广灵县曹川村护地坝防洪分析

2017-11-24景虎

山西水利 2017年10期

关键词：行洪汇流项目区

景虎

（大同市水文水资源勘测分局，山西大同 037006）

广灵县曹川村护地坝防洪分析

景虎

（大同市水文水资源勘测分局，山西大同 037006）

对曹川村护地坝项目区采用瞬时单位线法、推理公式法、经验公式法，进行了设计洪峰流量计算，经综合比较分析，采用瞬时单位线法计算成果，20年一遇洪峰流量为34.3 m3/s。同时进行了行洪断面水力分析和成果的综合性分析检查，成果符合流域产流汇流特征及规律。并对项目区不同方案行洪断面水力进行计算，便于设计单位根据具体情况进行方案比选，实施不同的设计方案。

护地坝；防洪计算；行洪断面水力分析；广灵县

1 流域概况

1.1 地理位置

曹川村护地坝项目区位于广灵县蕉山乡曹川村东石牛沟峪口下游沟谷内，面积0.8 km2。项目区上游石牛沟发源于河北省阳眷镇丰富村，流域面积为2.9 km2，其中，流域中上游为黄土塬区，面积为1.9 km2，中下游为石灰岩土石山区，面积为1.0 km2。

1.2 地形地貌

项目区流域北靠六棱山支脉，总体地势北高南低，中上游黄土塬区，地形坡度比较平缓，特别是中游地带，持有大片平缓倾斜的黄土平台，沟谷不太发育；下游石灰岩土石山区，地形坡度较陡，最高峰1 320 m，最低标高1 094 m，石牛沟走向SN，坡降7.8‰。

项目区为剥蚀堆积黄土地貌，地形图反映，项目区四周均有石灰岩隆起，中间低凹，形成了以曹川、刘家窑、马山村为中心的奥陶系石灰岩凹地，凹地中沉积了巨厚的黄土，形成了半封闭的黄土盆地，受古地貌起伏的影响，沟谷切削和水流浸蚀，呈起伏的黄土丘陵地貌，形态以黄土梁峁为主。黄土沟谷多为冲沟或切沟，沟壁陡峻，沟深约20～30 m，断面狭窄，沟底沉积有流水浸蚀堆积物。

1.3 水文气象

石牛沟为壶流河支流，属海河流域永定河水系，为季节性河流，无泉水出露，平时干枯无水，雨季有暴雨洪水宣泄。

区域气候特征为黄土高原半干旱大陆性季风气候，降雨极不均匀。地处县城北部山区，地势高，气温较县城偏低，无霜期100 d左右。

1.4 土壤植被

区域土壤分布主要有石灰岩、钙质石质土，石灰岩钙质粗骨土，和黄土栗钙土性土3类。受降水量小，蒸发强烈，气候干燥，温差较大等气候特征影响，土壤形成过程物理风化强烈，化学风化较弱，加之风沙影响，土壤质地粗糙，以砂壤、轻壤为主，结构差，颜色浅，肥力低。该土壤季节淋溶作用较强，钙化过程十分活跃，易在土壤中下部累积，形成钙积层，厚度10～50 cm，普遍偏碱性，是本区分布较广的主要耕种土壤。

2 防洪分析

2.1 防洪标准确定

根据项目区工程实际情况，按照《防洪标准》（GB 20210-2014）中关于乡村的防洪标准，确定本规划项目区防洪标准为20年一遇（P=5%）。

2.2 设计洪水计算

设计洪水计算，包括洪峰流量、洪水总量、洪水过程线各要素的计算。根据本项目工程防洪特点，只进行设计洪峰流量计算。

本流域无水文站，采用无资料地区设计洪水计算方法。具体按《山西省水文计算手册》（以下简称《手册》）中的瞬时单位线法、推理公式法、经验公式法多种方法计算，经综合分析和比较验证，合理选取计算成果。

2.2.1 流域参数

流域特征参数由1/10 000地形图量算，流域面积为2.9 km2，其中灰岩土石山区面积1.0 km2，黄土塬区面积1.9 km2，流域主河道长3.93 km、流域平均坡度43.8‰。

2.2.2 设计暴雨

本流域位于水文分区的北区，查《手册》附图15至附图24，可得该定点的点暴雨均值及Cv值。

根据不同历时定点暴雨参数，按照P=5%的频率，查出不同暴雨历时的经验参数C、N值，查《手册》附录可得相应频率之Kp值，然后计算流域的设计点暴雨，根据点面折减系数，计算出流域面暴雨。

2.2.3 设计洪水

流域产流计算。流域产流计算包括设计洪水净雨深和净雨过程计算两部分。前者采用双曲正切模型计算，后者按主雨日、非主雨日分别采用变损失率推理扣损法和定损失率推理扣损法计算。经计算得出的设计净雨深见表1。

表1 广灵县曹川石牛沟流域5%频率雨深计算结果表单位： mm

流域汇流计算。流域汇流计算任务是根据设计暴雨计算出的净雨过程，用某种演算方法或模型，将其转换成流域出口断面的设计洪水过程线。本次流域汇流计算利用瞬时单位线法、推理公式法、经验公式法3种方法进行计算，根据对比确定计算成果。计算结果成果见表2。

表2 广灵县曹川石牛沟流域洪水计算成果表

可看出，3种方法计算结果相近，由于瞬时单位线法计算过程控制参数较多，计算结果更为精准，拟采用瞬时单位线法计算成果，20年一遇洪峰流量为34.3 m3/s。

2.3 成果合理性分析

设计断面洪水，是流域降水与水文下垫面产流、汇流机制综合作用的结果。本流域为干旱半干旱地区，暴雨历时短、强度大，产流特征为超渗产流；虽然不同的地表岩性对产流也有一定的影响，但较之暴雨的影响，其影响作用往往不够明显。汇流机制看，汇流过程的影响因素与流域面积、地形、地貌、土壤、植被等多种因素有关；诸多因素中，面积是影响汇流的主导因素。

本次分析利用广灵县已经计算的曹川石牛沟流域、土巷口龙王沟流域、土巷口窨子沟流域、国家眷圣眷峪流域洪水计算成果，点绘P=5%洪峰模数与流域面积关系线图。这几个流域面积在0.3～7.1 km2之间，流域分别属于石灰岩土石山区、变质岩土石山区，水文下垫面略有差异，因属于同一个气候区，暴雨的差异较小。可以看出，洪峰模数与流域面积呈反比关系，即洪峰模数随着面积的增大而减少。

这与上述流域汇流特点基本一致，反映了流域面积对洪水形成的调蓄作用。关系线相关系数也较高，达0.876。计算时采用了多种方法比较验证，经综合分析选取计算值。

2.4 项目区行洪断面水力计算

行洪断面水力计算，应满足通过设计洪峰流量、符合允许不冲流速及与土地整理要求相匹配等约束条件，得出行洪断面的宽度与高度；并根据项目建设单位要求，方便项目设计单位选择，计算时需提出多个行洪断面方案。

基于打护地坝后，河道流态为明渠均匀流，拟选择曼宁公式计算。由曼宁公式推算出有自变量河宽及相应水深的流量计算公式，其中行洪断面形状暂按矩形设定，未考虑护地坝边坡系数。其计算公式为：

式中：Q——设计洪峰流量（P=5%）

n——糙率，取值0.030；

I——项目区河道比降，取77‰；

H——行洪断面水深；

M——行洪断面河宽，取值范围5～10 m。

上式中H不包括安全超高，在确定护地坝高度时，应由水深加安全超高。计算结果见表3。

计算结果应符合允许不冲流速的规定。关于河床允许不冲流速，目前尚无相关规范。由《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-99）防渗衬砌渠道允许不冲流速确定本项目区允许不冲流速为3.0～4.0 m/s；由表3可以看出，按照自然比降计算出的流速均超过了允许不冲流速，为了将行洪断面流速限定在允许不冲流速范围之内，可采用改变河道比降的办法解决，即通过工程措施，将自然比降改变为设计比降。

现按改变河道设计比降办法，进行项目区不同方案行洪断面计算。经试算，设计比降为0.035～0.038设定，行洪断面河宽为6～10 m时，不冲流速可控制在允许范围之内，因此本设计方案拟定设计比降为0.035～0.038，行洪断面河宽为6～10 m，具体方案由设计单位根据具体情况进行比选设定。