qū)的建設(shè)，居民固定資產(chǎn)增多，城鎮(zhèn)附近河流及溝道需進(jìn)行防洪治理，以確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

筆者參與設(shè)計(jì)的西安臨潼國(guó)家旅游休閑度假區(qū)韓峪河防洪工程所在的韓峪河，從小峪溝匯入韓峪溝，出溝口后進(jìn)入平原區(qū)，河道比降較小，土地平整，由于當(dāng)?shù)鼐用窨s河種地，河道變成2 m寬，1 m深的小河道，沿岸地勢(shì)平坦。原河道現(xiàn)已被沿線數(shù)家磚廠或農(nóng)田侵占，一旦漲水將會(huì)泛濫成災(zāi)。河床均為土質(zhì)，在人為因素干擾下，古河道已無(wú)痕跡，因此河道治理設(shè)計(jì)及河道寬度的選擇就成了防洪設(shè)計(jì)的難題，該工程河道寬度采用河相關(guān)系式進(jìn)行確定。

1 河相關(guān)系式的由來

沖積河流通過自動(dòng)調(diào)整作用，作為較長(zhǎng)時(shí)間的平均情況來說，有可能處于相對(duì)平衡狀態(tài)，在斷面形態(tài)和縱剖面與流域因素之間應(yīng)該存在某種定量關(guān)系，這種關(guān)系一般稱為河相關(guān)系。河相關(guān)系[3]有2種不同的類型：一種是反映不同河流之間，或同一條河流上下游之間，由于水流、泥沙和邊界不同引起河床形態(tài)的變化，稱為沿程河相關(guān)系式。通過平灘流量和某一頻率的流量不同斷面或河流的資料統(tǒng)一起來。另一種是研究某個(gè)河段或斷面在不同流量下斷面尺寸和坡降的變化，稱為斷面河相關(guān)系。

在印度和巴基斯坦的北部，氣候比較干旱，人們從長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，逐步認(rèn)識(shí)到渠道需要一定的斷面尺寸和渠道比降，才能使引自大河的渾水通過渠道，并能保持沖淤平衡，這種平衡被稱為“均衡”。1953年，Leopold和T.Maddock把這種經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到河流中來，認(rèn)為天然河流中比降、河寬、水深和流速與流量之間，存在簡(jiǎn)單的指數(shù)關(guān)系：

(1)

(2)

(3)

式中：B為河面寬度；h為水深；U為平均流速；Q為流量；α1、α2、α3為系數(shù)；β1、β2、β3為指數(shù)；同時(shí)β1+β1+β1=1。

通常把上面所述的指數(shù)關(guān)系式稱為河流的水力幾何形態(tài)，被廣泛應(yīng)用。對(duì)于斷面水力幾何形態(tài)和沿程水力幾何形態(tài)關(guān)系，(1)、(2)、(3)式中的系數(shù)和指數(shù)都不一樣。根據(jù)世界上72條河流和206個(gè)斷面的資料，可以看出斷面水力幾何形態(tài)和沿程水力幾何形態(tài)的指數(shù)變化范圍較大，其原因主要是因?yàn)樯鲜龉街皇且话慊暮酉嚓P(guān)系式的一種簡(jiǎn)化，沒有考慮流量以外的流域因素的影響。

由于上述關(guān)系式中指數(shù)不相等，斷面寬深比將是流量的函數(shù)。這樣在對(duì)比不同河流的寬淺程度時(shí)，必須在相對(duì)應(yīng)的流量(例如造床流量[4])下進(jìn)行，而流量的確定由于種種因素限制[5]，使用很不方便。為了彌補(bǔ)這方面的缺陷，蘇聯(lián)國(guó)立水文研究所根據(jù)蘇聯(lián)一些平原河流的資料，建議采用式(4)來代替河流的寬深比。

(4)

式中：B為穩(wěn)定河寬,m；h為水深,m；ζ為河相系數(shù)。對(duì)于礫石河床來說，ζ取1.4，一般沙河取2.75，極易沖刷的細(xì)沙河床取5.5。

2 采用河相關(guān)系式計(jì)算河道寬度

韓峪河流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，治理區(qū)上游就是韓峪水庫(kù)，自建設(shè)韓峪水庫(kù)以來40多年，僅有一次洪水下泄，大頻率洪水基本攔蓄水庫(kù)內(nèi)。下游河道小洪水的概率較小，并且水庫(kù)下游區(qū)間產(chǎn)生的洪水經(jīng)過黃土河床而滲入地下，因此河床小洪水發(fā)生的可能性很小。上述原因使選擇造床流量比較困難，實(shí)際情況與通常的理論選擇不是很適合，因此采用河相關(guān)系式確定河道寬度。

工程區(qū)內(nèi)河段主流位置基本固定，屬蜿蜒型河段。本工程河道設(shè)計(jì)擬采用生態(tài)式混凝土預(yù)制塊護(hù)坡[6-7]、護(hù)底，其空格之間將覆土種植植物，為了減少對(duì)下游鳳凰池的沖刷和淤積，新修建的河道滿足河相關(guān)系式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

河相關(guān)系式：

(5)

河相系數(shù)ζ為與河型、河道土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，蜿蜒性河段ζ值較小，游蕩性河段ζ值較大。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，山區(qū)河流ζ值小于5時(shí)，屬穩(wěn)定河段；ζ值在5～30之間時(shí)，屬變遷河段[8]。本工程所處河道為山區(qū)穩(wěn)定河流，河床主要為黃土，屬于極易沖刷的河床，根據(jù)《河床演變學(xué)》[3]中認(rèn)為極易沖刷的河床 取值5.5，《水力計(jì)算手冊(cè)》中渾水渠道一般采用6～8[9]，因此選定ζ按4～6控制。保持堤頂基本為直線道路，河道斷面為矩形和梯形以及介于兩者中間的復(fù)合斷面，工程河道的設(shè)計(jì)底坡在0.007～0.009之間，河床糙率均按照0.03進(jìn)行計(jì)算。河床底部及過水?dāng)嗝孀o(hù)坡均為生態(tài)護(hù)坡(聯(lián)鎖式護(hù)坡磚[10])，護(hù)坡磚厚度采用10 cm，適用于小于5.0 m/s的流速，若僅采用草皮護(hù)坡可抗2.0 m/s的流速，考慮生態(tài)護(hù)坡和草皮護(hù)坡聯(lián)合作用，底板和護(hù)坡的抗沖流速按大于3.0 m/s控制[11-12]。

根據(jù)水力學(xué)計(jì)算成果是否滿足河相關(guān)系式、底板和護(hù)坡的抗沖流速是否滿足設(shè)計(jì)要求以確定河道的寬度。河道寬度和水深分別按照矩形和梯形2種斷面進(jìn)行計(jì)算。河底寬度按照15、20、25 m進(jìn)行計(jì)算，水力學(xué)計(jì)算成果及河道寬度、水深和河相系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

控制河相系數(shù)為4～6，滿足要求的河道最小寬度為20 m。

3 河道寬度的確定

堤距通過經(jīng)濟(jì)比較確定，韓峪溝鳳凰池以上河段河床寬度初擬20～30 m。河寬采用20、25、30 m三種方案進(jìn)行比較，相應(yīng)水深為0.88、0.77、0.70 m。堤防段面按照標(biāo)準(zhǔn)剖面：堤頂寬度為6.0 m、兩側(cè)坡比均為1∶3.0，高度為在水深的基礎(chǔ)上加1.0 m的加高，河床和水面線以下邊坡采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，水面線以上和背水側(cè)采用草皮護(hù)坡，開挖深度按1.0 m考慮。方案比較結(jié)論：河床寬度越大，各項(xiàng)工程量越大，堤防占地面積增大，越不經(jīng)濟(jì)。各個(gè)方案工程量比較見表2。

表1 不同底坡、河寬計(jì)算結(jié)果表

表2 各個(gè)方案工程量比較表

從穩(wěn)定河寬計(jì)算成果，對(duì)韓峪溝鳳凰池以上河段河道而言，寬度應(yīng)在20 m以上；從經(jīng)濟(jì)比較的成果，20 m寬度為最經(jīng)濟(jì)?？紤]兩方面的因素，確定韓峪溝鳳凰池以上河段河床寬度為20 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前防洪工程的設(shè)計(jì)河道寬度多以歷史形成的河道寬度為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，對(duì)束窄比較嚴(yán)重的河道，多采用較小的河道寬度，通過加大河道底坡或減小河道糙率的方法加大洪水下泄，以達(dá)到滿足設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的要求，這種設(shè)計(jì)理念在發(fā)生超標(biāo)洪水時(shí)可能還是存在一些問題[13]。筆者通過韓峪河防洪工程的設(shè)計(jì)，結(jié)合其它工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在考慮河道防洪與生態(tài)景觀結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能讓治理的河段符合河流的基本規(guī)律，且在不會(huì)引起工程造價(jià)大量增加的情況下，結(jié)合景觀確定合理的河道設(shè)計(jì)寬度。

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Selection of River Course Width in Flood Control Harness of Medium/Small Rivers

DONG Minlong

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

The medium/small rivers harness in combination with urbanization development becomes the important trend of flood control harness. As the historic development, reservoirs built at upstream and little rainfall in recent years, water in the downstream river courses of the medium/small rivers in northern China is often interrupted. The river courses are often occupied or narrowed. With the urbanization development, projects of river course harness of the medium/small rivers increase. Selection of the river course width is critical for flood control design. The river phase relationship is applied to finalize the river course width of the river flood control harness to satisfy requirements of the flood control standard.Key words: medium/small rivers; flood control harness; river phase relationship; river course width

1006—2610(2016)05—0035—03

2016-04-25

董敏龍(1971- )，男，陜西省富平縣人，高級(jí)工程師，主要從事水電樞紐工程設(shè)計(jì)及河道防洪治理設(shè)計(jì).

TV85

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.009