方家河洪水計(jì)算及河道治理工程設(shè)計(jì)

都興偉

(丹東市防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧 丹東 118000)

1 工程概況

方家河流經(jīng)遼寧省鳳城市四門子鎮(zhèn)并最終匯入草河，河流全長(zhǎng)25.29 km，平均比降10.62‰。在2017年4月，相關(guān)部門組織專家進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，得出以下結(jié)論：(1)方家河流域尚未進(jìn)行流域規(guī)劃，且護(hù)岸工程不系統(tǒng)；(2)河道淤積、填河種地問題嚴(yán)重，復(fù)核影響泄洪能力；(3)目前河道防洪標(biāo)準(zhǔn)太低，達(dá)不到10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)。本次項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)治理河道約2700 m，包括新建堤防、河道清障等內(nèi)容。工程總工期為7個(gè)月，總投資為1101.97萬元。

2 河流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

為保證方家河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本項(xiàng)目結(jié)合本地區(qū)實(shí)測(cè)水文氣象資料和遼寧地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，采用以下兩種方法分別計(jì)算：

方法一：圖表法，本工程下游斷面控制集水面積481.2 km2，集水面積在300～1000 km2范圍內(nèi)河流采用1998年版《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》[1]。

方法二：降雨修正圖表法，以點(diǎn)暴雨代替面暴雨，采用草河上陳家堡子站多年降雨資料計(jì)算相應(yīng)頻率設(shè)計(jì)暴雨，推求設(shè)計(jì)洪水。

2.1 圖表法

本次工程水文分區(qū)為Ⅲ1區(qū)，匯流時(shí)間τ計(jì)算見式(1)[2]：

(1)

式中：L為流域最大匯流長(zhǎng)度，m；J為河道平均比降；x、y為水力特征經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，查資料得x=0.96，y=0.73。經(jīng)計(jì)算得τ=4.28 h。方家河基本資料經(jīng)查證詳見表1所示。

表1 基本資料查算表

方家河流域面積101.22 km2，設(shè)計(jì)面雨量PP計(jì)算見式(2)[3]：

Pp=P0·KP·KF

(2)

式中：P0為暴雨均值，mm；KP為皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)，取值1.83～1.87；KF為點(diǎn)面折減系數(shù)，取值0.935。計(jì)算結(jié)果見表2所示(其中：Cs=3.5Cv)。

表2 不同頻率設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算表 mm

洪峰流量QP的數(shù)值對(duì)河道通洪能力的參數(shù)確定有著決定作用，本項(xiàng)目采用經(jīng)驗(yàn)式(3)計(jì)算：

QP=0.278φP·iP·F

(3)

式中：φP為徑流系數(shù)，取值0.35；F為龍?zhí)稖峡刂泼嬉陨霞娣e，481.2 km2；iP為計(jì)算時(shí)間內(nèi)的最大降雨量，mm/h。

數(shù)據(jù)成果見表3和圖1所示，經(jīng)計(jì)算得出QP最大值為630 m3/s，為防洪安全起見，該值作為圖表法的最終結(jié)果[4]。

表3 不同頻率Pτp面、ip、Qp計(jì)算結(jié)果表

圖1 方家河不同頻率洪峰流量變化曲線

2.2 降雨修正圖表法

草河干流上建有陳家堡子雨量站，現(xiàn)有1967—2019年共53年的降雨資料。通過統(tǒng)計(jì)該站年最大P72、P24、P6、P1暴雨資料，并進(jìn)行排頻計(jì)算，得出相關(guān)參數(shù)取值見表4所示(其中，Cs=3.5Cv)。

表4 陳家堡子站降雨資料參數(shù)取值 mm

歷時(shí)時(shí)間t的設(shè)計(jì)面雨量Ptp計(jì)算見式(4)，據(jù)此可以估算出方家河流域任意時(shí)間的暴雨流量見式(5):

Ptp=P24p·24n2p-1·t1-n2p

(4)

(5)

式中：P24p為歷時(shí)24 h設(shè)計(jì)暴雨值，mm;n2p為暴雨折減系數(shù)，取值0.76～0.79；t為歷時(shí)時(shí)間，h；Qp為暴雨流量，m3/s;φ為徑流系數(shù)，取值0.35；F為計(jì)算點(diǎn)上游降水面積，m2。據(jù)此可以估算出方家河流域任意時(shí)間的暴雨值，計(jì)算結(jié)果見表5和圖2所示(部分)。

表5 降雨修正圖表法設(shè)計(jì)洪水參數(shù)成果表 m3/s

圖2 陳家堡子站最大24 h降雨量頻率曲線圖

根據(jù)結(jié)果可知：利用降雨修正圖表法計(jì)算的最大洪峰流量為556.53 m3/s，結(jié)果相對(duì)于圖表法偏小。為防洪安全起見，本項(xiàng)目最終將圖表法計(jì)算結(jié)果630 m3/s作為方家河最終行洪能力的核定標(biāo)準(zhǔn)[5]。

3 河道治理工程設(shè)計(jì)分析

3.1 堤線布置設(shè)計(jì)

河道行洪能力Q計(jì)算決定了堤線輪廓，但由于河道曲直、寬度、粗糙度等均不一致，因此為便于計(jì)算，在此使用水力學(xué)中恒定非均勻漸變流的能力方程來計(jì)算方家河行洪能力見式(6)[6]所示：

(6)

式中：Z上、Z下為河道上、下游兩斷面水位高程，m；a為動(dòng)能改正系數(shù)，取值1.15～1.5；ζ為水頭局部損失系數(shù)，取值0.1；V上、V下為河道上、下游兩斷面流速，m/s； ΔS為河道上、下游兩斷面間距，m；k上、k下為河道上、下游兩斷面流量模數(shù)。經(jīng)計(jì)算，目前方家河最大行洪能力約為580 m3/s，達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

為滿足行洪要求，且避免占用耕地及居民區(qū)，降低工程投資，設(shè)計(jì)時(shí)遵循“不改變?cè)叹€”原則，個(gè)別處采用裁彎取直、河道疏浚及拓寬處理，并且在設(shè)計(jì)時(shí)上游堤頂高程提高0.53 m，下游堤頂高程提高0.84 m，以上設(shè)計(jì)均通過建造防洪墻的方法實(shí)現(xiàn)。

3.2 河堤護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目河堤護(hù)岸工程設(shè)計(jì)采用“固濱籠護(hù)腳+護(hù)坡”，其中左岸長(zhǎng)2738 m，右岸長(zhǎng)1322 m；堤頂為100 mm風(fēng)化砂路面，寬3.0 m；迎、背水側(cè)坡比均為1∶2.0，結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 河道護(hù)岸工程基本結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 護(hù)坡方案比選分析

根據(jù)實(shí)地考察，結(jié)合岸坡地形及地質(zhì)狀況，方家河采用綠濱墊或混凝土護(hù)坡均可，這兩種護(hù)坡形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表6所示。

表6 綠濱墊和混凝土護(hù)坡對(duì)比分析

通過分析：綠濱墊方案雖然比混凝土方案造價(jià)多2.5元/m2，但能夠大幅度改善方家河河道生態(tài)環(huán)境，這對(duì)提高附近居民保護(hù)河道的意識(shí)起到重要作用，大大減少管理壓力，而且該方案也符合當(dāng)前主流，因此本項(xiàng)目最終確定采用綠濱墊護(hù)坡方案，具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)綠濱墊護(hù)坡網(wǎng)格尺寸1.0 m×1.0 m×0.3 m(長(zhǎng)×寬×高)，鋼絲采用高爾凡合金(鋅-5%鋁-混合稀土合金鋼絲)處理。網(wǎng)孔尺寸：80 mm×100 mm；

(2)綠濱墊鋼絲抗拉強(qiáng)度350～550 N/mm2，延伸率不低于12%，其中綠濱墊鋼絲直徑2.2 mm，邊絲直徑2.7 mm，扎絲直徑2.2 mm；

(3)末端與邊端鋼絲聯(lián)接處是結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，采用專業(yè)的翻邊機(jī)將網(wǎng)面鋼絲纏繞在邊端鋼絲不少于2.5圈，不能采用手工絞；

(4)絞邊鋼絲與網(wǎng)面鋼絲材質(zhì)一致，為保證聯(lián)接強(qiáng)度，需嚴(yán)格按照間隔10～15 cm單圈～雙圈交替絞合。特殊部位綁扎圈數(shù)不少于3圈，間距不大于20 cm；

(5)綠濱墊及固濱籠所需塊石粒徑100～300 mm，孔隙率不超過30%。石材強(qiáng)度均不小于MU30，遇水不易崩解和水解，抗風(fēng)化。礫石墊層要求級(jí)配良好，最大粒徑不大于60 mm，最小粒徑不小于20 mm[7]。

3.2.2 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固濱籠護(hù)腳必須要大于最大沖刷深度hs，計(jì)算見式(7):

(7)

式中：h0為沖刷處水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為河床面上允許不沖流速，m/s；n為相關(guān)系數(shù)，取值0.2。

經(jīng)計(jì)算最終求得治理河段最大沖刷深度為1.19 m。本項(xiàng)目依據(jù)凍層深度及沖刷深度要求，護(hù)腳設(shè)計(jì)深度為1.20 m。固濱籠尺寸：寬1.00 m，高1.20 m。

4 結(jié) 語

方家河河道通過本次治理后，徹底解決了夏季洪水偶爾漫過河堤問題，通洪順暢，有效保護(hù)了居民建筑及耕地。而且河道生態(tài)環(huán)境僅用1年時(shí)間就發(fā)生了根本性變化，不再有侵占河道、垃圾傾倒等問題，河道生態(tài)公園也在規(guī)劃當(dāng)中。方家河在治理過程中由于缺乏必要的參考資料，因此很多參數(shù)由理論計(jì)算得出，這可能會(huì)出現(xiàn)一定的設(shè)計(jì)不合理問題，因此在這些工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做好準(zhǔn)備，出現(xiàn)問題時(shí)則有一個(gè)有效的補(bǔ)救措施。