過水路面涵管橋防洪影響評價及方案優(yōu)化探討

彭江鴻

（湖北省荊州市水文水資源勘測局,湖北 荊州 434000）

1 工程概況

某公司投資年產(chǎn)200 萬t石灰?guī)r及加工開采項目。礦區(qū)位于B河道右側(cè),B河道左右兩岸為山體石灰?guī)r石,居民住宅零星分散,由于B河道右側(cè)無道路通往礦區(qū),根據(jù)現(xiàn)場查勘,需在B河道上新建一座過河便道從左岸通往對岸礦區(qū),其河道上游無其他水利工程,下游約800 m處有一座B河橋。河道走勢及工程位置見圖1、圖2,涵管橋所處河道斷面為控制斷面。涵管橋中心線與河道夾角42°,寬7.5 m,共8孔,孔徑1 m,橋頂高程為149.2 m（1985 國家高程）,承雨面積64.2 km2,主河道長度15 km,河道坡降10‰。據(jù)洪水調(diào)查,2014 年B河道發(fā)生一場5 年一遇洪水,水位距B河橋面以下約0.5 m處,已淹沒地勢偏低的房屋、農(nóng)田,B河道防洪標準10 年一遇。

圖1 河道走勢圖

圖2 流域面積及工程位置示意圖

該項目初步設(shè)計方案過河便道采用過水路面涵管橋（簡稱涵管橋）,根據(jù)《中華人民共和國防洪法》相關(guān)規(guī)定,對涵管橋進行防洪影響評價。

2 防洪評價計算

本次洪水計算采用瞬時單位線法、地區(qū)經(jīng)驗公式法和推理公式法三種方法。設(shè)計洪水頻率P分別為95%、50%、20%、10%、5%、2%、1%。

2.1 瞬時單位線法推求設(shè)計洪水

2.2.1 設(shè)計暴雨

根據(jù)涵管橋河段以上流域形心位置查相關(guān)圖集得出設(shè)計點雨量均值H和變差系數(shù)Cv。

1 小時：H1=49 mm,Cv=0.48；

6 小時：H6=84 mm,Cv=0.48；

24 小時：H24=122 mm,Cv=0.47。

設(shè)計暴雨點雨量Hp點=Hkp,kp查CS=3.5CVP-Ⅲ型曲線。涵管橋河段短歷時點暴雨資料Kp值見表1。

表1 涵管橋河段短歷時點暴雨資料Kp值

采用點面系數(shù)法計算各時段面雨量：

各歷時面雨量兩兩相減,即得各個Δt=1 h的時段面雨量。涵管橋河段設(shè)計點面暴雨成果見表2。

表2 涵管橋河段設(shè)計點面暴雨成果表

設(shè)計凈雨按扣除初損和穩(wěn)損的方法推求[1]。凈雨時段Δt為1 小時,與瞬時單位線時段一致,凈雨歷時tc為12小時。按設(shè)計雨型排列后的面雨量過程順次扣除初損22.5 mm后再扣除穩(wěn)損,即可求得設(shè)計凈雨過程,其中穩(wěn)損計算公式為：

式中：R24為24 h總徑流深,mm,R24=H24面-22.5。

2.1.2 工程所處河段匯流計算

①地表徑流

地表徑流按瞬時單位線法進行產(chǎn)匯流計算,該流域位于水文分區(qū)第Ⅶ區(qū),其瞬時單位線參數(shù)計算公式為：

式中：F為流域面積,km2；L為主河道長,km；J為主河道比降,‰。

②地下徑流

β為退水指數(shù),β=0.133F-0.28；T為地面徑流過程底寬。

③設(shè)計洪水過程

將地表徑流和地下徑流疊加即可得出設(shè)計洪水過程。

2.2 地區(qū)經(jīng)驗公式計算設(shè)計洪水

可參考中小流域洪峰流量地區(qū)經(jīng)驗公式推算法,計算公式為：

式中：Qm為相應(yīng)頻率的洪峰流量,m3/s；K為與流域面積、形狀有關(guān)的綜合系數(shù),取0.590；β為造峰指數(shù),取1.4 ；Ht為造峰雨量,mm。

2.3 推理公式法計算設(shè)計洪水

小流域設(shè)計洪峰流量推理公式法計算公式為：

式中：Qm為設(shè)計洪峰流量；K1、K2、K3、K4為暴雨遞減指數(shù)n的函數(shù)；s為雨力；m為匯流參數(shù)；u為損失參數(shù)；為流域特征參數(shù)；F為流域面積,km2。

2.4 洪水成果合理性檢查

三種方法比較,推理公式法計算結(jié)果偏小,瞬時單位線法和經(jīng)驗公式法計算成果接近,2 年一遇設(shè)計洪水瞬時單位線法推算結(jié)果與小流域地區(qū)經(jīng)驗公式法推算結(jié)果十分接近。由于地區(qū)經(jīng)驗公式法采用24 h點暴雨資料,沒有考慮流域坡降,不適合流域匯流特點。綜合三種方法比較（表3）,本次推薦采用瞬時單位線法推求的設(shè)計值。

表3 控制斷面不同計算方法推求洪水成果比較

2.5 壅水分析計算

涵管橋前最大壅水高度采用道不松公式[2]為：

式中：L為壅水曲線長度,m；I為水面比降。

經(jīng)計算,涵管橋前最大壅水高度1.84 m,最大壅水曲線長度368 m。上游住戶較少,因此影響較小。但應(yīng)注意堆料場的位置,避免被洪水淹沒。

2.6 沖刷分析計算

涵管橋河段處河床質(zhì)為沖洪積卵石土層、風化石。工程建成后,根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTJ 062-2002）,按照非黏性土,一般沖刷深度按公式7.3.1-1 計算,涵管橋局部沖刷按公式7.4.1-8 計算。

經(jīng)計算,涵管橋一般沖刷最大水深為7.77 m,最大沖坑深為3.2 m,嚴重侵蝕河床,影響河床穩(wěn)定,需采取措施保護河床,涵管橋基礎(chǔ)應(yīng)在沖刷線2 m以下。涵管橋處洪水頻率為95%、50%、20%、10%、5%、2%、1%的局部沖刷深度分別為0.03 m、0.10 m、0.14 m、0.16 m、0.17 m、0.19 m、0.20 m。相對于主河槽寬達22 m的B河道,來水不會造成明顯變化,基本可以防范下游河床的河勢擺動。

3 防洪綜合評價

3.1 不同工況條件下河道行洪安全

（1）橋面非淹沒時涵管橋過流能力驗算

此工況涵管按照短洞有壓流計算,涵管過流能力計算公式為：

式中：n為涵管數(shù)；μc為管道流量系數(shù)；A為單孔涵管過水斷面面積,m2；?Z為水頭差,m。計算結(jié)果Qd=15 m3/s,可見涵管過流能力小于設(shè)計洪水頻率95%時控制斷面流量45 m3/s,極易發(fā)生漫水。

（2）橋面淹沒時涵管橋過流能力計算

當橋面淹沒時,底孔按短洞有壓流計算,橋面按寬頂堰流計算公式為：

式中：δc為側(cè)收縮系數(shù)；m為自由溢流的流量系數(shù),與堰型、堰高等有關(guān)；b為堰頂寬度,即橋面總長,m；H為包括行近流速水頭的堰前水頭,m；Vo為行近流速水頭,m/s。

涵管橋過流能力Qz=Qm+Qd。不同頻率條件下涵管橋過流能力及控制斷面設(shè)計流量見表4,涵管橋過流能力接近50 年一遇洪水。當涵管橋淹沒時,控制斷面滿足河道過流能力。

表4 不同頻率條件下涵管橋過流能力及控制斷面設(shè)計流量

3.2 不同頻率洪水條件下生產(chǎn)安全分析

（1）不同頻率洪水條件下生產(chǎn)安全

由圖3 涵管橋所處河道橫斷面右岸岸坡高程為149.8 m,左岸進場道路高程為150.8 m。通過洪水分析和壅水計算,2 年一遇洪峰流量為124 m3/s時,水位為150.34 m,已經(jīng)超過河道右岸岸坡高程,5 年一遇洪峰流量為211 m3/s時,水位為151.18 m,超過左岸道路高程,淹沒進場道路,影響生產(chǎn)進度和安全。

（2）影響涵管橋通行天數(shù)分析

涵管橋面高程149.2 m,當涵管橋所處河道斷面水位達149.5 m時,將會影響涵管橋、人員及車輛通行。因此,影響生產(chǎn)安全的臨界水位為149.5 m,臨界流量為45.4 m3/s,推算臨界雨量為55.7 mm。B河道橫斷面測量見圖3。

圖3 B河道橫斷面測量圖

以工程附近一處雨量站為代表站,選取1970 年、1983 年、1991 年、2006 年、2014 年5 年代表年,分析逐日雨量,平均超過臨界雨量15 d,豐水年日降雨量超過臨界雨量的洪水過程歷時約20 d~35 d,可以保證生產(chǎn)天數(shù),建議在洪水過程中暫停施工,進行其它作業(yè)和機械維修,盡量不影響生產(chǎn)的進度與安全。

3.3 綜合影響分析

當洪水頻率超過涵管橋設(shè)計洪水標準,將會影響下游B河橋的堵塞和橋墩安全,因此涵管橋的設(shè)計標準應(yīng)該高于B河橋。

洪水壅高增加上游淹沒面積和淹沒深度,影響沿河房屋農(nóng)田安全,應(yīng)該將低水位處居民住宅搬遷,做好相關(guān)補償工作。

涵管橋建成后斷面阻水面積增加,流速變大,左岸主槽會以沖刷為主,右岸略有淤積,建議采取相關(guān)措施護岸護底。

4 工程影響防治措施

工程建成以后,為防止水流對下游河底及河岸（尤其左岸）局部沖刷,建議在河道兩岸嚴格夯實恢復(fù)原貌,采取護岸護底措施,防止過橋水流對兩岸坡腳處的沖刷誘發(fā)山體滑坡。

由于涵管橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較大,應(yīng)該采取相關(guān)措施及時清除上游漂浮物及清淤,防止漂浮物對水流的影響。礦區(qū)沿河道修建擋砂墻,防止砂土流失淤塞河道。

制定工程施工度汛方案及防洪搶險應(yīng)急預(yù)案,建立完善的管理規(guī)章制度和檔案,規(guī)定規(guī)范施工人員的活動范圍,確保安全；對棄土、棄渣等要有及時的處置措施。

加強天氣預(yù)報及水情測報,密切關(guān)注B河道上游水雨情信息,保障項目生產(chǎn)安全。同時在工程斷面及進出場的路段設(shè)置警示標志牌,當水位達到149.5 m,嚴禁人員和車輛通行。

5 涉河過道方案及探討

涵管橋易被洪水淹沒影響生產(chǎn)天數(shù),由于斷面阻水面積較大,易形成壅水和沖刷,必須做好河床防護措施,為減小洪水通過橋面時的影響,提出皮帶輸送機和漫水橋兩種方案以供參考。

（1）跨河皮帶輸送機

河道兩岸各設(shè)置一處鋼支架,皮帶輸送機跨B河道,將右岸礦區(qū)礦料裝入皮帶輸送機料斗,通過皮帶輸送機將礦料送至左岸,直接裝入運輸車輛。皮帶輸送機底部高程應(yīng)不低于100 年一遇洪水水位、壅高水位與安全超高三者之和。當洪水較大時,利用皮帶傳輸機輸送石料利于生產(chǎn)進度和人員設(shè)備的安全,且不受洪水淹沒限制,可以更好滿足生產(chǎn)時間要求。

（2）漫水橋

漫水橋是建立在河流上的簡易橋梁,水位上漲時可以漫過橋面,但相較涵管橋減小了河道阻水面積,利于河道行洪安全,且成本較低[4]。

6 結(jié)論

本文對涵管橋進行防洪影響評價,通過驗算涵管橋過流能力,分析不同頻率洪水條件下的生產(chǎn)安全及影響通行天數(shù),提出工程影響防治措施。建議項目可行性研究及初步設(shè)計階段應(yīng)綜合考慮洪水對涉河過道的影響及涉河過道對行洪的影響,選擇最優(yōu)方案。皮帶輸送機和漫水橋兩種涉河過道方案防洪影響有待進一步研究。