阳泉市省道214阳泉过境公路李家庄河防洪评价研究

冯 伟，沈金娟，李晓雷，雷 雨，陈 超，苏小娟

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

1 概述

阳泉市位于山西省中部东侧、太行山西麓的山间盆地，为石太铁路的中枢站，是山西省以煤炭工业为主的重工业基地之一，也是晋东的经济文化中心。

李家庄河为桃河的一级支流，发源于刘备山，全长755 m。流域面积22.2 km2，河流途经李家庄外围。多年来，由于人类活动影响因素的日益频繁，河道淤积及其严重，河流李家庄外围几乎被道路、桥梁及酒店覆盖。为了缓解交通拥挤，美化环境，改善气候。在以往道路扩建其间，李家庄河实际已经被覆盖，通过埋在地下的3×3双拱涵洞过水，河道基本消失。现阳泉市规划设计院于2010年8月完成了省道214阳泉过境公路改建工程的设计报告，见图1。该公路改造工程覆盖段的涵洞，起点向西接至新规划4×4涵洞，穿越过省道214阳泉市过境公路，出口接新建李家庄桥下涵洞。以上工程项目的建设，主要工程建设范围位于李家庄河流域，实质为李家庄河的覆盖工程，根据《中华人民共和国防洪法》、原国家计委及水利部《河道范围内建设项目管理的有关规定》（水政[1992]7号），对河道管理范围内的项目，应进行防洪评价。受阳泉市郊区交通运输局的委托，本研究就以上项目建设有关的李家庄河进行防洪影响评价研究。

图1 李家庄近期规划

2 技术路线及工作内容

本次防洪影响评价的技术路线为：以阳泉市郊区交通运输局提供的阳泉市规划设计院（2010年8月）完成的省道214阳泉过境公路改建工程的设计报告为基础，以治理河段为研究对象，对规划方案提出的治理方案工程措施等进行分析评价，并作出补充规划。主要计算出20年和50年一遇的设计洪水；对双拱涵洞排洪能力进行水力计算，主要是分析设计水深的影响；对规划方案及治理工程措施进行防洪评价；提出对治理河段的其他建议[2]。

2.1 防洪评价计算

水文分析计算主要内容，在本次研究中，只需计算设计洪峰流量，以便对涵洞的过流能力进行评价。本研究分别采用3种计算方法进行，对计算结果进行合理性分析，最后选定合理的洪峰流量值。

2.1.1 淤地坝公式

根据山西省《淤地坝工程技术规范》（晋Q834—85），骨干坝、中小型淤地坝设计水文泥沙分析计算采用24 h降雨量。

（1）不同频率24 h暴雨量计算：不同频率24 h暴雨量采用下式计算：H24，P=KP×

式中：H24，P：频率为 P 的 24 h 暴雨量，mm；

KP：频率为pⅢ型曲线模比系数；

（2）设计洪峰流量。设计洪峰流量采用下式计算：Qp=C1H24，pF2/3

式中：Qp：设计频率暴雨产生的洪峰流量，m3/s；

C1：洪峰地理参数，取 C1=0.19；

H24，p：频率为 P 的 24 h 暴雨量；

F：控制流域面积，km2。

根据以上计算可以得出不同频率条件下流域设计洪峰流量。其计算成果见表1。

表1 不同频率计算成果表

2.1.2 水文比拟法

由于李家庄河是桃河的一级支流，距桃河水文站较近，下垫面条件相近，于是选用了桃河阳泉水文站作为参证站，阳泉水文站控制流域面积503 km2，收集到1955—2006年，52年的实测洪峰流量资料,山西省水文站对桃河的调查洪水做了大量工作，调查结果可靠，本次研究采用有关设计报告中的调查洪水资料。阳泉站有14次调查洪水，最早为1896年，调查期为100年。本次设计中选取了8年洪峰大、成果较可靠的调查洪水。

频率曲线的线型采用皮尔逊Ⅲ型，统计参数采用矩法估计和DPS数据处理工作平台两种方法估算，借助DPS数据处理工作平台，最后调整Cv和Cs参数，选择一条最优的拟合曲线。最后采用统计参数均值Q=530 m3/s，变差系数Cv=1.3。偏态系数Cs=2.25，Cs/Cv=1.78。桃河阳泉水文站洪峰流量频率计算成果见表2。

表2 桃河阳泉水文站洪峰流量频率计算成果表

本次防洪评价研究对象为李家庄河，附近没有水文站。该断面的洪峰流量采用山西省水利厅于2010年12月修订的《山西省水文计算手册》水文比拟法来估算。计算洪水公式如下：

Qp，设=KSKAQP

式中：Qp,设：设计流域的设计洪峰流量，m3/s；

Qp，参：参证流域的设计洪峰流量，m3/s；

KA：面积比拟系数；

KS：雨力比拟系数；

根据以上计算结合参证站实测资料，可以得出不同频率条件下雨力比拟系数及设计洪峰流量，见表3。

表3 不同频率所对应的雨力比拟系数ks值表及洪峰流量表

2.2 设计洪峰流量合理性分析

采用上述3种计算方法所得的洪峰流量成果见表5。

表5 设计断面不同频率洪峰流量汇总表

计算结果合理性分析：

由于阳泉水文站控制流域面积（503 km2）远大于设计流域断面即李家庄河控制流域面积，所做出的计算结果相比经验公式和淤地坝公式法相差较大，以至于水文比拟法所计算的结果只作为参考；淤地坝方法是理论比较成熟的方法，有一套比较完整的运算系统，是水土保持骨干工程设计洪水计算中普遍采用的一种方法。再加上用此方法计算出的成果较其他方法大，对工程比较安全。综上，采用淤地坝公式的计算结果，见表6。

3 拱涵洞概况及过流能力

该公路改造工程覆盖段的涵洞的拱涵洞采用钢筋混凝土箱涵式。经过现场勘查，开始段向西于新规划箱涵的衔接处断面为浆砌石拱标准涵段，中间段为两段钢砼段渐变段和其间一段钢砼段，出口段是石拱段。进口拱涵段设计：过水底宽4m，直墙高2.0m，拱顶弧形内半径为2.0 m，外半径为2.6 m。根据《防洪标准》GB50201—94，李家庄河为50年一遇的防洪标准。

3.1 双拱涵洞过水能力计算

按最不利过水形式排放，设计洪水频率为2%需要排放的最大过水流量为86.62 m3/s,频率为1%洪水洪峰流量最大值为98.85 m3/s。糙率n按混凝土抹面糙率值取0.015，排水涵洞的出口形式为开放式，所以采取明渠均匀流公式进行计算：

式中：Q：设计流量，m3/s；

A：过水断面面积，m2；

C：谢才系数；

R：水力半径，m；

排水涵洞是否能够顺利通过不同频率的设计洪水，特别是当发生50年一遇的洪水时，双拱涵洞能否顺利排洪，即求出过水水深，看是否存满整个涵洞。

显然，在上式中Q，b，n，i为已知，仅h为未知。但上式系为一高次方程，采用迭代法，选用VB计算机语言完成水深的计算。

当（Abs（hi+1-hi）>0.000 000 01）满足给定精度时，则hi+1即为所求的均匀流水深。进口拱涵段拱涵洞过水能力计算结果见表7。

表7 进口拱涵段过水能力计算结果成果表

通过以上计算结果可知，李家庄河在遭遇频率为50年一遇的洪水时，汇流到排水涵洞的最大洪峰流量为86.62 m3/s，这时单涵洞的过水深度为2.01 m，过水面积为8.04 m2。双拱涵洞的平均水深1.05 m，洪水可以顺利通过。

3.2 治理方案及行洪能力

对现状工程行洪能力进行复核计算，设计涵洞过水能力计算结果见表8。

表8 设计涵洞过水能力计算成果结果

当整个拱涵洞过水时，按照管道出流进行水力计算，单拱过水流量Q为152.3 m3/s，双拱过水量Q为304.6 m3/s。无论是170.56 m3/s还是304.6 m3/s，其流量都远大于设计最不利淤地坝公式算出的200年一遇的洪峰流量110.37 m3/s，所以该涵洞能顺利通过50年一遇的洪水。

4 结论与建议

（1）根据《防洪标准》，本次评价选用重现期为50年一遇的洪水作为分析的基础，并对李家庄河段频率为0.5%、1%、2%、5%、10%的最大洪峰流量做了推理和计算。经计算，李家庄河段流域50年一遇洪水最大洪峰流量为86.62 m3/s。

（2）该工程涵洞改建结构设计为过水底宽4.0 m，直墙高2.0 m，拱顶弧形半径为2.0 m，拱顶中心角为180度，出水形式为开放式。经水力计算得出，在发生50年一遇的洪水时，双拱涵洞平均过水深为1.05 m，故该排水涵洞可以满足排洪的要求。

（3）双拱涵洞排水设施，是汛期泄洪的唯一通道，无论是在省道214阳泉过境公路改建工程建设期间还是在后续的使用过程中，汛期必须保持排水系统的畅通。在汛期到来之前要对整条河段的排水设施进行全面检查，发现问题应及时做出补救措施。尤其是李家庄上游的排洪涵洞，要及时进行清淤清砂，保持涵洞渠道的通畅。

（4）该排水（4×4 m）双拱涵洞需要与上游原有的半圆拱形排水涵洞（3×3 m）相连接，而上游涵洞为浆砌石涵洞，经过多年的运行，其稳定性已经大不如前，故为了保持整个排水系统的稳定性和安全性，本次改扩工程要求如下：①原有排洪涵洞的保留部分全部做钢筋混凝土内衬防护。②在两涵洞衔接部分由于过水断面的不同，洪水的流速和水流状态也有很大的差异，使得对涵洞的冲刷和汽蚀加大。为了解决这一问题，建议在施工中，对可能引起水流形态发生骤变的地方适当对涵洞壁进行加厚。