戛洒江山区天然河段水面线防洪计算中的应用

◎高贵兴 吴玉婷 云南润亚工程技术咨询有限公司

新平县大开门至戛洒高速公路是玉溪至临沧至孟定口岸高速公路中的一段，位于玉溪市新平县境内。是云南省骨架路网的横向重要组成部分，项目建设不仅可加快玉溪市公路的高等级化，还能提升玉溪市整体路网水平和通行能力。形成连接滇东、西部、滇南通往省外和国外的重要通道，对带动沿线社会经济发展等具有重要意义。

1.工程概况

如图1所示，工程项目起点位于玉溪市新平县大开门村附近，通过设置大开门枢纽立交与昆磨高速相连。戛洒江特大桥为大开门至戛洒高速公路横跨戛洒江所设，所处位置隶属新平县阿西莫村所辖，主要目的是连通大开门至戛洒高速公路。戛洒江特大桥施工便桥位于戛洒江特大桥下游约70m处，横跨戛洒江，所处位置隶属新平县阿西莫村所辖，主要目的是服务戛洒江特大桥施工使用，戛洒江特大桥施工完毕后拆除。

图1 大开门～新平（戛洒）高速路网规划位置图

2.水文分析计算

2.1 洪水计算内容及方法途径

（1）戛洒江洪水计算内容及方法途径。本次洪水计算内容主要为分析戛洒江特大桥段戛洒江河道洪水及相应洪水水位。戛洒江特大桥下游约4.9km处为国道G227跨戛洒江大桥，G227跨戛洒江大桥下游约250m处河道顺直，断面规整，水流近似为明渠均匀流，故考虑选择该断面为起推断面。起推断面至戛洒江特大桥断面区间径流面积较小，仅占起推断面以上戛洒江流域面积0.28%，且区间无较大汇水口，故洪峰流量统一采用起推断面处洪峰流量进行分析。起推断面以上流域面积约19371km²，径流面积远大于1000km²，不宜采用暴雨径流法和推理公式法计算洪水。起推断面下游约73km处设有元江站，元江站收集的洪水序列已有66年，且有1年历史特大洪水，已经具有代表性。元江站径流面积21554km²，起推断面至元江站之间无蓄洪设施，因此可采用水文比拟法计算设计断面洪水。

（2）截水沟洪水计算内容及方法途径。斗牛场弃渣场上游靠近G227国道，国道排水沟截走上游汇水，因此，截水沟主要汇水为弃渣场平台及坡面汇水。弃渣场截水沟设计洪水采用《水土保持工程设计规范》中经验公式计算。

2.2 设计洪水分析

2.2.1 元江站洪水分析

本次收集元江站1953年—2018年实测洪水，共66年，加上历史1次特大洪水组成不连序洪水系列为频率分析的样本。其中实测值最大值为1986年的7520m³/s，第二大为1971年的4260m³/s，实测最大值比第二大值大76.5%，考虑将1986年的洪水作为特大值处理，故元江站特大值项为2项。统计参数采用矩法公式计算值为初估值，频率曲线线型采用P-Ⅲ型，经目估适线法合理确定统计参数及设计值。不连续序列矩法公式如下。

特大洪水：

实测洪水：

式中：N—重现期，最远调查期为1908年，至今111年，故取111年；n—实测值个数，取66个；a—特大值项数，取2项；L—从实测值中抽出的特大值项数，取1项；M—特大值排序，取1～2；m—实测值排序，取1～65。元江站洪水成果见表1，频率曲线见图2。

图2 元江站洪水频率曲线

2.2.2 元江站洪水合理性分析

为复核元江站洪水合理性，采用本方案计算成果与《红河干流梯级开发的生态影响研究》中元江站成果进行对比分析，该研究中采用的元江站资料为1957年～2009年，该报告由中水珠江设计公司编制，并于2014 年9月12日由水利部国际合作与科技司、水利部财政司组织验收，成果可靠。经对比分析，本方案计算所得元江站洪水均值为1825m³/s，较收集到的元江站洪水均值1930m³/s小5.44%，但是本项目采用的CV值比收集到的CV值大0.1，经计算，各频率下对应的设计洪水比收集到的大0.91%～3.05%。主要原因是因为本次收集水文序列加长，数据越趋于合理，Cv变大，CS值降低，符合一般规律。综上所述，本方案采用元江站特征参数符合流域特性，取值合理。

2.2.3 元江站枯期洪水分析

收集元江水文站1953年—2019年实测洪水，共66年连序洪水系列为频率分析的样本，统计参数采用矩法计算值为初估值，频率曲线线型采用P-Ⅲ型，经目估适线法合理确定统计参数及设计值，成果见表2。

表2 元江站枯期洪水成果表

3.洪水影响分析计算

3.1 防洪标准

戛洒江特大桥全长982.08m，属于高速公路特大桥，设计洪水频率采用300年一遇。项目施工便桥主要功能为联通本项目戛洒江两岸施工便道，施工便道道路级别为4级，施工便桥全长84m，属于中桥，鉴于本项目施工便桥为临时便桥，其防洪标准与戛洒江该段河道防洪标准一致。

3.2 地形资料

2019年8月，对G227国道跨戛洒江特大桥下游0.5km、上游1.2km范围内河道地形进行了测量，比例为1:1000，高程系统采用1985国家高程基准，平面坐标采用CGCS2000坐标系。2020年7月，对该段河道向上游进行延伸补测，补测河段延伸至戛洒江特大桥上游300m，补测河段长度3.6km。总测量河道长度5.3km，起点为G227国道跨戛洒江特大桥下游500m，止点为戛洒江特大桥上游300m。戛洒江特大桥修建过程中，局部改变该段河道微地形，高速公路前期设计时，对高速公路沿线条带地形进行了测量，比例为1:2000，戛洒江特大桥段河道原始地形采用高速公路测量地形进行修正。斗牛场段建筑物未修改戛洒江行洪断面，河床地形无较大变化。

表4 考虑施工便桥江300年1遇（P=0.33%）洪水位计算成果

3.3 起推断面洪水位计算

模型计算工况主要根据下势面条件变化来确定，本项目仅有戛洒江特大桥施工便桥位于河床中，故本项目工况分两种情况：1）戛洒江特大桥施工便桥建桥前；2）戛洒江特大桥施工便桥建桥后。本方案考虑把G227跨戛洒江大桥下游约250m处断面作为起推断面，起推断面河道规整，河段顺直，河床底坡0.012，坡度较陡，受下游水位影响较小。起推断面断面图见图3。

图3 起推断面位置图

起推断面河床底坡0.012，坡度较陡，计算该断面临界水位与正常水位进行对比，选取大值作为起推水位。试算求解设计洪水时相应的临界水位及临界坡度。根据计算成果，各设计频率下均为急流，正常水位低于临界水位，取临界水位作为起推断面起推水位，如表3所示和图4所示。

图4 起推断面正常水位与临界水位对比图

表3 起推断面正常水位与临界水位计对比表

3.4 起推断面洪水位成果复核

起推断面为天然河道，河床卵石分布，根据现场调查及历史影响调查，起推断面2011年G227国道修建完成后无较大人为活动，河道为天然演变。根据元江水文站洪峰流量资料，2009至2018年近十年内最大洪峰流量为2015年的2160m³/s。起推断面洪峰流量采用水文比拟法计算为2012m³/s，相应的临界水深为481.43m。根据现状调查，起推断面现有洪痕高程为481.27m，方案采取的起推洪水位大于洪痕0.16m，且误差较小，故认为本方案采用临界水位作为起推水位满足要求。

4.戛洒江涉及河段水面线计算成果分析

根据确定的河道洪水、综合糙率、实测纵横断面资料、起推水位等边界条件，按明渠恒定非均匀渐变流公式分段求和法自下而上逐段试算各控 制断面洪水位，将洪水位相连后得河道水面曲线。戛洒江涉及河段不考虑施工便桥各防洪标下水面线成果如下：

水面线成果率定。如表5所示，根据现场调查，项目区涉及河段为戛洒江上游天然河道，缺少相关水文观测资料及其他水工程参考资料，项目区水面线率定采用本项目涉及河段2020年7月30日航测水面线成果进行率定。根据调查成果，航测时段起推断面高程为478.47m，相应的流量为251m³/s。本次采用相同模型计算水面线成果与航测成果进行对比分析。对比结果如下：根据上表，洪峰流量251m³/s时，航测水面线与模型计算水面误差较小，正负误差均在0.3m以内，且大部分河段模型计算水面线大于航测水面线，另外，模型计算水面线与航测水面线趋势一致，故认为本方案一维模型合理，计算成果可靠。

5.结论

水利工程能够发挥出积极的防洪作用，可以强化抗水灾的能力，适当地减少人们受灾的损失。当前国家经济形势下，跨河桥梁工程日益增多，其对所经水域防洪水平会产生各异影响，对其防洪影响进行科学评价，可有效进行工程管理，确保其建设符合防洪标准，有利于当地水域防洪抗涝。本文模型计算水面线与航测水面线趋势一致，从水力要素沿程变化分布看，在坡度基本一致的条件下，符合水流沿程变化的一般性规律；将水面比降与河床坡度比较看，水面比降与河床坡度基本吻合，符合河道洪水运动的水力特性；从流态变化看，坡度大时水面曲线陡，坡度缓则水面线趋于平缓，且与上下游衔接较好。综上所述，水面曲线成果基本合理，模型计算成果可靠，可作为防洪影响评价依据之一。