沙溝河防洪工程設計洪水計算

張中印

（南水北調(diào)中線干線工程建設管理局渠首分局，河南 南陽 473000）

1 沙溝河基本情況

沙溝河為黃河流域伊河一級支流，發(fā)源于紙房鎮(zhèn)臺上村，水流自東南向西北，流經(jīng)七泉村、上川村和龍頭村、汪莊村、高村等，在紙房鎮(zhèn)高村匯入伊河，河道總長度為15.77 km，流域面積為31.58 km2，干流比降0.03。

沙溝河歷史上水旱災害頻繁，新中國成立以來，水災多以洪澇形式出現(xiàn)。2010 年7 月，沙溝河遭遇大洪水，淹沒耕地超13.33 hm2。現(xiàn)狀溝道內(nèi)垃圾、砂卵石堆放混亂，侵占河灘，阻水嚴重；河底高坎低坑凹凸不平，縱坡較陡，溝道流速加大，岸坡沖刷嚴重；局部岸坡高程不滿足防洪標準要求，若遇洪水，將導致村莊和大片田地被淹沙。溝河下游為洛欒高速，溝道沿岸有民宅、企業(yè)等，一旦洪水泛濫，將造成難以估量的重大損失。

河南省嵩縣沙溝河山洪溝治理工程范圍為紙房鎮(zhèn)龍頭村至汪莊橋（樁號0+000～4+955），治理長度4.96 km。其中上游0+000～3+600段（龍頭村至菠菜溝口）范圍內(nèi)有龍頭村及部分耕地，保護人口0.16萬人、耕地超13.33 hm2?！斗篮闃藴省芬?guī)定防護區(qū)耕地面積≤2 萬hm2，防護區(qū)人口≤20 萬人，防洪標準為10—20年一遇。考慮到該段保護人口、耕地相對較少等因素，確定該段防洪標準取下限，即10年一遇。

2 沙溝河氣象與地質(zhì)

2.1 水文氣象

流域內(nèi)年平均降雨量731 mm，且年際變化大，季節(jié)分配不均，年最高氣溫39.30 ℃，最低氣溫-11.30 ℃，多年平均氣溫14 ℃左右，多年平均光照2 296 h，無霜期平均209 d，年水面蒸發(fā)量平均1 597.50 mm，風速平均1.60 m/s，每年伏天常降局部性冰雹，釀成不同程度的災害。

沙溝河流域內(nèi)暴雨具有集中、量大、面廣、歷時短的特點。暴雨一般出現(xiàn)在5-10 月，7-8 月占總數(shù)的60%～80%，較大暴雨多出現(xiàn)在7 月中旬至8 月上旬。此流域相鄰站實測暴雨資料，實測最大10 min 降水25.50 mm（1993 年東灣站），最大1 h降水100.50 mm（1982 年陸渾站），最大6 h 降水量105.10 mm（1962年東灣站），最大24 h降水175.10 mm（1982年竹園溝）。

2.2 工程地質(zhì)

河道表層分布的第①層人工坡積碎石土、第③層含礫中粉質(zhì)壤土和第④層卵石組成，治理段由南流向北，現(xiàn)狀河道寬50～100 m。堤基土上部主要由第②層含礫中粉質(zhì)壤土、第③層卵石組成，卵石層承載力較高，可作堤基基礎持力層使用。

3 沙溝河的河道現(xiàn)狀及存在問題

3.1 沙溝河的河道現(xiàn)狀

河道兩岸階地發(fā)育不對稱，高低不一，部分巖石裸露。存在主要問題是：因附近居民的生產(chǎn)、生活（堆積人工填土、倒置垃圾等）侵占河道，河床凹凸不平，阻水嚴重，影響河道泄洪，建議對河床進行整治疏浚?；謴秃拥雷匀贿^流能力，使其汛期行洪順暢。

但卵石層具強透水性，存在管涌型滲透變形的可能，抗沖刷能力較差，應做好防滲措施，為防止洪水沖蝕坡腳，設計時宜作適當深度的齒墻。加以防護，應采取防滲措施，地下水位埋深較淺，應考慮地下水對開挖工程的影響，做好防排水工作。

3.2 沙溝河存在問題

沙溝河自新中國成立以來，在長達半個世紀的運行中，未曾進行過任何系統(tǒng)的治理，此次治理經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)以下問題：①侵占溝道。本溝道內(nèi)垃圾、棄渣、廢棄砂石料侵占溝道，影響行洪。②此河段平均縱坡在1/60左右，流速較大，對河底、岸坡坡腳沖刷嚴重，局部坡腳下土層已被掏空。③局部岸坡標準較低。溝道兩岸為村莊、農(nóng)田及企業(yè)，較大洪水將造成村莊、大片農(nóng)田及企業(yè)被淹。

4 沙溝河防洪工程建設必要性

沙溝河歷史上水旱災害頻繁，一直以來，水災多以洪澇形式出現(xiàn)。2010年7月，沙溝河遭遇大洪水，淹沒耕地200多畝，左岸企業(yè)廠區(qū)被淹。現(xiàn)狀河道內(nèi)分布有建筑、生活垃圾，灘地布滿農(nóng)田；河底高坎低坑凹凸不平，縱坡較陡，河道流速加大，岸坡沖刷嚴重；局部岸坡高程不滿足10 年一遇洪水，若遇洪水，將導致大片農(nóng)田及房屋被淹；建筑物阻水造成局部流速增大，加大對河道的沖刷。沙溝河兩岸分布有3個行政村，0.70萬人，耕地0.01萬hm2，5家企業(yè)，洛欒高速及玉皇山森林公園位于下游，地理位置重要，一旦洪水泛濫，將造成難以估量的重大損失。

防洪工程的建設應與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)，沙溝河臨近縣城，而沙溝河的防洪建設相對滯后，隨著嵩縣地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，迫切需要通過完善防洪體系，來提高該地區(qū)的防洪能力，使之與經(jīng)濟的發(fā)展水平相適應。

1)充分暖機，保證各部加熱均勻。用常規(guī)啟動方式適當延長暖機時間達不到暖機效果，背壓宜在20 kPa以上，以增大進汽量。啟動時，發(fā)生了提升轉(zhuǎn)速及負荷稍快、凝汽器真空控制過高暖機流量不足等原因引起的打閘。

為了保護沙溝河兩岸居民生命財產(chǎn)安全、促進嵩縣縣域經(jīng)濟的發(fā)展，對沙溝河進行治理十分必要。

5 沙溝河設計洪水計算

5.1 防洪標準

沙溝河溝道治理工程是以保護村莊、農(nóng)田為主的溝道治理工程，項目區(qū)涉及人口0.60 萬人，耕地80 hm2，根據(jù)國標《防洪標準》《總體規(guī)劃》《全國重點地區(qū)中小河流近期治理建設規(guī)劃》中的防護對象等級和防洪標準，防護區(qū)耕地面積≤2萬hm2，防護區(qū)人口≤20萬人，防洪標準為10—20年一遇。

5.2 設計洪水計算方法

由于該流域無實測洪水資料，且治理工程處控制流域面積較小，根據(jù)《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》規(guī)定：小流域采用推理公式法用暴雨資料推算洪水。根據(jù)豫水辦的有關規(guī)定，洪水計算應分別按河南省水利設計院1984 年10 月編印的《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》（以下簡稱“84 圖集”）和2005 年12 月河南省水文局編制的《河南省暴雨參數(shù)圖集》（以下簡稱“05圖集”）查暴雨參數(shù)，用“84圖集”相配套的洪水計算公式及查算圖表推求洪水。

5.3 設計洪水計算

5.3.1 流域特征值

經(jīng)查“84圖集”，此流域?qū)儆诤幽鲜∷姆謪^(qū)第Ⅳ區(qū)。流域特征值見表1。

表1 流域特征值表

5.3.2 設計暴雨計算

表2 設計暴雨量計算成果表（84圖集）

表3 設計暴雨量計算成果表（05圖集）

5.3.3 設計暴雨遞減指數(shù)

按“84 圖集”中的公式，計算三種時段設計暴雨遞減指數(shù)n1、n2、n3。

暴雨遞減指數(shù)計算公式為：

式中：n1p、n2p、n3p─為三種時段設計暴雨遞減指數(shù)；H10p、H1P、H6P、H24P─分別為同一設計頻率年最大10 min，1、6、24 h點雨量；α─為暴雨點面折減系數(shù)。

暴雨遞減指數(shù)n，當洪峰匯流時間τ＜1 h采用n1；當τ=1-6 h時，采用n2；當τ=6-24 h 時，采用n3。暴雨遞減指數(shù)n 計算成果表4、表5。

表4 暴雨遞減指數(shù)成果表（84圖集）

表5 暴雨遞減指數(shù)成果表（05圖集）

5.3.4 設計洪水計算

洪峰流量采用“84圖集”中推理公式法計算。

將各數(shù)值代入公式經(jīng)試算，設計洪峰流量計算成果如表6、表7。

表6 設計洪峰流量計算成果表（84圖集）

表7 設計洪峰流量計算成果表（05圖集）

5.3.5 設計洪峰流量計算成果分析

采用不同圖集查算的設計洪峰流量成果見表8。

表8 不同圖集計算設計洪峰流量成果表

將兩種圖集計算的結(jié)果進行比較，可以看出：按“05圖集”計算的設計洪水流量因1 h降雨量均值（相差1.50 mm）偏小，造成設計洪峰流量比“84 圖集”計算成果偏小，相差0.03%～3.00%。為工程安全考慮，此次設計洪水計算采用“84圖集”計算成果。樁號1+989斷面以上區(qū)間20年一遇洪峰流量為268 m3/s，樁號3+340斷面以上區(qū)間20年一遇洪峰流量為303 m3/s。樁號1+989斷面以上區(qū)間10年一遇洪峰流量為204 m3/s，樁號3+340斷面以上區(qū)間10年一遇洪峰流量為229 m3/s。

5.4 治理段設計洪水計算

根據(jù)《嵩縣臺上水庫除險加固工程初步設計報告》，臺上水庫10 年一遇洪水出庫流量為47 m3/s，20 年一遇洪水出庫流量為71.30 m3/s。將水庫至治理段區(qū)間流域的10 年一遇和20 年一遇設計洪水分別與臺上水庫10年一遇和20年一遇下泄洪水流量進行疊加，作為沙溝河本次治理段設計洪水。

經(jīng)計算，此次治理段樁號3+600斷面20年一遇洪峰流量為339 m3/s，樁號4+955斷面20年一遇洪峰流量為374 m3/s。樁號3+600 斷面10 年一遇洪峰流量為251 m3/s，樁號4+955 斷面10年一遇洪峰流量為276 m3/s。

5.5 支溝洪水計算

此次沙溝河治理段內(nèi)左岸有一條支溝菠菜溝。支溝洪水計算采用面積比擬法公式Q支=（F支/F）nQ，根據(jù)沙溝河治理段洪峰流量推求支溝洪峰流量。結(jié)合此流域?qū)嶋H情況，面積比指數(shù)n值應在0.50～0.70，本次計算n值取0.70。支溝設計洪峰流量計算成果見表9。

表9 支溝設計洪峰流量計算成果表

5.6 施工期洪水

根據(jù)《水利水電工程等級劃分標準》及《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》，本次工程永久及臨時建筑物均為5級，施工導流標準采用非汛期10月至次年5月5年一遇洪水。

沙溝河流域范圍內(nèi)無實測流量資料，沙溝河下游鳳陽河同為伊河支流，2014 年10 月洛陽水利勘測設計有限責任公司編制完成了《河南省嵩縣鳳陽河溝道治理工程初步設計報告》。因此，此次采用面積倍比法根據(jù)鳳陽河施工期洪水成果計算沙溝河施工期洪水。鳳陽河控制流域面積75.80 km2，施工期5年一遇洪水為4.80 m3/s。經(jīng)計算沙溝河施工期5 年一遇洪水為2.60 m3/s。

5.7 設計洪水

河南省嵩縣沙溝河溝道治理工程范圍為紙房鎮(zhèn)龍頭村至汪莊橋（樁號0+000～4+955），治理段各段防護對象的重要性不同，防洪標準應根據(jù)各段防護對象的重要性來確定。菠菜溝口至沙溝河入伊河河口段沿岸居民較多，地理位置重要。綜上所述，此次溝道治理工程防洪標準采用：龍頭村至菠菜溝口段防洪標準為10 年一遇，菠菜溝口至汪莊橋段防洪標準為20 年一遇。

經(jīng)過計算，樁號3+600（菠菜溝口）斷面以上10年一遇洪峰流量為251 m3/s，樁號4+955（汪莊橋）斷面以上20 年一遇洪峰流量為374 m3/s。

6 總結(jié)

積極做好防洪工程，不僅可有效減少災害損失，而且可保障河流協(xié)調(diào)發(fā)展。此次設計河線規(guī)劃在保證溝道泄洪順暢的前提下，維持現(xiàn)有河型、河勢為主，以保持溝道自然形態(tài)、溝道功能。

為保證設計洪水成果的準確性，洪水計算利用多種方法計算。根據(jù)沙溝河洪水計算分析，再結(jié)合沙溝河溝道的實際情況制定出防洪工程方案：對不滿足防洪標準且有保護對象的治理段可適當新建或加固堤防；對于溝道縱坡陡、彎道卡口段多、沖刷嚴重等特點對溝道岸坡進行護砌。防洪工程的實施能有效地減少洪澇災害，促進經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。