碼頭工程防洪評價方法與探討

趙 博，朱 梅，趙家祥，李雪凌，畢玲玲

(安徽農業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036)

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碼頭工程防洪評價方法與探討

趙 博，朱 梅，趙家祥，李雪凌，畢玲玲

(安徽農業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036)

以某砂石水運碼頭工程防洪評價報告編制為例，對既沒有水位資料，又沒有設計流量的斷面,利用內插值法推算出工程斷面的設計洪水位；對工程所在河段既沒有實測水文資料，也沒有實測橫斷面的資料,采用曼寧公式推算工程斷面處設計流量；選用陸浩公式作為碼頭工程雍水分析計算的公式；采用縱向穩(wěn)定系數、橫向穩(wěn)定系數、斷面寬深比三個指標分析了河勢影響穩(wěn)定性。為類似工程防洪評價報告的編制工作提供參考。

碼頭；防洪評價；方法

隨著我國經濟的快速發(fā)展，我國交通運輸業(yè)也在持續(xù)快速的發(fā)展，有關水運碼頭建筑物的修建不斷地增多。碼頭工程的修建減小了河道斷面的有效過水斷面面積，使得碼頭上游水位壅高，影響河道的行洪安全，并且洪水對碼頭和岸坡產生沖刷，危及碼頭安全。按照水利部2004年頒發(fā)的《河道管理范圍內建設項目防洪評價報告編制導則(試行)》(以下簡稱《導則》)的規(guī)定，需對涉河碼頭進行防洪影響評價。防洪評價計算是防洪評價報告重要組成部分[1]。本文以某砂石水運碼頭工程防洪評價為例，對水文分析計算、壅水分析計算、河勢影響分析計算內容做了具體的介紹，闡述了分析計算過程中遇到的問題，并根據工程實際情況提出了解決問題的方法。

1 工程概況

某砂石水運碼頭工程位于和縣境內的滁河右岸(古河和赤鎮(zhèn)之間)，工程占用岸線約51m，建設1個300 t級(兼顧500 t級)散貨進出口泊位，設計代表船型主要參考《滁州港總體規(guī)劃》中滁州港預測到港船型，設計運量年出口砂石50萬 t。鑒于工程所在位置河槽較狹窄(約24 m寬)，為不占用主航道，碼頭采用挖入式港池、躉船浮碼頭型式，前沿線布置在距離堤頂42 m的位置，與水流流向和等深線走向基本一致，躉船后方上游端與后方道路連接，下游端通過皮帶機與后方進料漏斗相連。碼頭船臺高程：14.15～13.89 m，碼頭擋土墻頂高程：8.20 m，所在堤防堤頂高程：14.15 m，所在灘地高程：6.0～7.0 m，其設防標準為20 a一遇洪水。

2 水文分析計算

水文分析計算的內容主要包括設計洪水位和設計流量的計算。

2.1 工程斷面設計洪水位的計算

一般情況下，對于有充分水位資料的斷面，可以通過對水位頻率分析的途徑推求符合指定頻率的設計洪水位；對于沒有實測和調查水位資料的斷面，可以根據設計流量及斷面資料，按恒定均勻流及非均勻流公式用試算法求解[2]；對于既沒有水位資料，又沒有設計流量的斷面，目前還沒有一套切實可行的方法來計算設計洪水位。

2.1.1 計算方法

筆者根據已有的工程經驗，對既沒有水位資料，又沒有設計流量及斷面資料，根據實際工程情況，總結出了類似工程情況的計算方法：根據工程河段上、下游控制點的設計洪水位成果，并結合河段河勢推算工程斷面設計洪水位。具體計算過程如下：

根據《導則》要求，結合河段情況，防洪評價的計算條件采用碼頭所在河段的規(guī)劃防洪標準(20 a一遇)，經過調研，碼頭工程所在的滁河干流自古河鎮(zhèn)以下，河床比較平緩，并且根據實測碼頭工程河段1：1000地形測圖，碼頭工程河段航槽比較明顯，除個別河段外河道深泓線基本沒有變化，說明河道比較穩(wěn)定，水流造床作用微弱，河段河勢穩(wěn)定，所以古河和赤鎮(zhèn)之間水面比降是幾乎穩(wěn)定不變的，因此，可根據滁河干流各主要控制點20 a一遇設計洪水位成果，以及碼頭工程與古河、赤鎮(zhèn)設計水位控制點之間的距離，利用內插值法推算出工程斷面的設計洪水位。

2.1.2 計算結果

根據上述計算方法，推算出工程斷面的設計洪水位，結果為13.27 m，詳見下表1。

表1 滁河干流各主要控制點20年一遇設計洪水位 m

2.2 工程斷面設計洪水位下相應流量的計算

設計流量的推算方法主要有以下三種：(1)水文統(tǒng)計法，適用于大中河流，具有一定時間長度的實測資料，最好還有調查到的特大洪水資料；(2)地區(qū)性公式、暴雨徑流的推理公式，適用于中小河流，難于搜集到實測洪水資料，但可以搜集到降雨資料或地區(qū)性水文資料情況；(3)相關分析法，對于工程斷面附近資料較少，但相鄰地區(qū)或河段有較多資料的，可應用相關分析插補、延長水文資料系列。

2.2.1 計算方法

由于碼頭所在河段沒有實測水文資料，也沒有實測橫斷面的資料，只有工程總平面布置圖，無法使用上述三種方法。筆者根據已有工程經驗總結出類似工程情況下的計算方法：(1)首先利用工程總平面布置圖上標出的高程和比例尺，手動測量平面圖上每兩個高程點位之間的水平距離，利用Excel表格繪制出工程處河道橫斷面圖；(2)再結合已計算出的工程斷面設計洪水位等，采用曼寧公式推算工程斷面處設計流量。具體計算過程如下：

1)橫斷面圖的確定

因為碼頭工程阻水的部分主要是漿砌石擋墻、皮帶機和卸料漏斗，所以，選擇過漿砌石擋墻、皮帶機和卸料漏斗的橫向河道作為橫斷面的位置。

根據碼頭總平面布置圖(比例為1:1000)，以碼頭工程所處橫斷面的左堤為坐標原點(如圖1)，依次向右，每隔一段距離，手動測量出每兩點之間的水平距離，兩點間的平面標高已知，借助Excel表格繪出橫斷面圖。

2)設計流量的計算

根據《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG-2002)，當調查的歷史洪水位處于水面比降均一、河道順直、河床斷面較規(guī)整的穩(wěn)定均勻流河段時，可按曼寧公式計算設計流量[3]，根據調研以及上述分析可知，本次采用曼寧公式計算設計流量是合理可靠的。

曼寧公式為：

Q=(1/n)A×R2/3×I1/2

(1)

式中：A為斷面面積m2；n為河床糙率，采用0.02；R為水力半徑(m)；I為比降，取1/30 000。

2.2.2 計算結果

橫斷面圖的確定：

設計流量的計算：利用已知的設計洪水位、橫斷面圖，經計算，20 a一遇設計水位13.27 m對應的流量為1 179.10 m3/s。

3 壅水分析計算

壅水分析計算包括阻水情況、壅水高度和壅水長度的分析計算，碼頭工程壅水計算沒有專門的計算公式，對于中小河流，做數學模型和物理模型均較繁瑣，通常是采用橋梁壅水經驗公式進行計算[4]。

3.1 計算公式的選擇

橋梁壅水經驗公式類型很多[4]，其中陸浩公式是根據我國模型試驗和40余座橋梁調查資料，經過多年不斷完善和檢驗而制定的，該式適用于各類跨河橋梁，目前已被列入最新《公路工程水文設計指南》推薦使用的公式。楊春瑞把陸浩公式與其他公式在碼頭工程壅水計算的應用進行了比較，發(fā)現陸浩公式更加適用于碼頭工程的壅水分析計算[5]。因此，本次選擇陸浩公式作為雍水分析計算的公式。

陸浩公式：

(2)

式中：ΔZ為橋前最大壅水高度，KN為定床壅水系數，與工程前后斷面流速變化有關；KY為與工程后橋下水流流態(tài)有關的系數；Vm為沖刷后橋下的平均流速(m/s)；Vom為天然狀態(tài)下橋梁處平均流速(m/s)。

3.2 計算結果

3.2.1 阻水面積計算

本碼頭工程阻水的部分主要是漿砌石擋墻、皮帶機和卸料漏斗。經計算設計洪水位條件下阻水面積約為25.39 m2。工程前設計洪水位條件下的過水斷面面積為1 197.40 m2，阻水面積百分比為2.12%。

3.2.2 壅水高度計算

根據陸浩公式，碼頭上游最大壅水高度計算值為3.26 mm；根據《橋渡水文》：橋下壅水高度可根據該規(guī)范按下述方法確定：一般采用最大壅水高度的1/2；當河床堅實不易沖刷時，可采用橋前最大壅水高度值。根據實際情況，碼頭處局部壅水高度取1/2=1.63 mm。

3.2.3 壅水曲線長度

壅水曲線長度近似估算式[6]為：

L=2ΔZ/I(3)

式中：I為計算河段水面比降；ΔZ為碼頭上游最大壅水高度，經計算得L=48.9 m

表2 計算結果表

4 河勢影響分析計算

4.1 河勢影響穩(wěn)定性評價指標

由于工程所在河段缺乏不同時期的河道縱橫斷面資料，對河道的縱橫向變形較難作出定量的分析判斷，筆者根據工程河段河床質組成、河道比降以及實測斷面的寬深關系，參考《橋渡水文》相關理論和判斷指標，對工程河道穩(wěn)定性作出定性描述[7]。其計算公式為：

式中：i水面比降(mm/m)；Q造床流量(m3/s)；B造床流量時的河寬(m)；造床流量時的平均水深(m)。

4.2 河勢影響穩(wěn)定性分析計算

經計算，工程河段縱向穩(wěn)定系數為0.6，橫向穩(wěn)定系數為2.0，斷面寬深比為1.36，根據《橋渡水文》判斷標準，定性推斷工程附近河段屬穩(wěn)定河道。工程河段穩(wěn)定分析評價指標計算成果見表3。

表3 工程河段穩(wěn)定分析評價指標計算成果表

5 結語

水文分析計算、壅水分析計算、河勢影響分析計算是防洪評價的重要內容，要想準確地分析計算這部分內容，首先要收集足夠的水文地質資料，而且收集到的資料要具有可靠性、 合理性和一致性，其次要確定合理的計算方法。然而，在防洪評價報告編制過程中經常會遇到資料不足、計算方法不合理的情況。筆者以某砂石水運碼頭工程防洪評價報告編制為例，在防洪評價計算部分編制過程中遇到資料不足、計算方法不明確的情況下，根據工程實際情況，并結合工程經驗給出了計算方法。 具體問題及解決方法總結如下：

(1) 設計洪水位計算的工程條件：既沒有水位資料，也沒有設計流量及斷面資料。計算方法：根據工程河段上、下游控制點的設計洪水位成果，并結合河段河勢，利用內插值法推算工程斷面設計洪水位。

(2)設計流量計算的工程條件：工程所在河段沒有實測水文資料，也沒有實測橫斷面資料，只有工程總平面布置圖。計算方法：首先利用工程總平面布置圖上標出的高程，手動測量平面圖上每兩個高程點位之間的水平距離，利用Excel表格繪制出工程處河道橫斷面圖；然后根據工程斷面設計洪水位，采用曼寧公式推算工程斷面處設計流量。

(3)碼頭工程壅水計算公式的選擇：陸浩公式已被列入最新《公路工程水文設計指南》推薦使用的公式，不僅適用于各類跨河橋梁的壅水分析計算，也同樣適用于碼頭工程的壅水分析計算，因此，建議選陸浩公式作為碼頭工程壅水分析的計算公式。

(4)河勢影響穩(wěn)定性分析計算的工程條件：工程所在河段缺乏不同時期的河道縱橫斷面資料，對河道的縱橫向變形較難作出定量的分析判斷。計算方法：根據工程河段河床質組成、河道比降以及實測斷面的寬深關系，參考《橋渡水文》相關理論和判斷指標，采用縱向穩(wěn)定系數、橫向穩(wěn)定系數、斷面寬深比三個指標對工程河道穩(wěn)定性作出定性描述。

文章重點闡述了水文分析計算、壅水分析計算、河勢影響分析計算過程中遇到的問題及相應的解決方法，為類似工程防洪評價報告的編制工作提供參考與借鑒。

[1]徐新華，夏云峰．防洪評價報告編制導則研究及解讀[M].北京：中國水利水電出版社.2008，11-12.

[2]魏國泉．無資料地區(qū)設計洪水位的計算方法[J].電力勘測.1997，52-55.

[3]JTGC 30-2002．公路工程水文勘測設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.2002，17-18.

[4]尚志宏，王智，鞠曄．河道管理不同類型建設項目防洪評價[J].東北水利水電.2009，37.

[5]楊春瑞．碼頭工程防洪評價中壅水計算公式淺析[J].工程與建設.2012，26(1)：54-56.

[6]張佰戰(zhàn)，黃美蘭，孟軍濤．橋梁壅水曲線長度的計算[J].鐵道建筑.2005(5)：18-20.

[7]鐘鳴輝．河道管理范圍內建設項目防洪評價報告編制若干問題探討[J].中國水利.2013:40-42.

P641.2

A

1004-1184(2016)06-0139-03

2016-10-17

趙博(1990-)，男，安徽蚌埠人，在讀碩士研究生，主攻方向：水文水資源及農田水利。