戛灑江山區(qū)天然河段水面線防洪計(jì)算中的應(yīng)用

◎高貴興 吳玉婷 云南潤(rùn)亞工程技術(shù)咨詢有限公司

新平縣大開門至戛灑高速公路是玉溪至臨滄至孟定口岸高速公路中的一段，位于玉溪市新平縣境內(nèi)。是云南省骨架路網(wǎng)的橫向重要組成部分，項(xiàng)目建設(shè)不僅可加快玉溪市公路的高等級(jí)化，還能提升玉溪市整體路網(wǎng)水平和通行能力。形成連接滇東、西部、滇南通往省外和國(guó)外的重要通道，對(duì)帶動(dòng)沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等具有重要意義。

1.工程概況

如圖1所示，工程項(xiàng)目起點(diǎn)位于玉溪市新平縣大開門村附近，通過(guò)設(shè)置大開門樞紐立交與昆磨高速相連。戛灑江特大橋?yàn)榇箝_門至戛灑高速公路橫跨戛灑江所設(shè)，所處位置隸屬新平縣阿西莫村所轄，主要目的是連通大開門至戛灑高速公路。戛灑江特大橋施工便橋位于戛灑江特大橋下游約70m處，橫跨戛灑江，所處位置隸屬新平縣阿西莫村所轄，主要目的是服務(wù)戛灑江特大橋施工使用，戛灑江特大橋施工完畢后拆除。

圖1 大開門～新平（戛灑）高速路網(wǎng)規(guī)劃位置圖

2.水文分析計(jì)算

2.1 洪水計(jì)算內(nèi)容及方法途徑

（1）戛灑江洪水計(jì)算內(nèi)容及方法途徑。本次洪水計(jì)算內(nèi)容主要為分析戛灑江特大橋段戛灑江河道洪水及相應(yīng)洪水水位。戛灑江特大橋下游約4.9km處為國(guó)道G227跨戛灑江大橋，G227跨戛灑江大橋下游約250m處河道順直，斷面規(guī)整，水流近似為明渠均勻流，故考慮選擇該斷面為起推斷面。起推斷面至戛灑江特大橋斷面區(qū)間徑流面積較小，僅占起推斷面以上戛灑江流域面積0.28%，且區(qū)間無(wú)較大匯水口，故洪峰流量統(tǒng)一采用起推斷面處洪峰流量進(jìn)行分析。起推斷面以上流域面積約19371km2，徑流面積遠(yuǎn)大于1000km2，不宜采用暴雨徑流法和推理公式法計(jì)算洪水。起推斷面下游約73km處設(shè)有元江站，元江站收集的洪水序列已有66年，且有1年歷史特大洪水，已經(jīng)具有代表性。元江站徑流面積21554km2，起推斷面至元江站之間無(wú)蓄洪設(shè)施，因此可采用水文比擬法計(jì)算設(shè)計(jì)斷面洪水。

（2）截水溝洪水計(jì)算內(nèi)容及方法途徑。斗牛場(chǎng)棄渣場(chǎng)上游靠近G227國(guó)道，國(guó)道排水溝截走上游匯水，因此，截水溝主要匯水為棄渣場(chǎng)平臺(tái)及坡面匯水。棄渣場(chǎng)截水溝設(shè)計(jì)洪水采用《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

2.2 設(shè)計(jì)洪水分析

2.2.1 元江站洪水分析

本次收集元江站1953年—2018年實(shí)測(cè)洪水，共66年，加上歷史1次特大洪水組成不連序洪水系列為頻率分析的樣本。其中實(shí)測(cè)值最大值為1986年的7520m3/s，第二大為1971年的4260m3/s，實(shí)測(cè)最大值比第二大值大76.5%，考慮將1986年的洪水作為特大值處理，故元江站特大值項(xiàng)為2項(xiàng)。統(tǒng)計(jì)參數(shù)采用矩法公式計(jì)算值為初估值，頻率曲線線型采用P-Ⅲ型，經(jīng)目估適線法合理確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)值。不連續(xù)序列矩法公式如下。

特大洪水：

實(shí)測(cè)洪水：

式中：N—重現(xiàn)期，最遠(yuǎn)調(diào)查期為1908年，至今111年，故取111年；n—實(shí)測(cè)值個(gè)數(shù)，取66個(gè)；a—特大值項(xiàng)數(shù)，取2項(xiàng)；L—從實(shí)測(cè)值中抽出的特大值項(xiàng)數(shù)，取1項(xiàng)；M—特大值排序，取1～2；m—實(shí)測(cè)值排序，取1～65。元江站洪水成果見表1，頻率曲線見圖2。

圖2 元江站洪水頻率曲線

2.2.2 元江站洪水合理性分析

為復(fù)核元江站洪水合理性，采用本方案計(jì)算成果與《紅河干流梯級(jí)開發(fā)的生態(tài)影響研究》中元江站成果進(jìn)行對(duì)比分析，該研究中采用的元江站資料為1957年～2009年，該報(bào)告由中水珠江設(shè)計(jì)公司編制，并于2014 年9月12日由水利部國(guó)際合作與科技司、水利部財(cái)政司組織驗(yàn)收，成果可靠。經(jīng)對(duì)比分析，本方案計(jì)算所得元江站洪水均值為1825m3/s，較收集到的元江站洪水均值1930m3/s小5.44%，但是本項(xiàng)目采用的CV值比收集到的CV值大0.1，經(jīng)計(jì)算，各頻率下對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水比收集到的大0.91%～3.05%。主要原因是因?yàn)楸敬问占男蛄屑娱L(zhǎng)，數(shù)據(jù)越趨于合理，Cv變大，CS值降低，符合一般規(guī)律。綜上所述，本方案采用元江站特征參數(shù)符合流域特性，取值合理。

2.2.3 元江站枯期洪水分析

收集元江水文站1953年—2019年實(shí)測(cè)洪水，共66年連序洪水系列為頻率分析的樣本，統(tǒng)計(jì)參數(shù)采用矩法計(jì)算值為初估值，頻率曲線線型采用P-Ⅲ型，經(jīng)目估適線法合理確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)值，成果見表2。

表2 元江站枯期洪水成果表

3.洪水影響分析計(jì)算

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

戛灑江特大橋全長(zhǎng)982.08m，屬于高速公路特大橋，設(shè)計(jì)洪水頻率采用300年一遇。項(xiàng)目施工便橋主要功能為聯(lián)通本項(xiàng)目戛灑江兩岸施工便道，施工便道道路級(jí)別為4級(jí)，施工便橋全長(zhǎng)84m，屬于中橋，鑒于本項(xiàng)目施工便橋?yàn)榕R時(shí)便橋，其防洪標(biāo)準(zhǔn)與戛灑江該段河道防洪標(biāo)準(zhǔn)一致。

3.2 地形資料

2019年8月，對(duì)G227國(guó)道跨戛灑江特大橋下游0.5km、上游1.2km范圍內(nèi)河道地形進(jìn)行了測(cè)量，比例為1:1000，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，平面坐標(biāo)采用CGCS2000坐標(biāo)系。2020年7月，對(duì)該段河道向上游進(jìn)行延伸補(bǔ)測(cè)，補(bǔ)測(cè)河段延伸至戛灑江特大橋上游300m，補(bǔ)測(cè)河段長(zhǎng)度3.6km?？倻y(cè)量河道長(zhǎng)度5.3km，起點(diǎn)為G227國(guó)道跨戛灑江特大橋下游500m，止點(diǎn)為戛灑江特大橋上游300m。戛灑江特大橋修建過(guò)程中，局部改變?cè)摱魏拥牢⒌匦危咚俟非捌谠O(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)高速公路沿線條帶地形進(jìn)行了測(cè)量，比例為1:2000，戛灑江特大橋段河道原始地形采用高速公路測(cè)量地形進(jìn)行修正。斗牛場(chǎng)段建筑物未修改戛灑江行洪斷面，河床地形無(wú)較大變化。

表4 考慮施工便橋江300年1遇（P=0.33%）洪水位計(jì)算成果

3.3 起推斷面洪水位計(jì)算

模型計(jì)算工況主要根據(jù)下勢(shì)面條件變化來(lái)確定，本項(xiàng)目?jī)H有戛灑江特大橋施工便橋位于河床中，故本項(xiàng)目工況分兩種情況：1）戛灑江特大橋施工便橋建橋前；2）戛灑江特大橋施工便橋建橋后。本方案考慮把G227跨戛灑江大橋下游約250m處斷面作為起推斷面，起推斷面河道規(guī)整，河段順直，河床底坡0.012，坡度較陡，受下游水位影響較小。起推斷面斷面圖見圖3。

圖3 起推斷面位置圖

起推斷面河床底坡0.012，坡度較陡，計(jì)算該斷面臨界水位與正常水位進(jìn)行對(duì)比，選取大值作為起推水位。試算求解設(shè)計(jì)洪水時(shí)相應(yīng)的臨界水位及臨界坡度。根據(jù)計(jì)算成果，各設(shè)計(jì)頻率下均為急流，正常水位低于臨界水位，取臨界水位作為起推斷面起推水位，如表3所示和圖4所示。

圖4 起推斷面正常水位與臨界水位對(duì)比圖

表3 起推斷面正常水位與臨界水位計(jì)對(duì)比表

3.4 起推斷面洪水位成果復(fù)核

起推斷面為天然河道，河床卵石分布，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及歷史影響調(diào)查，起推斷面2011年G227國(guó)道修建完成后無(wú)較大人為活動(dòng)，河道為天然演變。根據(jù)元江水文站洪峰流量資料，2009至2018年近十年內(nèi)最大洪峰流量為2015年的2160m3/s。起推斷面洪峰流量采用水文比擬法計(jì)算為2012m3/s，相應(yīng)的臨界水深為481.43m。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，起推斷面現(xiàn)有洪痕高程為481.27m，方案采取的起推洪水位大于洪痕0.16m，且誤差較小，故認(rèn)為本方案采用臨界水位作為起推水位滿足要求。

4.戛灑江涉及河段水面線計(jì)算成果分析

根據(jù)確定的河道洪水、綜合糙率、實(shí)測(cè)縱橫斷面資料、起推水位等邊界條件，按明渠恒定非均勻漸變流公式分段求和法自下而上逐段試算各控 制斷面洪水位，將洪水位相連后得河道水面曲線。戛灑江涉及河段不考慮施工便橋各防洪標(biāo)下水面線成果如下：

水面線成果率定。如表5所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，項(xiàng)目區(qū)涉及河段為戛灑江上游天然河道，缺少相關(guān)水文觀測(cè)資料及其他水工程參考資料，項(xiàng)目區(qū)水面線率定采用本項(xiàng)目涉及河段2020年7月30日航測(cè)水面線成果進(jìn)行率定。根據(jù)調(diào)查成果，航測(cè)時(shí)段起推斷面高程為478.47m，相應(yīng)的流量為251m3/s。本次采用相同模型計(jì)算水面線成果與航測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果如下：根據(jù)上表，洪峰流量251m3/s時(shí)，航測(cè)水面線與模型計(jì)算水面誤差較小，正負(fù)誤差均在0.3m以內(nèi)，且大部分河段模型計(jì)算水面線大于航測(cè)水面線，另外，模型計(jì)算水面線與航測(cè)水面線趨勢(shì)一致，故認(rèn)為本方案一維模型合理，計(jì)算成果可靠。

5.結(jié)論

水利工程能夠發(fā)揮出積極的防洪作用，可以強(qiáng)化抗水災(zāi)的能力，適當(dāng)?shù)販p少人們受災(zāi)的損失。當(dāng)前國(guó)家經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，跨河橋梁工程日益增多，其對(duì)所經(jīng)水域防洪水平會(huì)產(chǎn)生各異影響，對(duì)其防洪影響進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，可有效進(jìn)行工程管理，確保其建設(shè)符合防洪標(biāo)準(zhǔn)，有利于當(dāng)?shù)厮蚍篮榭節(jié)?。本文模型?jì)算水面線與航測(cè)水面線趨勢(shì)一致，從水力要素沿程變化分布看，在坡度基本一致的條件下，符合水流沿程變化的一般性規(guī)律；將水面比降與河床坡度比較看，水面比降與河床坡度基本吻合，符合河道洪水運(yùn)動(dòng)的水力特性；從流態(tài)變化看，坡度大時(shí)水面曲線陡，坡度緩則水面線趨于平緩，且與上下游銜接較好。綜上所述，水面曲線成果基本合理，模型計(jì)算成果可靠，可作為防洪影響評(píng)價(jià)依據(jù)之一。