柴河水庫下游河道防洪能力分析

王宇明

(中鐵北方遼寧總部中鐵東北投資發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽 110003)

近年來由于經濟社會的快速發(fā)展，對于河道防洪工程的投資建設也在不斷加大。雖然客觀上來說這些工程措施為河道治理提供了有力條件[1- 2]，但同時受到橋梁、景觀公園等建筑物建設、人類采砂活動等因素的影響，原本的河道防洪能力也產生了不同程度的變化[3- 4]。為了準確評判河道的行洪能力，需要根據研究區(qū)河道自身的特點對其進行科學的河段劃分[5- 7]，選取合適的觀測斷面，確定準確的特征水位分析[8]，并結合河道上現有的水利工程的控制和調節(jié)作用[9]，科學合理地指導防汛抗旱工作。

1 研究區(qū)概況

1.1 河道情況

柴河作為遼河的一級支流發(fā)源于遼寧省清原縣天橋嶺，整個流域面積為1441km2，長度為133km，全河比降為1.91‰。歷史上柴河曾發(fā)生過多次洪澇災害，為控制柴河洪水、減輕遼河防汛的壓力，于1972年在柴河上游熊官屯鄉(xiāng)興隆店修建了柴河水庫，控制面積1355km2，占流域面積的94%。水庫建成后預計消減設計洪水90%，對水庫下游的河道防洪起到了十分明顯的作用[10]。水庫下游屬低丘平原河流，地勢平坦。

1.2 工程現狀

柴河水庫下游治理長度為6.3km，治理型式主要為堤防和護岸。其中柴河大橋下游左岸為鐵嶺市城區(qū)，屬遼河回水段，堤防設計標準100a一遇；柴河大橋至柴河橡膠壩屬于城郊段，防洪標準為50a一遇；柴河橡膠壩以上為農村段，基本無堤，防洪標準為20a一遇。柴河水庫下游跨河橋梁共5座，跨河閘壩共3處。

2 現狀河道防洪能力分析

2.1 現狀堤防修建情況

柴河水庫下游主要為鐵嶺市，兩岸合計治理長度6.3km，其中左岸4.0km，右岸2.3km。其中長大鐵路橋下游緊鄰遼河大堤，屬于柴河入遼河河口段；長大鐵路橋至柴河大橋段是鐵嶺城市防洪遼河100a一遇標準回水段，現狀左岸建有堤防，治理長度2.3km，設計標準為遼河100a一遇，右岸緊臨長大鐵路橋段建有堤防1.0km。柴河大橋至柴河橡膠壩段防護型式主要以墻式護岸或路岸結合為主，兩岸總計治理長度3.0km，其中左岸1.7km，右岸1.3km，防洪標準50a一遇；柴河橡膠壩以上河段為鐵嶺市農村段，防洪標準為20a一遇，但該段無系統(tǒng)建設的堤防或護岸，主要以高地為主。

2.2 計算方法

2.2.1模型采用

由于柴河水庫下游缺少歷史實測地形等相關資料，且整個下游河道相對順直，基本未出現水流橫向流動情況，因此可采用一維數學模型對河道防洪能力進行分析與研究。

通過一維水力模型計算水面線，河道、橋梁處均采用能量方程進行計算，其計算公式為：

(1)

(2)

式中，Z1，Z2—上下游河道斷面的河底高程，m；Y1，Y2—上下游河道斷面水深，m；V1，V2—上下游河道斷面平均流速，m/s；he—水頭損失，m；α1，α2—修正系數；L—河段長度，m；Sf—斷面比降；C—收縮系數。

當橋地板高程高于過橋水位且低于上游來水水位時，過水能力方程計算公式為：

(3)

式中，Q—過水流量，m3/s；Cd—壓力流流量系數；ABU—過水面積，m2；Y3—橋上游斷面的水力深度，m；Z—橋上游下弦到河底的距離，m。

當上游來水過橋時形成淹沒出流，橋面以上出現堰流。橋面以下形成全壓力流，其計算公式為：

(4)

式中，Q—橋面以下壓力流流量，m3/s；C—流量系數；A—過水面積，m2；H—行進流速水深，m。

堰流方程如下：

(5)

式中，Q—過水流量，m3/s；C—堰流流量系數，m3/s；L—過水寬度，m；其余變量含義同前。

2.2.2計算條件

(1)地形資料。本次計算橫斷面資料主要采用2020年實測地形，柴河水庫下游河段計算長度11.4km，計算斷面20個；平面圖采用2019年航拍圖。

(2)起始斷面和起點水位。在遼河設計、柴河相應工況下，遼河回水末端在柴河大橋，起始斷面長大鐵路橋受遼河洪水影響。當遼河發(fā)生100a一遇洪水時，遼河設計流量6779m3/s，柴河河口處設計水位62.24m；當遼河發(fā)生50a一遇洪水時，遼河設計流量5718m3/s，柴河河口處設計水位61.63m。遼河洪水控制工況下起始斷面和起點水位見表1。

表1 遼河洪水控制工況下起始斷面和起點水位成果

由表1的水位成果可以看出，遼河100a一遇和50a一遇時的水位均高于長大鐵路橋下游柴河灌區(qū)攔河閘的壩頂高程60.55m，因此遼河的回水對其上游有一定影響。

在柴河設計、遼河相應工況下，遼河回水末端在柴河灌區(qū)攔河壩，起始斷面長大鐵路橋(位于柴河灌區(qū)攔河壩上游)不受遼河洪水影響。該工況主要是為確定柴河大橋上游段河道實際行洪能力，其中城市段防洪標準為50a一遇，農村段防洪標準為20a一遇。根據遼寧省水利水電勘測設計研究院編制完成的《柴河水庫除險加固工程初步設計報告》(2006年5月)，柴河水庫不同頻率洪水調節(jié)成果見表2。長大鐵路橋下游200m處建有柴河灌區(qū)攔河閘，溢流壩長度150m，壩頂高程60.55m，設3孔泄洪閘，閘室凈寬8.5m，受其壅水的影響，斷面(C2)不同頻率的起點水位成果見表3。

表2 柴河水庫洪水調節(jié)成果

表3 柴河洪水控制工況下起始斷面和起點水位成果

2.2.3糙率

柴河水庫下游由于缺少實測洪痕資料，本次根據現場查勘并參考《水力學計算手冊》，主河槽糙率取值在0.025～0.028之間，灘槽糙率取值在0.032～0.045之間。

2.3 現狀行洪能力復核

柴河水庫下游段主要流經鐵嶺市，為現狀河道防洪能力分析與研究的重點，分析與研究范圍為柴河水庫溢洪道入柴河處至長大鐵路橋，河道長度11.4km。

2.3.1遼河洪水控制工況

遼河洪水控制工況下，遼河回水影響河段為長大鐵路橋至柴河大橋段，該段左岸為鐵嶺市城區(qū)，建設回水堤2.3km，設計防洪標準為遼河100a一遇。右岸為鐵嶺農村段，防洪標準為50a一遇，該段不受遼河回水影響，因此右岸列入柴河洪水控制工況下進行分析計算。經過計算，現狀堤防防洪能力達標情況見表4。

表4 遼河回水段防洪能力達標情況 單位：m

由表4可知，遼河回水段現狀堤防高度達標。由于該段堤防為遼河鐵嶺市城市防洪工程，因此堤防防洪能力參照遼河。

2.3.2柴河洪水控制工況

柴河洪水控制工況下，遼河回水末端在長大鐵路橋，長大鐵路橋上游河段不受遼河影響。

柴河大橋至柴河橡膠壩(二道壩)為鐵嶺市城郊，兩岸基本建有墻式護岸或岸堤，設計防洪標準為50a一遇；柴河橡膠壩以上是農村段，防洪標準20a一遇，兩岸以低丘為主，現狀無堤防。

根據河道特征及觀測要求，柴河水庫下游劃分為2段分別進行觀測，即溢洪道入柴河處至柴河橡膠壩段，河道長度8.1km，觀測斷面設在熊官屯大橋處；柴河橡膠壩至長大鐵路橋段，河道長度3.3km，觀測斷面設在柴河大橋處，其中柴河大橋至長大鐵路橋左岸為遼河的回水段，堤防保證水位主要受遼河洪水影響，本次按柴河設計，因此只考慮右岸。

熊官屯橋附近的右岸建有企業(yè)，且熊官屯鄉(xiāng)距右岸岸邊只有300m，保護對象比較重要，此處設置觀測點比較有代表性，且便于觀測。

柴河大橋位于鐵嶺城區(qū)段的中部，上游至柴河橡膠壩段兩岸建有護岸，防洪標準為50a一遇，兩岸城市配套較好，保護對象重要。柴河大橋下游左岸為遼河回水段。此處設置觀測點可以全面反映城區(qū)段水情變化情況，代表性強，觀測方便。

以2020年實測地形資料計算現狀河道的行洪能力，現狀行洪能力成果見表5。

表5 柴河水庫下游河道現狀防洪能力成果

2.4 柴河水庫下游段成果分析

柴河橡膠壩下游為鐵嶺城市段，本次復核考慮的河段包括柴河橡膠壩至柴河大橋段左、右岸和柴河大橋至長大鐵路橋段右岸，防洪標準均為50a一遇。其中柴河大橋至長大鐵路橋段右岸僅在長大鐵路橋上游建有堤防1km，通過復核計算，C4斷面位置右岸的過流量為499m3/s，小于50a一遇的防洪設計標準518m3/s，該段過流能力較小的主要原因是隨著城市的發(fā)展，城市建設不斷擠占河道，河道內阻礙防洪建筑物較多，造成行洪斷面變小，防洪能力降低。柴河大橋至柴河橡膠壩段防洪標準為50a一遇，主要以墻式護岸和高地為主，基本滿足50a一遇標準的洪水過流要求，其中C7斷面過流能力最小，左岸保證流量643m3/s，右岸保證流量718m3/s，相對較低的原因是左岸修建濱河公園，右岸城市建設擠占河道。

3 成果分析

柴河大橋觀測點主要控制柴河橡膠壩至長大鐵路橋段(不含遼河100a一遇洪水回水段左岸)，該段為鐵嶺市城區(qū)，河道長度3.3km，防洪標準50a一遇，相應洪峰流量為518m3/s，左岸最小過流能力斷面為C7，保證水位為63.42m，保證流量643m3/s，觀測點相應保證水位63.29m；右岸最小過流能力斷面為C4斷面，保證水位為62.46m，保證流量為499m3/s，觀測點相應保證水位62.98m。城區(qū)段基本建有防洪工程，警戒流量取287m3/s，觀測點相應警戒水位是62.24m。

為保護現狀耕地(含灘地內)，計算柴河水庫下游旱田保證水位及保證流量，成果見表6。

表6 柴河水庫下游旱田保證水位及保證流量

4 結語

(1)部分河段防洪能力不達標。柴河大橋至長大鐵路橋段C4斷面右岸過流能力為499m3/s，低于50a一遇洪峰流量518m3/s；下肥地鄉(xiāng)的左岸保證流量653m3/s，右岸保證流量513m3/s，均低于10a一遇設計洪峰流量742m3/s；上肥地鄉(xiāng)的左岸保證流量588m3/s，低于10a一遇設計洪峰流量606m3/s。上述河段汛期應加強防護，做好應急救援預案，對于有堤段應對防護工程進行加固加高。

(2)臨河建筑受洪水威脅較大。熊官屯橋上、下游的右岸靠近河道處建有村屯和企業(yè)，且距離河道較近，高程較低，當流量達到300m3/s時，村屯就受到威脅，該段汛期應加強巡視，且應修建防護工程，保護村屯和企業(yè)的安全。