沙沟河防洪工程设计洪水计算

张中印

（南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局，河南 南阳 473000）

1 沙沟河基本情况

沙沟河为黄河流域伊河一级支流，发源于纸房镇台上村，水流自东南向西北，流经七泉村、上川村和龙头村、汪庄村、高村等，在纸房镇高村汇入伊河，河道总长度为15.77 km，流域面积为31.58 km2，干流比降0.03。

沙沟河历史上水旱灾害频繁，新中国成立以来，水灾多以洪涝形式出现。2010 年7 月，沙沟河遭遇大洪水，淹没耕地超13.33 hm2。现状沟道内垃圾、砂卵石堆放混乱，侵占河滩，阻水严重；河底高坎低坑凹凸不平，纵坡较陡，沟道流速加大，岸坡冲刷严重；局部岸坡高程不满足防洪标准要求，若遇洪水，将导致村庄和大片田地被淹沙。沟河下游为洛栾高速，沟道沿岸有民宅、企业等，一旦洪水泛滥，将造成难以估量的重大损失。

河南省嵩县沙沟河山洪沟治理工程范围为纸房镇龙头村至汪庄桥（桩号0+000～4+955），治理长度4.96 km。其中上游0+000～3+600段（龙头村至菠菜沟口）范围内有龙头村及部分耕地，保护人口0.16万人、耕地超13.33 hm2。《防洪标准》规定防护区耕地面积≤2 万hm2，防护区人口≤20 万人，防洪标准为10—20年一遇。考虑到该段保护人口、耕地相对较少等因素，确定该段防洪标准取下限，即10年一遇。

2 沙沟河气象与地质

2.1 水文气象

流域内年平均降雨量731 mm，且年际变化大，季节分配不均，年最高气温39.30 ℃，最低气温-11.30 ℃，多年平均气温14 ℃左右，多年平均光照2 296 h，无霜期平均209 d，年水面蒸发量平均1 597.50 mm，风速平均1.60 m/s，每年伏天常降局部性冰雹，酿成不同程度的灾害。

沙沟河流域内暴雨具有集中、量大、面广、历时短的特点。暴雨一般出现在5-10 月，7-8 月占总数的60%～80%，较大暴雨多出现在7 月中旬至8 月上旬。此流域相邻站实测暴雨资料，实测最大10 min 降水25.50 mm（1993 年东湾站），最大1 h降水100.50 mm（1982 年陆浑站），最大6 h 降水量105.10 mm（1962年东湾站），最大24 h降水175.10 mm（1982年竹园沟）。

2.2 工程地质

河道表层分布的第①层人工坡积碎石土、第③层含砾中粉质壤土和第④层卵石组成，治理段由南流向北，现状河道宽50～100 m。堤基土上部主要由第②层含砾中粉质壤土、第③层卵石组成，卵石层承载力较高，可作堤基基础持力层使用。

3 沙沟河的河道现状及存在问题

3.1 沙沟河的河道现状

河道两岸阶地发育不对称，高低不一，部分岩石裸露。存在主要问题是：因附近居民的生产、生活（堆积人工填土、倒置垃圾等）侵占河道，河床凹凸不平，阻水严重，影响河道泄洪，建议对河床进行整治疏浚。恢复河道自然过流能力，使其汛期行洪顺畅。

但卵石层具强透水性，存在管涌型渗透变形的可能，抗冲刷能力较差，应做好防渗措施，为防止洪水冲蚀坡脚，设计时宜作适当深度的齿墙。加以防护，应采取防渗措施，地下水位埋深较浅，应考虑地下水对开挖工程的影响，做好防排水工作。

3.2 沙沟河存在问题

沙沟河自新中国成立以来，在长达半个世纪的运行中，未曾进行过任何系统的治理，此次治理经现场调查，发现以下问题：①侵占沟道。本沟道内垃圾、弃渣、废弃砂石料侵占沟道，影响行洪。②此河段平均纵坡在1/60左右，流速较大，对河底、岸坡坡脚冲刷严重，局部坡脚下土层已被掏空。③局部岸坡标准较低。沟道两岸为村庄、农田及企业，较大洪水将造成村庄、大片农田及企业被淹。

4 沙沟河防洪工程建设必要性

沙沟河历史上水旱灾害频繁，一直以来，水灾多以洪涝形式出现。2010年7月，沙沟河遭遇大洪水，淹没耕地200多亩，左岸企业厂区被淹。现状河道内分布有建筑、生活垃圾，滩地布满农田；河底高坎低坑凹凸不平，纵坡较陡，河道流速加大，岸坡冲刷严重；局部岸坡高程不满足10 年一遇洪水，若遇洪水，将导致大片农田及房屋被淹；建筑物阻水造成局部流速增大，加大对河道的冲刷。沙沟河两岸分布有3个行政村，0.70万人，耕地0.01万hm2，5家企业，洛栾高速及玉皇山森林公园位于下游，地理位置重要，一旦洪水泛滥，将造成难以估量的重大损失。

防洪工程的建设应与地区经济发展相协调，沙沟河临近县城，而沙沟河的防洪建设相对滞后，随着嵩县地区经济的快速发展，迫切需要通过完善防洪体系，来提高该地区的防洪能力，使之与经济的发展水平相适应。

1)充分暖机，保证各部加热均匀。用常规启动方式适当延长暖机时间达不到暖机效果，背压宜在20 kPa以上，以增大进汽量。启动时，发生了提升转速及负荷稍快、凝汽器真空控制过高暖机流量不足等原因引起的打闸。

为了保护沙沟河两岸居民生命财产安全、促进嵩县县域经济的发展，对沙沟河进行治理十分必要。

5 沙沟河设计洪水计算

5.1 防洪标准

沙沟河沟道治理工程是以保护村庄、农田为主的沟道治理工程，项目区涉及人口0.60 万人，耕地80 hm2，根据国标《防洪标准》《总体规划》《全国重点地区中小河流近期治理建设规划》中的防护对象等级和防洪标准，防护区耕地面积≤2万hm2，防护区人口≤20万人，防洪标准为10—20年一遇。

5.2 设计洪水计算方法

由于该流域无实测洪水资料，且治理工程处控制流域面积较小，根据《水利水电工程设计洪水计算规范》规定：小流域采用推理公式法用暴雨资料推算洪水。根据豫水办的有关规定，洪水计算应分别按河南省水利设计院1984 年10 月编印的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（以下简称“84 图集”）和2005 年12 月河南省水文局编制的《河南省暴雨参数图集》（以下简称“05图集”）查暴雨参数，用“84图集”相配套的洪水计算公式及查算图表推求洪水。

5.3 设计洪水计算

5.3.1 流域特征值

经查“84图集”，此流域属于河南省水文分区第Ⅳ区。流域特征值见表1。

表1 流域特征值表

5.3.2 设计暴雨计算

表2 设计暴雨量计算成果表（84图集）

表3 设计暴雨量计算成果表（05图集）

5.3.3 设计暴雨递减指数

按“84 图集”中的公式，计算三种时段设计暴雨递减指数n1、n2、n3。

暴雨递减指数计算公式为：

式中：n1p、n2p、n3p─为三种时段设计暴雨递减指数；H10p、H1P、H6P、H24P─分别为同一设计频率年最大10 min，1、6、24 h点雨量；α─为暴雨点面折减系数。

暴雨递减指数n，当洪峰汇流时间τ＜1 h采用n1；当τ=1-6 h时，采用n2；当τ=6-24 h 时，采用n3。暴雨递减指数n 计算成果表4、表5。

表4 暴雨递减指数成果表（84图集）

表5 暴雨递减指数成果表（05图集）

5.3.4 设计洪水计算

洪峰流量采用“84图集”中推理公式法计算。

将各数值代入公式经试算，设计洪峰流量计算成果如表6、表7。

表6 设计洪峰流量计算成果表（84图集）

表7 设计洪峰流量计算成果表（05图集）

5.3.5 设计洪峰流量计算成果分析

采用不同图集查算的设计洪峰流量成果见表8。

表8 不同图集计算设计洪峰流量成果表

将两种图集计算的结果进行比较，可以看出：按“05图集”计算的设计洪水流量因1 h降雨量均值（相差1.50 mm）偏小，造成设计洪峰流量比“84 图集”计算成果偏小，相差0.03%～3.00%。为工程安全考虑，此次设计洪水计算采用“84图集”计算成果。桩号1+989断面以上区间20年一遇洪峰流量为268 m3/s，桩号3+340断面以上区间20年一遇洪峰流量为303 m3/s。桩号1+989断面以上区间10年一遇洪峰流量为204 m3/s，桩号3+340断面以上区间10年一遇洪峰流量为229 m3/s。

5.4 治理段设计洪水计算

根据《嵩县台上水库除险加固工程初步设计报告》，台上水库10 年一遇洪水出库流量为47 m3/s，20 年一遇洪水出库流量为71.30 m3/s。将水库至治理段区间流域的10 年一遇和20 年一遇设计洪水分别与台上水库10年一遇和20年一遇下泄洪水流量进行叠加，作为沙沟河本次治理段设计洪水。

经计算，此次治理段桩号3+600断面20年一遇洪峰流量为339 m3/s，桩号4+955断面20年一遇洪峰流量为374 m3/s。桩号3+600 断面10 年一遇洪峰流量为251 m3/s，桩号4+955 断面10年一遇洪峰流量为276 m3/s。

5.5 支沟洪水计算

此次沙沟河治理段内左岸有一条支沟菠菜沟。支沟洪水计算采用面积比拟法公式Q支=（F支/F）nQ，根据沙沟河治理段洪峰流量推求支沟洪峰流量。结合此流域实际情况，面积比指数n值应在0.50～0.70，本次计算n值取0.70。支沟设计洪峰流量计算成果见表9。

表9 支沟设计洪峰流量计算成果表

5.6 施工期洪水

根据《水利水电工程等级划分标准》及《水利水电工程施工组织设计规范》，本次工程永久及临时建筑物均为5级，施工导流标准采用非汛期10月至次年5月5年一遇洪水。

沙沟河流域范围内无实测流量资料，沙沟河下游凤阳河同为伊河支流，2014 年10 月洛阳水利勘测设计有限责任公司编制完成了《河南省嵩县凤阳河沟道治理工程初步设计报告》。因此，此次采用面积倍比法根据凤阳河施工期洪水成果计算沙沟河施工期洪水。凤阳河控制流域面积75.80 km2，施工期5年一遇洪水为4.80 m3/s。经计算沙沟河施工期5 年一遇洪水为2.60 m3/s。

5.7 设计洪水

河南省嵩县沙沟河沟道治理工程范围为纸房镇龙头村至汪庄桥（桩号0+000～4+955），治理段各段防护对象的重要性不同，防洪标准应根据各段防护对象的重要性来确定。菠菜沟口至沙沟河入伊河河口段沿岸居民较多，地理位置重要。综上所述，此次沟道治理工程防洪标准采用：龙头村至菠菜沟口段防洪标准为10 年一遇，菠菜沟口至汪庄桥段防洪标准为20 年一遇。

经过计算，桩号3+600（菠菜沟口）断面以上10年一遇洪峰流量为251 m3/s，桩号4+955（汪庄桥）断面以上20 年一遇洪峰流量为374 m3/s。

6 总结

积极做好防洪工程，不仅可有效减少灾害损失，而且可保障河流协调发展。此次设计河线规划在保证沟道泄洪顺畅的前提下，维持现有河型、河势为主，以保持沟道自然形态、沟道功能。

为保证设计洪水成果的准确性，洪水计算利用多种方法计算。根据沙沟河洪水计算分析，再结合沙沟河沟道的实际情况制定出防洪工程方案：对不满足防洪标准且有保护对象的治理段可适当新建或加固堤防；对于沟道纵坡陡、弯道卡口段多、冲刷严重等特点对沟道岸坡进行护砌。防洪工程的实施能有效地减少洪涝灾害，促进经济、社会和生态环境的协调发展。