方家河洪水计算及河道治理工程设计

都兴伟

(丹东市防汛抗旱指挥部办公室，辽宁 丹东 118000)

1 工程概况

方家河流经辽宁省凤城市四门子镇并最终汇入草河，河流全长25.29 km，平均比降10.62‰。在2017年4月，相关部门组织专家进行实地调研，得出以下结论：(1)方家河流域尚未进行流域规划，且护岸工程不系统；(2)河道淤积、填河种地问题严重，复核影响泄洪能力；(3)目前河道防洪标准太低，达不到10 a一遇标准。本次项目工程设计治理河道约2700 m，包括新建堤防、河道清障等内容。工程总工期为7个月，总投资为1101.97万元。

2 河流设计洪水计算

为保证方家河设计洪水计算结果的准确性，本项目结合本地区实测水文气象资料和辽宁地区设计洪水计算方法，采用以下两种方法分别计算：

方法一：图表法，本工程下游断面控制集水面积481.2 km2，集水面积在300～1000 km2范围内河流采用1998年版《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》[1]。

方法二：降雨修正图表法，以点暴雨代替面暴雨，采用草河上陈家堡子站多年降雨资料计算相应频率设计暴雨，推求设计洪水。

2.1 图表法

本次工程水文分区为Ⅲ1区，汇流时间τ计算见式(1)[2]：

(1)

式中：L为流域最大汇流长度，m；J为河道平均比降；x、y为水力特征经验指数，查资料得x=0.96，y=0.73。经计算得τ=4.28 h。方家河基本资料经查证详见表1所示。

表1 基本资料查算表

方家河流域面积101.22 km2，设计面雨量PP计算见式(2)[3]：

Pp=P0·KP·KF

(2)

式中：P0为暴雨均值，mm；KP为皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数，取值1.83～1.87；KF为点面折减系数，取值0.935。计算结果见表2所示(其中：Cs=3.5Cv)。

表2 不同频率设计面雨量计算表 mm

洪峰流量QP的数值对河道通洪能力的参数确定有着决定作用，本项目采用经验式(3)计算：

QP=0.278φP·iP·F

(3)

式中：φP为径流系数，取值0.35；F为龙潭沟控制面以上集水面积，481.2 km2；iP为计算时间内的最大降雨量，mm/h。

数据成果见表3和图1所示，经计算得出QP最大值为630 m3/s，为防洪安全起见，该值作为图表法的最终结果[4]。

表3 不同频率Pτp面、ip、Qp计算结果表

图1 方家河不同频率洪峰流量变化曲线

2.2 降雨修正图表法

草河干流上建有陈家堡子雨量站，现有1967—2019年共53年的降雨资料。通过统计该站年最大P72、P24、P6、P1暴雨资料，并进行排频计算，得出相关参数取值见表4所示(其中，Cs=3.5Cv)。

表4 陈家堡子站降雨资料参数取值 mm

历时时间t的设计面雨量Ptp计算见式(4)，据此可以估算出方家河流域任意时间的暴雨流量见式(5):

Ptp=P24p·24n2p-1·t1-n2p

(4)

(5)

式中：P24p为历时24 h设计暴雨值，mm;n2p为暴雨折减系数，取值0.76～0.79；t为历时时间，h；Qp为暴雨流量，m3/s;φ为径流系数，取值0.35；F为计算点上游降水面积，m2。据此可以估算出方家河流域任意时间的暴雨值，计算结果见表5和图2所示(部分)。

表5 降雨修正图表法设计洪水参数成果表 m3/s

图2 陈家堡子站最大24 h降雨量频率曲线图

根据结果可知：利用降雨修正图表法计算的最大洪峰流量为556.53 m3/s，结果相对于图表法偏小。为防洪安全起见，本项目最终将图表法计算结果630 m3/s作为方家河最终行洪能力的核定标准[5]。

3 河道治理工程设计分析

3.1 堤线布置设计

河道行洪能力Q计算决定了堤线轮廓，但由于河道曲直、宽度、粗糙度等均不一致，因此为便于计算，在此使用水力学中恒定非均匀渐变流的能力方程来计算方家河行洪能力见式(6)[6]所示：

(6)

式中：Z上、Z下为河道上、下游两断面水位高程，m；a为动能改正系数，取值1.15～1.5；ζ为水头局部损失系数，取值0.1；V上、V下为河道上、下游两断面流速，m/s； ΔS为河道上、下游两断面间距，m；k上、k下为河道上、下游两断面流量模数。经计算，目前方家河最大行洪能力约为580 m3/s，达不到设计标准。

为满足行洪要求，且避免占用耕地及居民区，降低工程投资，设计时遵循“不改变原堤线”原则，个别处采用裁弯取直、河道疏浚及拓宽处理，并且在设计时上游堤顶高程提高0.53 m，下游堤顶高程提高0.84 m，以上设计均通过建造防洪墙的方法实现。

3.2 河堤护岸结构设计

本项目河堤护岸工程设计采用“固滨笼护脚+护坡”，其中左岸长2738 m，右岸长1322 m；堤顶为100 mm风化砂路面，宽3.0 m；迎、背水侧坡比均为1∶2.0，结构见图3所示。

图3 河道护岸工程基本结构示意图

3.2.1 护坡方案比选分析

根据实地考察，结合岸坡地形及地质状况，方家河采用绿滨垫或混凝土护坡均可，这两种护坡形式的优缺点对比见表6所示。

表6 绿滨垫和混凝土护坡对比分析

通过分析：绿滨垫方案虽然比混凝土方案造价多2.5元/m2，但能够大幅度改善方家河河道生态环境，这对提高附近居民保护河道的意识起到重要作用，大大减少管理压力，而且该方案也符合当前主流，因此本项目最终确定采用绿滨垫护坡方案，具体技术标准如下：

(1)绿滨垫护坡网格尺寸1.0 m×1.0 m×0.3 m(长×宽×高)，钢丝采用高尔凡合金(锌-5%铝-混合稀土合金钢丝)处理。网孔尺寸：80 mm×100 mm；

(2)绿滨垫钢丝抗拉强度350～550 N/mm2，延伸率不低于12%，其中绿滨垫钢丝直径2.2 mm，边丝直径2.7 mm，扎丝直径2.2 mm；

(3)末端与边端钢丝联接处是结构薄弱环节，采用专业的翻边机将网面钢丝缠绕在边端钢丝不少于2.5圈，不能采用手工绞；

(4)绞边钢丝与网面钢丝材质一致，为保证联接强度，需严格按照间隔10～15 cm单圈～双圈交替绞合。特殊部位绑扎圈数不少于3圈，间距不大于20 cm；

(5)绿滨垫及固滨笼所需块石粒径100～300 mm，孔隙率不超过30%。石材强度均不小于MU30，遇水不易崩解和水解，抗风化。砾石垫层要求级配良好，最大粒径不大于60 mm，最小粒径不小于20 mm[7]。

3.2.2 护岸结构设计

固滨笼护脚必须要大于最大冲刷深度hs，计算见式(7):

(7)

式中：h0为冲刷处水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为河床面上允许不冲流速，m/s；n为相关系数，取值0.2。

经计算最终求得治理河段最大冲刷深度为1.19 m。本项目依据冻层深度及冲刷深度要求，护脚设计深度为1.20 m。固滨笼尺寸：宽1.00 m，高1.20 m。

4 结 语

方家河河道通过本次治理后，彻底解决了夏季洪水偶尔漫过河堤问题，通洪顺畅，有效保护了居民建筑及耕地。而且河道生态环境仅用1年时间就发生了根本性变化，不再有侵占河道、垃圾倾倒等问题，河道生态公园也在规划当中。方家河在治理过程中由于缺乏必要的参考资料，因此很多参数由理论计算得出，这可能会出现一定的设计不合理问题，因此在这些工程设计时应做好准备，出现问题时则有一个有效的补救措施。