大三家河治理工程河道断面设计计算与分析

刘 荚

(北票市水利规划勘测设计院，辽宁 北票 122100)

大三家河治理工程河道断面设计计算与分析

刘 荚

(北票市水利规划勘测设计院，辽宁 北票 122100)

大三家河是大凌河的二级支流，凉水河一级支流，位于北票市的西部，发源于大三家镇与哈尔脑乡交界处的山脉上，自西北向东南流经北票市的大三家镇，于台吉镇坤头波罗汇入凉水河干河子。本次治理河段位于大三家镇乃林皋村与庙下村交界处。文章通过对该段河道治理工程的断面进行了设计与计算，最终确定了堤防的堤型，确保堤防符合防洪标准，工程竣工后将会有效地保护两岸人民生命和财产安全，为当地经济社会发展奠定基础保障，也为类似工程建设提供参考和借鉴作用。

河道治理；工程设计；断面设计；水利计算；探析

1 基本概况

大三家河是大凌河的二级支流，凉水河一级支流，位于北票市的西部，发源于大三家镇与哈尔脑乡交界处的山脉上，自西北向东南流经北票市的大三家镇，于台吉镇坤头波罗汇入凉水河干河子。属丘陵的地形地貌[1]。流域面积97km2，区域河长21km，河道比降9.68‰。大三家镇位于北票市西部，距北票市10km，东与台吉镇相接，西与哈尔脑乡相连，南与双塔区桃花吐镇为邻，北与西官营镇接壤。朝北公路与101国道交汇于兴隆沟村，大召线、大西线公路穿乡而过。大三家镇所辖9个村，51个村民组。总人口15729人，全镇总面积0.99 万 hm2，耕地总面积3 436 hm2。本次治理河段位于大三家镇乃林皋村与庙下村交界处，治理河长3.00km，治理河段上游流域面积64.28km2，耕地面积340 hm2，人口1706人。

2 河道断面设计计算与分析

2.1 工程等别和标准

大三家镇位于北票市西部，距北票市10km，东与台吉镇相接，西与哈尔脑乡相连，南与双塔区桃花吐镇为邻，北与西官营镇接壤。朝北公路与101国道交汇于兴隆沟村，大召线、大西线公路穿乡而过。大三家镇所辖9个村，51个村民组。总人口15729人，全镇总面积9 942 hm2，耕地总面积3 436 hm2。依据国家《防洪标准》(GB50201—94)的规定：以乡村为主的防护区，应根据其人口或耕地确定相应的防洪标准。对于防护区耕地面积≤2 万 hm2，人口≤20万人，防护区等级应列为IV级，防洪标准应确定为20-10a(洪水重现期，下同)。据此，确定大三家河大三家镇乃林皋段堤防工程级别为IV级工程，选定防洪标准为10a一遇[2]。

2.2 堤线布置原则

堤线布置遵守以下7个原则：

1)一个河段两岸堤防的间距或一岸高地一岸堤防之间的距离应大致相等，不宜突然放大或缩小。

2)堤线应力求平顺，各堤段用平缓曲线相连，不宜采用折线或急弯。

3)堤线的选择要顺应河势，应使主流平顺，并与大洪水主流方向大致平行。

4)堤线一般应修筑在地质条件较好，且比较稳定的基础上。

5)堤线布置应与已建堤线相协调，充分利用原有堤防。

6)堤线布置时，应尽量多保护土地，少拆迁房屋等建筑物。

7)根据该河段实测平面图根据上叙原则确定河宽35m。

2.3 堤防长度与河道清障

大三家河大三家段乃林皋段堤防治理总长度3.0km，其中左岸2.0km，右岸1.0km。在大三家河大三家镇乃林皋段河道治理工程设计中，需对河道疏浚才能达到设计标准。本次设计需要清理河床断面，形成人工河槽断面增加过洪能力，以降低该段的设计洪水水位。为保证河道行洪的能力，以后需经常观测淤积情况，及时进行河道清理[3]。

2.4 设计水面线计算

1)设计方法。河道恒定非均匀流水面曲线基本方程，即水流能量方程：

(1)

2)糙率分析[4]。根据洪痕等实测资料，糙率选择根据实际河道查勘情况、河道特性及河床质组成资料，参考水力手册和北票市地方资料确定糙率系数n取0.024。

大三家河大三家段乃林皋段堤防治理工程设计洪水水面线计算成果详见表1。

表1 10a一遇设计洪水水面线成果表

2.5 护岸高程的确定

按《堤防工程设计规范》，依下式计算[5]。

Y=R+e+A

(2)

式中：Y为坝顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；按《堤防工程设计规范》附录C计算[6]；e为设计风壅增水高度，m；A为安全加高，m。

设计波浪爬高、设计风壅增水高度以治理段末端作计算断面[7]。

1)风浪要素按下列公式计算：

(3)

2)风壅水面高度：

(4)

式中：e为计算点的风壅水面高度，m；K为综合摩阻系数，可取K=3.6×10-6；V为设计风速，按计算波浪的风速确定；F为由计算点逆风向量到对岸的距离；d为水域的平均水深，m；β为风向与垂直于坝轴线的法线的夹角，°。

3)波浪爬高计算：

当m=1.5-5.0时，按下式计算：

(5)

经计算，Y=R+e+A=0.878m。

根据北票市河道治理经验采用超高0.5m。堤顶高程应按《堤防工程设计规范》(GB50286—98)，工程级别为5级[8]，此工程不允许越浪，堤顶安全超高0.5m，确定堤防高度2.0-2.4m。

2.6 岸坡冲刷深度计算

该河段整治后河道基本平顺，没有连续弯，则护脚冲刷计算只需验算水流平行于岸坡这种情况即可；护脚埋深的计算，采用《堤防工程设计规范》附录D.2中所列公式计算[9]。

根据公式：

hB=hp×[(VCP/V允)n-1]

hB=hp×[(vcp/v允)n-1]

(6)

式中：hB为局部冲刷深度，m从水面算起；hp为冲刷处的水深，m；VCP为平均流速，m/s；V允为河床面上允许不冲流速，m/s(中砂取0.4)；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取1/4。

该河段整治石笼护岸冲刷深度计算结果见表2。

2.7 堤型选择

坝体结构采用石笼形式[10]。石笼形式坝体共三层，地下一层，宽2.0m，高1.2m；中间层，高为1.0m，宽1.6m；顶层为高为1.0m，宽为1.0m。坝后利用疏浚砂料回填夯实。

表2 石笼护岸冲刷深度计算结果表

3 结 语

通过对大三家河治理工程河道断面设计计算与分析，得出了该治理河段的安全超高值为0.878m，同时计算出了不同水位值时的堤顶高程，最终确定了河堤的堤型。通过以上各项计算论证，大三家河河道堤防工程设计是满足防洪要求，合理、稳定、安全的。该次工程设计计算与分析为工程的实施提供了数据依据，也为类似工程建设提供了参考。

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1007-7596(2016)11-0050-03

2016-10-22

刘荚(1981-)，女，辽宁北票人，工程师，研究方向为农田水利。

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