海則廟溝河道涵洞過洪能力分析

郭飛燕

(府谷縣河道養(yǎng)護站,陜西 榆林 719499)

鵬鑫采石場修建的涵洞,未批先建,屬于河道“四亂”工程。為了論證涵洞是否會對河道行洪安全和防汛搶險造成影響,這就需對涵洞過水能力進行分析評價。

1 概 述

府谷縣屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候,多年平均年降水量為453.5mm。鵬鑫采石場位于府谷縣海則廟便民服務中心王大莊村,東臨黃河。海則廟溝自西向東,河道較蜿蜒曲折,有“U”型彎,最后由高粱溝流入黃河。為了運輸方便,鵬鑫采石場對上游修建了護堤壩,修筑河堤,搭建半圓拱形涵洞及填土硬化等工程。

2 附近工程設施影響分析

海則廟溝流域面積較小,流域內水量較少,無水文站、雨量站等觀測站點,也無水利工程相關設施。該河道東側有一雙向單車道公路,與該河流相交,河道內水流不會漫上公路對公路行車情況無影響。涵洞河段下游有一小型混凝土橋梁,橋梁跨河而建,跨度約為10m。

3 設計洪水分析

擬建涵洞段區(qū)域屬于海澤廟溝流域,海則廟大水溝自然排水渠西起高粱溝東至黃河流域,該流域內無文測站和雨量站,所以該區(qū)域屬于無資料地區(qū)的設計洪水計算。根據《防洪標準》(GB50201—2014)中對于公路的各類建筑物、構筑物根據公路的功能和相應的交通量分為四個防護等級,該項目建造位置所依臨公路為三級公路,相應防洪標準的重現(xiàn)期為20a。

3.1 經驗公式法

根據水文、氣象、地貌及土壤自然地理等自然特點。綜合得出自然因素經驗公式,其公式為:

(1)

式中:QN為重現(xiàn)期為N年的洪峰流量,m3/s;h6為設計洪水重現(xiàn)期為N的設計流域6小時面雨量,58.4mm;f為流域形狀系數(shù);C、α、β、η為經驗參數(shù)。F為設計流域面積,24.87km2;根據《榆林市水文手冊》暴雨分區(qū)圖知,項目所在區(qū)域為第Ⅰ分區(qū),相應的參數(shù)數(shù)值為α=0.71,β=0.11,η=0.68,C20=1.52。

經計算,重現(xiàn)期為20a的洪峰流量Q20=217m3/s。

3.2 推理公式法

推理公式法是將流域的產匯流過程均勻概化后得到的結果,適用流域面積在1000km2以下小流域。其基本公式為:

(2)

據此,洪峰流量為全匯流面積造峰的結果,并可應用徑流成因公式按上述假定,由凈雨歷時tc與流域匯流時間τ 之間的關系,解出其基本應用形式。當流域產流歷時大于(或等于)匯流歷時(tc≥τ)時,洪峰流量由全流域匯流所形成,即為全面匯流的情況,則:

(3)

當流域產流歷時小于匯流歷(tc<τ)時,洪峰流量只是部分流域面積匯流所形成,即為部分匯流情況,則:

(4)

(6)

式中:Qm為洪峰流量,m3/s;hR、hτ為產流歷時內的凈雨和相應于τ時段的最大凈雨,mm;

F、Ftc為流域面積和相應于tc時段的匯流面積,km2;τ 為流域匯流時間,h;tc為凈雨歷時,h;0.278為單位換算系數(shù)。

限于資料條件,為方便起見,假定所有的匯流情況均為全面積匯流情形,即采用式(5)進行分析。由以上各式可見,確定流域最大洪峰流量的關鍵是如何確定匯流歷時τ。假定流域平均匯流速度Vτ綜合地反映了流域坡面匯流和河道匯流特性,并采用式:

Vτ=mJαQmβ

(6)

則流域平均匯歷時為:

(7)

式中:L為沿主河槽從出口斷面至分水嶺的最長距離,km;J為沿流程L的平均縱比降,‰;

M為經驗型匯流參數(shù);α、β為經驗性指數(shù);α和β的值都為1/3。另外,匯流參數(shù)m的公式為:

M=kθ0.325hR-0.41

(8)

(9)

式中:k為不同降雨分區(qū)的系數(shù);θ為流域特征性參數(shù);F為流域面積km2;J為流域比降。

匯流歷時表達式為:

(10)

將上述公式參數(shù)帶入后,求得τ=11.5/Q1/3,假定一系列Qm后計算出相應的τ,得到Qm～τ曲線,見表1。

表1 Qm～τ曲線

求得該流域20a一遇凈雨值為48.9mm。將凈雨過程由大到小進行累積,按Qm=0.278F∑ht/t計算Qm～t曲線,結果見表2。

表2 Qm～t曲線

將Qm～τ曲線和Qm～t曲線兩組關系數(shù)據點繪到直角坐標紙上求得交點,經過綜合分析即得到20a一遇洪水的洪峰流量Qm= 218m3/s。

3.3 水文比擬法

水文比擬法就是通過某種修正將參證流域的水文要素化為設計流域水文要素的方法。在同一產匯流區(qū)內,選定參證流域和參證站后,可以通過面積與洪峰流量的關系,進行修正,修正系數(shù)為:

Qps=β2Qpc

(11)

(12)

設計流域的洪峰流量為:

Qps=β2Qpc

(13)

式中:Qps,Qpc分別為設計流域和參證流域的設計洪峰流量,m3/s;Fs和Fc分別為設計流域和參證流域的面積,km2;B=(bE+bcv),其中bE和bcv分別為洪峰模數(shù)均值和Cv對應的經驗參數(shù)b。

以皇甫水文站為參證站進行水文比擬法,由新版《榆林市實用水文手冊》可知皇甫水文站控制流域面積為3715km2,重現(xiàn)期為20a的設計洪峰為3600m3/s,查手冊中表可知bE=0.1,bcv=0.045。將參數(shù)代入公式(13)中得到β2=0.13。由式(13)可知,該流域通過水文比擬法得到的洪峰流量Qps=368m3/s。

3.4 合理性分析

考慮到經驗公式法需要的參數(shù)較多,而本次工程地區(qū)又無相關雨量站、水文站等觀測站點,只能利用同分區(qū)內其他站點所觀測的降水數(shù)據進行相關參數(shù)的推算,所以對結果影響較大。由于皇甫水文站控制流域面積較大,通過水文比擬法得到的洪峰流量與本次研究區(qū)域面積相差懸殊,故得到的結果可參考性不強。故結果選擇由推理公式法所推求的結果為218m3/s。即該流域20a一遇洪峰流量為Qm=218m3/s。

4 涵洞過水能力分析

4.1 過洪能力

通過涵洞的設計建筑面積與天然情況下通過20a一遇的洪水的洪峰需要的面積進行比較從而得知涵洞是否可以順利通過20a一遇的洪水的洪峰流量。根據曼寧公式對需要的河道過水斷面面積進行計算,計算公式為:

(14)

(15)

Q=AV

(16)

式中:V為斷面的流速,m3/s;n為糙率,取值為0.03～0.035;R為水力半徑,m;A為過水斷面面積,m2;x為濕周,m;

根據式14-16通過試算,找到天然河道情況下洪峰流量達到218m3/s時需要的河道過水斷面面積為37.6m2,此時流速為5.8m/s。該工程涵洞斷面面積為16.1m2,故該涵洞遭遇洪水時最大過流能力為110m3/s,會產生壅水,需要進一步計算涵洞口壅水高度來判斷涵洞的過水能力。由于在產生20a一遇洪峰時會產生壅水,故涵洞內部水流狀態(tài)為有壓流,通過此方法計算出的涵洞過流能力偏小。通過比較所需天然河道斷面面積與已修建的涵洞斷面面積不難得知,當20a一遇洪峰來臨時,若產生的壅水高度過大,洪水可能會在涵洞上方通過,作為緊急的泄水通道,并對涵洞段上方河堤進行加固處理,防止淘蝕上方公路的路基和沖刷路面等影響[1]。

因此,需要計算在發(fā)生20a一遇洪水情況下,涵洞段由涵洞及其上方斷面聯(lián)合泄洪情況下的水面線,并與路面高程進行比較,分析判斷該工程河段的泄洪能力。

4.2 壅水高度計算

由于涵洞過水能力略小于年一遇的洪水的洪峰流量,故在該斷面區(qū)域上游會產生壅水,通過《榆林市實用水文手冊》中對該地區(qū)五點概化洪水過程線相對值參考表3。

表3 五點概化洪水過程線相對值參考表

通過皇甫水文站五點概化得到的地區(qū)20a一遇洪水過程線。計算得到當洪峰Qm=218m3/s時,由于涵洞過水能力為110m3/s,故通過計算得到涵洞前壅水量為62.6m3,由前文已知該段河道比降為0.0162。故可以算出體積為62.6 m3的水在涵洞口所產生的最大壅水高度為1.42m。

由該涵洞建設地區(qū)CAD高程圖可知,涵洞前河底高程為913.02m。由《河道堤防工程設計規(guī)范》查得該工程安全超高為0.5m。最大壅水高度為1.42m。將這些數(shù)據加在一起算得壅水時最高水位為918.42m,涵洞洞口部分東側道路高程為920.20m。故壅水不會對東側道路產生影響。

4.3 水面線計算

通過求解伯努利方程,根據已知流量、起推水位逐步推求各斷面的水位。

(17)

hw=hy+hj

(18)

(19)

(20)

(21)

水面線計算一共分為起始斷面至涵洞末端,涵洞段、涵洞上游壅水段四個斷面分別計算水面線。上式相關參數(shù)取值及水面線計算成果表見表4。

表4 水面線成果表

由表4中計算結果可知,工程所在河段在發(fā)生20a一遇洪水情況下,各關鍵點的水位低于對應點公路路面高程的范圍在0.72～3.98m之間,考慮0.5m安全超高,該河段能夠滿足泄洪要求。同時,也可計算出涵洞段在發(fā)生20a一遇洪水時涵洞頂水深為1.4～1.5m。因此,涵洞段以及工程項目段的涵洞、兩岸河堤按照相關規(guī)范進行施工、管理以及后期的防洪應急預案前提下,能夠順利下泄20a一遇洪水。

5 結 語

通過分析探討,鵬鑫采石場所建過水涵洞20年一遇的設計洪峰流量為218m3/s,對應所需的河道過水斷面面積為37.6m2,而實際涵洞斷面面積為16.1253m2,不能滿足20a一遇洪水過流能力,需要聯(lián)合涵洞上方原河道斷面進行泄洪。建議建設單位對東側道路護堤采取加固防護措施,并且對涵洞進行加固,在發(fā)生20a一遇洪水時能夠利用涵洞上方臨時斷面進行緊急泄洪。