張家口市崇禮區(qū)清水河流域行洪河道規(guī)劃方案探討

郭中方，潘成忠,2，劉春雷

(1 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875；2 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

1 河道工程概況

1.1 研究區(qū)自然地理概況

崇禮區(qū)位于河北省西北部，地處內(nèi)蒙古高原與華北平原過(guò)渡地帶，北倚內(nèi)蒙古草原，南臨塞外山城張家口市，城區(qū)距離張家口市中心城區(qū)50 km，隸屬?gòu)埣铱谑?，距北?20 km。介于北緯40°47′～41°17′，東經(jīng)114°17′～115°34′之間?？偯娣e2 334 km2，全縣耕地面積1.648 萬(wàn)hm2，總?cè)丝?2.56 萬(wàn)人[1]。

崇禮區(qū)屬中溫帶亞干旱大陸性季風(fēng)型山區(qū)氣候，常年干旱少雨。春季干旱多風(fēng)沙，氣溫回升快；夏季涼爽而短促，雨量集中；秋季秋高氣爽[2]，氣溫下降迅速，初霜出現(xiàn)較早；冬季干燥寒冷，冷空氣活動(dòng)頻繁。奧運(yùn)核心區(qū)屬于較濕潤(rùn)寒溫區(qū)和濕潤(rùn)寒溫區(qū)。

崇禮區(qū)東部山地形成年降水量達(dá)520 mm以上的多雨中心[3]，崇禮區(qū)年降水量極大值甚至達(dá)到726.6 mm(1964年三道營(yíng))。全區(qū)年平均降水量441.6 mm(1980-2017年)，等雨量線(xiàn)為南北向，自東向西雨量遞減[4]。全區(qū)降水有3個(gè)特點(diǎn)：①沿壩頭和東部山區(qū)的降水量比西部河川區(qū)偏多；②年降水量變化不大；③雨熱同季：但降水的季節(jié)分配極不均勻，春季降水量占全年降水量的11%-16%；夏季降水量占全年的60%-74%；秋季降水量占全年降水量的14%～20%[5]；冬季降水量占全年降水量的2%～4%。年平均蒸發(fā)童1 426.7 mm，以春季為最大[6]。

崇禮區(qū)冬季平均氣溫為-12 ℃，全年積雪1.5 m左右，存雪期150多d，雪質(zhì)參數(shù)符合國(guó)際滑雪標(biāo)準(zhǔn)，被專(zhuān)家譽(yù)為中國(guó)發(fā)展滑雪產(chǎn)業(yè)理想?yún)^(qū)域[7]。

1.2 行洪河道規(guī)劃設(shè)計(jì)討論的必要性

研究區(qū)的河道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，行洪時(shí)存在安全隱患，威脅兩岸居民和建筑物的安全。而且，太子城村位于河道的中下游的平坦地帶，四周均為高山，主要的4條支流河道，均在本處匯入主溝，大大加深了本區(qū)域的洪水隱患[8]。而新的奧運(yùn)村即建立在此處，按照新的規(guī)劃，本區(qū)域內(nèi)將新建冬奧會(huì)指揮部、奧運(yùn)村、高鐵站、會(huì)展中心、文創(chuàng)商街、國(guó)賓山莊等多類(lèi)大型建筑，防洪保護(hù)對(duì)象的重要性大大加強(qiáng)[9]。因此對(duì)規(guī)劃區(qū)內(nèi)的河道進(jìn)行重新規(guī)劃治理是非常有必要的。但目前區(qū)域內(nèi)沒(méi)有完整的防洪工程體系，各條河道基本是天然狀態(tài)，因山區(qū)洪水陡漲陡落，通過(guò)河道或坡水區(qū)形成的無(wú)序漫流和沖刷[10]，均會(huì)對(duì)規(guī)劃區(qū)防洪安全形成較大的威脅。為滿(mǎn)足規(guī)劃區(qū)總體規(guī)劃的需要，使規(guī)劃區(qū)內(nèi)功能分區(qū)、產(chǎn)業(yè)布局及土地利用規(guī)劃更加合理，保證未來(lái)規(guī)劃區(qū)的防洪安全，對(duì)規(guī)劃區(qū)主要河道進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃[11]，為河道綜合開(kāi)發(fā)治理提供依據(jù)，開(kāi)展崇禮東奧核心區(qū)防洪規(guī)劃統(tǒng)籌方案研究是必要的[12]。

圖1 研究區(qū)規(guī)劃布局及水系圖Fig.1 Layout of study area and water system

1.3 設(shè)計(jì)方案的擬定

防洪規(guī)劃是該核心區(qū)總規(guī)的重要組成部分，尤其對(duì)于在山區(qū)小流域內(nèi)鄰近溝道地帶開(kāi)展各項(xiàng)建設(shè)工程。在前期總規(guī)、工程規(guī)劃設(shè)計(jì)等階段，各項(xiàng)目業(yè)主委托了不同單位開(kāi)展了區(qū)域防洪規(guī)劃、建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告等編制工作，且部分方案已經(jīng)通過(guò)政府部門(mén)組織的評(píng)審。但由于核心區(qū)部分工程，特別是正在籌建的冰雪小鎮(zhèn)、頒獎(jiǎng)廣場(chǎng)、高鐵站房等處于原行洪河道或?yàn)┑厣?，往往受到多條小流域洪水綜合影響。

由于前期奧運(yùn)核心區(qū)總體規(guī)劃中較少考慮防洪問(wèn)題，防洪專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃對(duì)已建和在建工程的防洪方案指導(dǎo)性不強(qiáng)，以及各建設(shè)項(xiàng)目的防洪評(píng)價(jià)方法、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和缺乏協(xié)調(diào)性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文開(kāi)展奧運(yùn)核心區(qū)防洪專(zhuān)題研究，根據(jù)核心區(qū)總體規(guī)劃的防洪要求，校核各建設(shè)項(xiàng)目的防洪評(píng)價(jià)方案的結(jié)果，進(jìn)而提出核心區(qū)防洪規(guī)劃方案的改進(jìn)建議和緩解措施。本項(xiàng)目的研究區(qū)范圍為核心區(qū)及以上匯水區(qū)(約81 km2)。

根據(jù)《冰雪小鎮(zhèn)控規(guī)》方案[13]，考慮規(guī)劃區(qū)內(nèi)建筑物布置，針對(duì)2號(hào)溝的特點(diǎn)，從有利于土地利用、可行性和減少投資等角度出發(fā)，擬定了兩個(gè)河道走勢(shì)方案進(jìn)行比選。

方案一：?jiǎn)螚l排洪河道方案[14]。根據(jù)《冰雪小鎮(zhèn)控規(guī)》的用地方案，2號(hào)溝布置在會(huì)展中心、文創(chuàng)商街和4號(hào)路之間，采用一條排洪河道排洪導(dǎo)流，如圖2所示。

圖2 方案一河道走向圖Fig.2 Scheme 1 River strike map

方案二：兩條排洪河道方案。根據(jù)《冰雪小鎮(zhèn)控規(guī)》的用地方案，利用會(huì)展中心下游的景觀(guān)湖，將2號(hào)溝分流后分別沿下游文創(chuàng)商街的兩側(cè)布置。方案如圖3所示。

圖3 方案二河道走向圖Fig.3 Scheme 2 River strike map

方案一和方案二優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下。

方案一：優(yōu)點(diǎn)包括：僅設(shè)置一條較大河道，總體的直接工程投資節(jié)省，總體的占地面積較少，對(duì)規(guī)劃區(qū)的總體影響較小。缺點(diǎn)包括：設(shè)置一條排洪河道過(guò)水?dāng)嗝孑^大，設(shè)計(jì)河寬和設(shè)計(jì)槽深較大，在文創(chuàng)商街和4號(hào)路之間占地較多。

方案二：優(yōu)點(diǎn)包括：設(shè)置兩條較小的河道，分別在文創(chuàng)商街兩側(cè)占地，總體的占地面積雖然增加，但是空地的利用率增大；且兩條水系環(huán)繞文創(chuàng)商街，景觀(guān)效果比方案一好。缺點(diǎn)包括：總體的占地面積雖然增加，總體投資較大。受規(guī)劃區(qū)其他因素影響大，最主要的是高鐵站建立后，接客平臺(tái)與水系占地有沖突。

2 模型運(yùn)行方案

2.1 推理公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

流域特征值是對(duì)河道進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算最基本也是最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[15]，量算的正確性直接關(guān)系計(jì)算結(jié)果的合理性。流域特征值主要包括流域面積、河道長(zhǎng)度和河道坡度[16]。

采用業(yè)主單位提供地形資料確定流域范圍，進(jìn)行流域特征值的量算[17]。利用Arcgis軟件提取項(xiàng)目區(qū)并根據(jù)流域的分布劃為5個(gè)子流域[18,19]。各河道現(xiàn)狀流域特征值成果見(jiàn)表1。

表1 流域特征值成果表Tab.1 Watershed eigenvalue results table

設(shè)計(jì)暴雨即推求設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)內(nèi)的面暴雨過(guò)程[20]，包括設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)確定，設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)內(nèi)不同時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨量，設(shè)計(jì)雨型選擇和設(shè)計(jì)面暴雨過(guò)程推求幾個(gè)環(huán)節(jié)[21,22]。

設(shè)計(jì)暴雨總歷時(shí)采用24 h，對(duì)于流域面積較小的河流，匯流計(jì)算考慮了30 min和10 min暴雨。由于項(xiàng)目區(qū)缺乏實(shí)測(cè)降雨資料，本次設(shè)計(jì)暴雨采用“查圖法”，根據(jù)各河流流域所在的位置，從河北省張家口水文水資源勘測(cè)局1998年5月編制的《河北省張家口市水文水資源手冊(cè)》查取10 min、30 min、1 h、6 h及24 h的暴雨等值線(xiàn)圖，以P-Ⅲ型分布考慮，計(jì)算不同頻率設(shè)計(jì)暴雨[23,24]。

項(xiàng)目區(qū)各歷時(shí)暴雨的均值H及參數(shù)見(jiàn)《河北省張家口市水文水資源手冊(cè)》。根據(jù)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)分別對(duì)項(xiàng)目區(qū)小流域各時(shí)段100年一遇、50年一遇、20年一遇、10年一遇、5年一遇5個(gè)頻率的設(shè)計(jì)暴雨值進(jìn)行計(jì)算，求得不同頻率不同時(shí)段的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨值。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 皮爾遜Ⅲ型曲線(xiàn)模比系數(shù)表Tab 2 Model ratio coefficient table of Pearson Ⅲ curve

表3 項(xiàng)目區(qū)不同頻率設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨計(jì)算成果表Tab 3 calculation results of rainstorm at different frequency design points in project area

由于點(diǎn)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線(xiàn)圖系根據(jù)定點(diǎn)統(tǒng)計(jì)參數(shù)繪制的，而工程所需的設(shè)計(jì)暴雨是指定范圍內(nèi)的面平均暴雨量，屬于面概念。因此在使用已有點(diǎn)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線(xiàn)圖查取點(diǎn)暴雨推求設(shè)計(jì)面暴雨量時(shí)，以用定點(diǎn)定面法分析暴雨點(diǎn)面關(guān)系。限于資料條件，《河北省張家口市水文水資源手冊(cè)》只給出24 h、12 h、6 h、1 h的點(diǎn)面折減系數(shù)，對(duì)于居于其中歷時(shí)的降雨可以?xún)?nèi)差求點(diǎn)面折減系數(shù)值，對(duì)于小于1 h的降雨先按1 h的點(diǎn)面折減系數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算成果如表4所示。

表4 項(xiàng)目區(qū)不同頻率設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算成果表Tab.4 calculation results of rainstorm in different frequency design surfaces in project area

在進(jìn)行山丘地區(qū)中小流域洪水計(jì)算時(shí)，推理公式以其概念明晰、計(jì)算便捷且有一定精度等特性得到了廣泛的使用。本研究應(yīng)用成因推理與經(jīng)驗(yàn)相關(guān)相結(jié)合的方法，確定流域匯流歷時(shí)與河長(zhǎng)、比降的經(jīng)驗(yàn)公式，并考慮徑流系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，以推求設(shè)計(jì)洪峰流量。經(jīng)驗(yàn)公式如下[25]：

(1)

(2)

(3)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s;τ為流域匯流歷時(shí)，h；Rτ為相當(dāng)于τ時(shí)段的最大凈雨深，mm；F為流域面積，km2；J為主河道坡度(用小數(shù)表示)；L為主河道長(zhǎng)度，km；m為經(jīng)驗(yàn)匯流參數(shù)；0.278為單位換算系數(shù)。

為了推求小流域設(shè)計(jì)洪峰流量值，首先需要根據(jù)流域地形圖,確定流域的幾何特征值F、L、J;然后根據(jù)地區(qū)有關(guān)圖集查算24 h設(shè)計(jì)暴雨的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(均值、Cv、Cs) 及暴雨公式中的參數(shù)n(或n1、n2), 并確定雨力Sp;最后根據(jù)地區(qū)損失參數(shù)μ及匯流參數(shù)m的地理分布規(guī)律確定參數(shù)μ和m。

由于目前崇禮區(qū)中小河流大都缺乏實(shí)測(cè)的流量資料，降雨量資料也比較少。由于無(wú)資料小流域的特征參數(shù)面積F、長(zhǎng)度L、坡度J可以通過(guò)地形圖量算得到，而暴雨參數(shù)n(或n1、n2) 、產(chǎn)流損失參數(shù)μ及匯流參數(shù)m的選取對(duì)設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算結(jié)果影響較大,因此本文將根據(jù)有資料流域建立產(chǎn)匯流參數(shù)的地理分布規(guī)律,將暴雨參數(shù)用Arcgis空間分析模塊和地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行空間插值,獲得暴雨參數(shù)空間分布規(guī)律,最后將其應(yīng)用于無(wú)資料地區(qū)，從而解決無(wú)資料流域設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算問(wèn)題。因此，根據(jù)流域特征值、設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)、流域位置以及所處分區(qū)等資料，采用推理公式法計(jì)算在雪道等旅游開(kāi)發(fā)項(xiàng)目建設(shè)前后不同流域、不同斷面、不同標(biāo)準(zhǔn)的洪峰流量。按照《河北省張家口市水文水資源手冊(cè)》(1998年)的產(chǎn)流分區(qū)，本項(xiàng)目位于Ⅰ區(qū)。產(chǎn)流Ⅰ區(qū)的徑流系數(shù)比其他4個(gè)分區(qū)要小多。考慮到太舞和云頂滑雪場(chǎng)建成后，下墊面產(chǎn)生了很大的變化?；﹫?chǎng)的噴雪區(qū)域冰雪融水增多，土壤含水量也將隨之上漲，與此同時(shí)滑雪場(chǎng)破壞了區(qū)域原有植被，降雨徑流系數(shù)也將隨之改變。為保證工程安全，因此本次計(jì)算時(shí)，適當(dāng)?shù)奶岣吡私涤陱搅飨禂?shù)。洪峰流量成果見(jiàn)表5。

表5 推理公式法設(shè)計(jì)洪水成果表Tab.5 Design of flood achievement table by reasoning formula method

2.2 基于EFDC模型的模擬情景設(shè)置

(1)網(wǎng)格剖分。根據(jù)業(yè)主方提供《20180918冰雪小鎮(zhèn)排洪河道平面圖》，運(yùn)用CVLgrid1.1軟件對(duì)圖件進(jìn)行拼圖、坐標(biāo)投影，并對(duì)規(guī)劃河道進(jìn)行網(wǎng)格剖分，每個(gè)網(wǎng)格按長(zhǎng)20 m寬2 m剖分。

(2)初始條件設(shè)置。按照《北京2022年冬奧會(huì)張家口賽區(qū)太子城冰雪小鎮(zhèn)防洪規(guī)劃報(bào)告》，高程選用防洪規(guī)劃中樁號(hào)的高程，相鄰樁號(hào)之間網(wǎng)格根據(jù)樁號(hào)網(wǎng)格插值獲??；起推水位按照明渠均勻流規(guī)定計(jì)算；河道糙率取0.025。

(3)入流邊界條件設(shè)置。模型的入流邊界輸入采用本地區(qū)50年一遇設(shè)計(jì)暴雨徑流過(guò)程。一號(hào)溝在主溝樁號(hào)A0+300附近匯入，二號(hào)溝在主溝樁號(hào)A0+000附近匯入，三號(hào)溝在主溝樁號(hào)A2+700附近匯入，四號(hào)溝在主溝樁號(hào)A3+000附近匯入，五號(hào)溝在主溝樁號(hào)A2+700附近匯入。

(4)合理性分析。在全渠段選取具有代表性的典型4個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，通過(guò)4個(gè)點(diǎn)位水位的實(shí)測(cè)值和模擬值比較可知，A1+450會(huì)展中心站點(diǎn)的水位平均誤差、平均絕對(duì)誤差分別為0.137 m、0.105 m；A1+700文創(chuàng)商街站點(diǎn)的水位平均誤差、平均絕對(duì)誤差分別為-0.073 m、0.193 m；A2+500太子城遺跡站點(diǎn)的水位平均誤差、平均絕對(duì)誤差分別為-0.013 m、0.107 m；古楊樹(shù)站點(diǎn)的水位平均誤差、平均絕對(duì)誤差分別為-0.272 m、0.934 m，具體如表3所示。結(jié)果表明，模擬水位與崇禮4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值吻合較好，這4個(gè)站點(diǎn)的平均誤差都較小，平均絕對(duì)誤差小于1 m，說(shuō)明模型的模擬結(jié)果能夠比較好反映渠道的水位變化。

表6 崇禮渠道水位分析統(tǒng)計(jì)表 m

2.3 右側(cè)單排洪河道方案(方案一)

模型模擬規(guī)劃區(qū)上起古楊樹(shù)賽區(qū)的造雪湖，下至冬奧會(huì)賽區(qū)的入口停車(chē)場(chǎng)，主河道全長(zhǎng)6.2 km，其中模擬主要5條水系河道入口，僅考慮河道的匯流作用。模擬主體為二號(hào)河道及其下游核心區(qū)，河道寬度由原來(lái)的50～250 m壓縮到約9 m。

本規(guī)劃從糙率與河道規(guī)格兩方面對(duì)研究區(qū)進(jìn)行防洪規(guī)劃，河道規(guī)格可以人為設(shè)計(jì)，在實(shí)際施工中相比其他因素更容易控制，天然河道的糙率是衡量河床及邊壁現(xiàn)狀不規(guī)則和粗糙度對(duì)水流阻力影響的一個(gè)綜合性系數(shù)，因河床、岸壁的粗糙程度，河道斷面的形狀、水位、床面、岸壁地質(zhì)特征，水流流態(tài)及含沙量的不同而不同。由于影響糙率的因素眾多,復(fù)雜多變，很難準(zhǔn)確求得。本方案根據(jù)河道實(shí)際情況可設(shè)為鋼筋混凝土或者人工襯砌的漿砌石渠道，在設(shè)置為鋼筋混凝土材質(zhì)渠道時(shí)根據(jù)查閱文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)推薦值及模型率定初步選擇0.017。

(1)鋼筋混凝土。根據(jù)《冰雪小鎮(zhèn)控規(guī)》得用地方案，2號(hào)河道布置在會(huì)展中心、文創(chuàng)商街和4號(hào)路之間，采用一條排洪河道排洪導(dǎo)流。模型模擬無(wú)消能坎，糙率為0.017，

由表7、表8可知關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最大水深范圍在1.25～4.5 m內(nèi)波動(dòng)，對(duì)應(yīng)流速在1.5～5.25 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)，流速在A(yíng)5+200處第8 h達(dá)到最大8.7 m/s，水深在A(yíng)1+300景觀(guān)湖處第9 h達(dá)到最大5.84 m。由于該情景下不設(shè)置消能坎危險(xiǎn)斷面多達(dá)15個(gè)，險(xiǎn)工段長(zhǎng)度也極長(zhǎng)，故建議后續(xù)鋼筋混凝土方案都設(shè)置消能坎來(lái)增大糙率使得工程盡可能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，不再考慮無(wú)消能坎情景。

表7 方案一(鋼筋混凝土材質(zhì))流速>5 m/s分布表Tab.7 Scheme 1 reinforced concrete velocity > 5 m/s distribution Table

表8 方案一(鋼筋混凝土材質(zhì))水深>4.5 m分布表 m

(2)漿砌石。根據(jù)《冰雪小鎮(zhèn)控規(guī)》的用地方案，2號(hào)河道布置在會(huì)展中心、文創(chuàng)商街和4號(hào)路之間，采用一條漿砌石排洪河道排洪導(dǎo)流。模型模擬無(wú)消能坎，根據(jù)查閱文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)推薦值及模型率定初步選擇糙率為0.025。

由表9、表10可知流速在A(yíng)5+300處第8 h達(dá)到最大8.21 m/s，水深在A(yíng)1+400景觀(guān)湖處第9小時(shí)達(dá)到最大5.68 m。由于糙率在0.025時(shí)水深流速較大，危險(xiǎn)斷面長(zhǎng)度與個(gè)數(shù)較多，由于該情景下不設(shè)置消能坎危險(xiǎn)斷面多達(dá)15個(gè)，險(xiǎn)工段長(zhǎng)度也極長(zhǎng)，故建議后續(xù)漿砌石方案都設(shè)置消能坎來(lái)增大糙率使得工程盡可能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，不再考慮無(wú)消能坎情景。

(3)鋼混+消能坎。參考鋼筋混凝土情景結(jié)論，現(xiàn)在其基礎(chǔ)上再隔50 m加一個(gè)消能坎，消能坎高30 cm，材質(zhì)為鋼筋混凝土，查閱文獻(xiàn)及對(duì)模型率定后對(duì)應(yīng)糙率增大為0.035，其余在條件不變情況下進(jìn)行模擬。

由表11、表12可知流速在A(yíng)5+200處第8小時(shí)達(dá)到最大7.62 m/s，水深在A(yíng)1+300景觀(guān)湖處第9小時(shí)達(dá)到最大6.02 m。

表9 方案一(漿砌石材質(zhì))河道流速>5 m/s分布表Tab.9 Scheme 1 2 masonry velocity > 5 m/s distribution table

表10 方案一(漿砌石材質(zhì))河道水深>4.5 m分布表 m

表11 方案一(鋼混+消能坎材質(zhì))河道流速>5 m/s分布表Tab.11 Scheme 1. 3 flow rate of steel concrete energy dissipation can > 5m/s distribution table

表12 方案一(鋼混+消能坎材質(zhì))河道水深>4.5 m分布表 m

但該條件下仍不滿(mǎn)足安全規(guī)劃，危險(xiǎn)斷面長(zhǎng)度與個(gè)數(shù)下降不明顯，推斷即使再增加消能坎個(gè)數(shù)與規(guī)格也對(duì)模型結(jié)果限制程度有限，水深與流速降低情況也達(dá)不到預(yù)計(jì)的安全情景，故考慮設(shè)計(jì)方案二兩條排洪河道進(jìn)行模擬。

2.4 兩側(cè)排洪方案(方案二)

由于分析了方案一的情景，單溝排洪效果并不理想，水深流速達(dá)不到預(yù)期效果，現(xiàn)考慮布設(shè)兩條排洪河道。新開(kāi)挖左側(cè)河道規(guī)格8×4 m，兩條排洪河道根據(jù)《冰雪小鎮(zhèn)控規(guī)》的用地方案，利用會(huì)展中心下游的景觀(guān)湖，將2號(hào)河道分流后分別沿下游文創(chuàng)商街的兩側(cè)布置?？紤]將上游分岔口設(shè)置在樁號(hào)A0+750沙坑處并適當(dāng)拓寬河道，以期結(jié)果能達(dá)到設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)。

(1)鋼混+消能坎?？紤]到方案一右側(cè)河道在糙率為0.035時(shí)還達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)，故采取布設(shè)兩條排洪河道的方式，河道材質(zhì)為鋼筋混凝土并加裝消能坎糙率仍取0.025進(jìn)行模擬。

表13 方案二(鋼混+消能坎材質(zhì))河道流速>5 m/s分布表Tab.13 Scheme II 1 steel concrete energy dissipation flow rate >5 m / s distribution table

觀(guān)察表13可知流速已有明顯下降，在交叉口左溝分流60 m2/s，右溝分流105 m2/s，可認(rèn)為符合實(shí)際情況。水深此時(shí)已達(dá)正常標(biāo)準(zhǔn)，流速在第8 h在樁號(hào)A5+250達(dá)到最大流速7.91 m/s。雖已無(wú)危險(xiǎn)水深斷面，但流速還有較大的地段，可能造成局部沖刷使河道失穩(wěn)，故現(xiàn)嘗試增大糙率來(lái)減少危險(xiǎn)流速斷面的個(gè)數(shù)。

(2)漿砌石+消能坎。在拓寬左側(cè)河道后仍有部分地段未到達(dá)安全標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)考慮將鋼筋混凝土替換為漿砌石材質(zhì)并加裝消能坎從而增大糙率，消能坎高度為30 cm，糙率相應(yīng)變?yōu)?.035，計(jì)算如下。

表14 方案二(鋼混+消能坎材質(zhì))河道>5 m/s分布表Tab.14 Scheme 2 velocity > 5 m/s distribution table

由表14知水深最大僅4.02 m已達(dá)正常標(biāo)準(zhǔn)，流速在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)無(wú)險(xiǎn)工段，需要在下游局部加固渠道斷面，其余已達(dá)安全標(biāo)準(zhǔn)，故推薦采用拓寬左側(cè)河道為8×4 m來(lái)分洪，此時(shí)分流河道口位置在樁號(hào)A0+750沙坑處。

3 方案分析比選

查閱文獻(xiàn)及結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)定義危險(xiǎn)斷面與特危斷面，危險(xiǎn)斷面：鋼筋混凝土危險(xiǎn)流速為大于8 m/s或水深大于(斷面深-0.5)m，漿砌石危險(xiǎn)流速為大于5 m/s或水深大于(斷面深-0.5)m；特別危險(xiǎn)：鋼筋混凝土流速大于10 m/s，水深大于斷面高5 m(右側(cè)排洪溝)，漿砌石流速大于8 m/s，水深大于斷面高5 m(右側(cè)排洪溝)。

表15 兩種方案流速水深超標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.15 Statistics of flow velocity and water depth exceeding the standard in the two schemes

從模型結(jié)果可以看出，在樁號(hào)A3+000太子城遺址公園以下，不論采用何種方案，均存在流速大于5 m/s或水深大于4.5 m。說(shuō)明下游30 m寬的斷面均難以滿(mǎn)足50年一遇的排洪要求，因此建議對(duì)于奧運(yùn)核心區(qū)的防洪而言，建議太子城河道防洪應(yīng)上下游統(tǒng)籌考慮，適當(dāng)增加太子城遺址公園以下斷面尺寸或在較為合適區(qū)域保留或新建滯洪濕地，調(diào)蓄洪水徑流。

按50年一遇的暴雨洪水過(guò)程基礎(chǔ)，針對(duì)目前奧運(yùn)核心區(qū)冰雪小鎮(zhèn)和高鐵站排洪溝總體規(guī)劃方案，利用EFDC模型分別對(duì)不同的規(guī)劃方案進(jìn)行校核。并通過(guò)方案比選給出優(yōu)選建議。

對(duì)于右側(cè)9 m×5 m單排洪溝(方案一)方案，模型計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)前采用的2號(hào)溝右側(cè)排洪溝9 m×5 m的斷面尺寸不能滿(mǎn)足50年一遇過(guò)洪要求，存在較多的險(xiǎn)工斷面。雖然采用消能坎能起到較緩流速的作用，但對(duì)于9 m×5 m的斷面而言，采用改變消能坎數(shù)量或高度或水流阻力(糙率)難以完全消除流速、水深的險(xiǎn)工斷面。

由于右側(cè)排洪溝為在原溝道右側(cè)新開(kāi)挖的地面溝道，在地面相對(duì)較高區(qū)域開(kāi)挖溝道必然導(dǎo)致溝深較大，水景觀(guān)效果較差。因此，雖然單側(cè)排洪溝直接工程投資節(jié)省，總體占地面積較少，但由于只有一條排洪河道，設(shè)計(jì)渠寬和渠深均不滿(mǎn)足實(shí)際模擬結(jié)果，危險(xiǎn)斷面較多，危險(xiǎn)長(zhǎng)度較大不論從2號(hào)主溝、4號(hào)溝的行洪安全考慮，還是從該區(qū)域整體水景觀(guān)和生態(tài)保護(hù)而言，均不建議采用右側(cè)單排洪溝方案。

針對(duì)兩側(cè)排洪方案(方案二)，右側(cè)保留9 m×5 m斷面，左側(cè)設(shè)置8 m×4 m排洪斷面。在排水溝糙率和兩側(cè)排洪溝分水較為理想情況下，基本能實(shí)現(xiàn)行洪安全。同時(shí)可避免在4號(hào)溝流域新開(kāi)挖排洪溝，減少對(duì)4號(hào)溝流域的坡面土壤、植被等破壞。4號(hào)溝排洪仍按原通道經(jīng)過(guò)該溝道預(yù)留箱涵下泄，但由于4號(hào)溝道整體坡陡水急，如不采用消能措施，極易造成溝道構(gòu)筑物損壞，因此建議在4號(hào)溝出口處增加消力池，減緩流速后匯入左側(cè)主溝。同時(shí)，采取兩側(cè)排洪溝方案左側(cè)水系可穿過(guò)會(huì)展中心和文創(chuàng)商街，通過(guò)工程、調(diào)度等技術(shù)手段打造該核心區(qū)的循環(huán)水系景觀(guān)，增加該區(qū)域的整體品味。

雖然方案二在較控制糙率和分流流量較為理想情況下可基本達(dá)到50年一遇的過(guò)洪要斷面要求，兩側(cè)排洪溝的流速基本可以控制在5 m/s以下，但在兩側(cè)排洪溝匯合處(太子城遺址公園)附近，兩側(cè)排洪溝的水深仍然偏大，部分?jǐn)嗝孢_(dá)到4.3 m，因此建議太子城遺址公園以下斷面尺寸適當(dāng)增大。

本文推薦方案二利用左右兩側(cè)溝道排洪，各方案的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表16。

表16 兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)匯總表Tab.16 Summary of the advantages and disadvantages of the two schemes

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)由于核心區(qū)溝道比降整體較大，水流速度很大，易沖毀河道，影響排洪溝安全，建議河道采用鋼筋混凝土護(hù)砌等強(qiáng)化措施，保障河道行洪安全，尤其針對(duì)改變流向的新開(kāi)挖的河道。

(2)目前設(shè)計(jì)的2號(hào)溝、3號(hào)溝采用消能坎的方式消能，消能坎在排洪溝內(nèi)形成凸起，易造成局部水位升高，建議采用跌水消能。2號(hào)溝行洪溝道的寬深比太小，建議考慮該山區(qū)小流域行洪溝道局部易堵塞的特點(diǎn)，增大行洪斷面的寬深比。

(3)人工襯砌的渠道可以在做一定工程保障措施的基礎(chǔ)上代替天然行洪河道，在一定程度上這是一種可取的河道改造措施.故本文推薦方案二利用左右兩側(cè)溝道排洪，以避免在4號(hào)溝流域新開(kāi)挖排洪溝。由于部分工程已經(jīng)開(kāi)工建設(shè)，在建設(shè)空間不足的情況下可以采用單條河道排洪，需適當(dāng)增大單條排洪河道過(guò)流斷面，保障河道行洪安全。

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