海则庙沟河道涵洞过洪能力分析

郭飞燕

(府谷县河道养护站,陕西 榆林 719499)

鹏鑫采石场修建的涵洞,未批先建,属于河道“四乱”工程。为了论证涵洞是否会对河道行洪安全和防汛抢险造成影响,这就需对涵洞过水能力进行分析评价。

1 概 述

府谷县属暖温带和温带半干旱大陆性季风气候,多年平均年降水量为453.5mm。鹏鑫采石场位于府谷县海则庙便民服务中心王大庄村,东临黄河。海则庙沟自西向东,河道较蜿蜒曲折,有“U”型弯,最后由高粱沟流入黄河。为了运输方便,鹏鑫采石场对上游修建了护堤坝,修筑河堤,搭建半圆拱形涵洞及填土硬化等工程。

2 附近工程设施影响分析

海则庙沟流域面积较小,流域内水量较少,无水文站、雨量站等观测站点,也无水利工程相关设施。该河道东侧有一双向单车道公路,与该河流相交,河道内水流不会漫上公路对公路行车情况无影响。涵洞河段下游有一小型混凝土桥梁,桥梁跨河而建,跨度约为10m。

3 设计洪水分析

拟建涵洞段区域属于海泽庙沟流域,海则庙大水沟自然排水渠西起高粱沟东至黄河流域,该流域内无文测站和雨量站,所以该区域属于无资料地区的设计洪水计算。根据《防洪标准》(GB50201—2014)中对于公路的各类建筑物、构筑物根据公路的功能和相应的交通量分为四个防护等级,该项目建造位置所依临公路为三级公路,相应防洪标准的重现期为20a。

3.1 经验公式法

根据水文、气象、地貌及土壤自然地理等自然特点。综合得出自然因素经验公式,其公式为:

(1)

式中:QN为重现期为N年的洪峰流量,m3/s;h6为设计洪水重现期为N的设计流域6小时面雨量,58.4mm;f为流域形状系数;C、α、β、η为经验参数。F为设计流域面积,24.87km2;根据《榆林市水文手册》暴雨分区图知,项目所在区域为第Ⅰ分区,相应的参数数值为α=0.71,β=0.11,η=0.68,C20=1.52。

经计算,重现期为20a的洪峰流量Q20=217m3/s。

3.2 推理公式法

推理公式法是将流域的产汇流过程均匀概化后得到的结果,适用流域面积在1000km2以下小流域。其基本公式为:

(2)

据此,洪峰流量为全汇流面积造峰的结果,并可应用径流成因公式按上述假定,由净雨历时tc与流域汇流时间τ 之间的关系,解出其基本应用形式。当流域产流历时大于(或等于)汇流历时(tc≥τ)时,洪峰流量由全流域汇流所形成,即为全面汇流的情况,则:

(3)

当流域产流历时小于汇流历(tc<τ)时,洪峰流量只是部分流域面积汇流所形成,即为部分汇流情况,则:

(4)

(6)

式中:Qm为洪峰流量,m3/s;hR、hτ为产流历时内的净雨和相应于τ时段的最大净雨,mm;

F、Ftc为流域面积和相应于tc时段的汇流面积,km2;τ 为流域汇流时间,h;tc为净雨历时,h;0.278为单位换算系数。

限于资料条件,为方便起见,假定所有的汇流情况均为全面积汇流情形,即采用式(5)进行分析。由以上各式可见,确定流域最大洪峰流量的关键是如何确定汇流历时τ。假定流域平均汇流速度Vτ综合地反映了流域坡面汇流和河道汇流特性,并采用式:

Vτ=mJαQmβ

(6)

则流域平均汇历时为:

(7)

式中:L为沿主河槽从出口断面至分水岭的最长距离,km;J为沿流程L的平均纵比降,‰;

M为经验型汇流参数;α、β为经验性指数;α和β的值都为1/3。另外,汇流参数m的公式为:

M=kθ0.325hR-0.41

(8)

(9)

式中:k为不同降雨分区的系数;θ为流域特征性参数;F为流域面积km2;J为流域比降。

汇流历时表达式为:

(10)

将上述公式参数带入后,求得τ=11.5/Q1/3,假定一系列Qm后计算出相应的τ,得到Qm～τ曲线,见表1。

表1 Qm～τ曲线

求得该流域20a一遇净雨值为48.9mm。将净雨过程由大到小进行累积,按Qm=0.278F∑ht/t计算Qm～t曲线,结果见表2。

表2 Qm～t曲线

将Qm～τ曲线和Qm～t曲线两组关系数据点绘到直角坐标纸上求得交点,经过综合分析即得到20a一遇洪水的洪峰流量Qm= 218m3/s。

3.3 水文比拟法

水文比拟法就是通过某种修正将参证流域的水文要素化为设计流域水文要素的方法。在同一产汇流区内,选定参证流域和参证站后,可以通过面积与洪峰流量的关系,进行修正,修正系数为:

Qps=β2Qpc

(11)

(12)

设计流域的洪峰流量为:

Qps=β2Qpc

(13)

式中:Qps,Qpc分别为设计流域和参证流域的设计洪峰流量,m3/s;Fs和Fc分别为设计流域和参证流域的面积,km2;B=(bE+bcv),其中bE和bcv分别为洪峰模数均值和Cv对应的经验参数b。

以皇甫水文站为参证站进行水文比拟法,由新版《榆林市实用水文手册》可知皇甫水文站控制流域面积为3715km2,重现期为20a的设计洪峰为3600m3/s,查手册中表可知bE=0.1,bcv=0.045。将参数代入公式(13)中得到β2=0.13。由式(13)可知,该流域通过水文比拟法得到的洪峰流量Qps=368m3/s。

3.4 合理性分析

考虑到经验公式法需要的参数较多,而本次工程地区又无相关雨量站、水文站等观测站点,只能利用同分区内其他站点所观测的降水数据进行相关参数的推算,所以对结果影响较大。由于皇甫水文站控制流域面积较大,通过水文比拟法得到的洪峰流量与本次研究区域面积相差悬殊,故得到的结果可参考性不强。故结果选择由推理公式法所推求的结果为218m3/s。即该流域20a一遇洪峰流量为Qm=218m3/s。

4 涵洞过水能力分析

4.1 过洪能力

通过涵洞的设计建筑面积与天然情况下通过20a一遇的洪水的洪峰需要的面积进行比较从而得知涵洞是否可以顺利通过20a一遇的洪水的洪峰流量。根据曼宁公式对需要的河道过水断面面积进行计算,计算公式为:

(14)

(15)

Q=AV

(16)

式中:V为断面的流速,m3/s;n为糙率,取值为0.03～0.035;R为水力半径,m;A为过水断面面积,m2;x为湿周,m;

根据式14-16通过试算,找到天然河道情况下洪峰流量达到218m3/s时需要的河道过水断面面积为37.6m2,此时流速为5.8m/s。该工程涵洞断面面积为16.1m2,故该涵洞遭遇洪水时最大过流能力为110m3/s,会产生壅水,需要进一步计算涵洞口壅水高度来判断涵洞的过水能力。由于在产生20a一遇洪峰时会产生壅水,故涵洞内部水流状态为有压流,通过此方法计算出的涵洞过流能力偏小。通过比较所需天然河道断面面积与已修建的涵洞断面面积不难得知,当20a一遇洪峰来临时,若产生的壅水高度过大,洪水可能会在涵洞上方通过,作为紧急的泄水通道,并对涵洞段上方河堤进行加固处理,防止淘蚀上方公路的路基和冲刷路面等影响[1]。

因此,需要计算在发生20a一遇洪水情况下,涵洞段由涵洞及其上方断面联合泄洪情况下的水面线,并与路面高程进行比较,分析判断该工程河段的泄洪能力。

4.2 壅水高度计算

由于涵洞过水能力略小于年一遇的洪水的洪峰流量,故在该断面区域上游会产生壅水,通过《榆林市实用水文手册》中对该地区五点概化洪水过程线相对值参考表3。

表3 五点概化洪水过程线相对值参考表

通过皇甫水文站五点概化得到的地区20a一遇洪水过程线。计算得到当洪峰Qm=218m3/s时,由于涵洞过水能力为110m3/s,故通过计算得到涵洞前壅水量为62.6m3,由前文已知该段河道比降为0.0162。故可以算出体积为62.6 m3的水在涵洞口所产生的最大壅水高度为1.42m。

由该涵洞建设地区CAD高程图可知,涵洞前河底高程为913.02m。由《河道堤防工程设计规范》查得该工程安全超高为0.5m。最大壅水高度为1.42m。将这些数据加在一起算得壅水时最高水位为918.42m,涵洞洞口部分东侧道路高程为920.20m。故壅水不会对东侧道路产生影响。

4.3 水面线计算

通过求解伯努利方程,根据已知流量、起推水位逐步推求各断面的水位。

(17)

hw=hy+hj

(18)

(19)

(20)

(21)

水面线计算一共分为起始断面至涵洞末端,涵洞段、涵洞上游壅水段四个断面分别计算水面线。上式相关参数取值及水面线计算成果表见表4。

表4 水面线成果表

由表4中计算结果可知,工程所在河段在发生20a一遇洪水情况下,各关键点的水位低于对应点公路路面高程的范围在0.72～3.98m之间,考虑0.5m安全超高,该河段能够满足泄洪要求。同时,也可计算出涵洞段在发生20a一遇洪水时涵洞顶水深为1.4～1.5m。因此,涵洞段以及工程项目段的涵洞、两岸河堤按照相关规范进行施工、管理以及后期的防洪应急预案前提下,能够顺利下泄20a一遇洪水。

5 结 语

通过分析探讨,鹏鑫采石场所建过水涵洞20年一遇的设计洪峰流量为218m3/s,对应所需的河道过水断面面积为37.6m2,而实际涵洞断面面积为16.1253m2,不能满足20a一遇洪水过流能力,需要联合涵洞上方原河道断面进行泄洪。建议建设单位对东侧道路护堤采取加固防护措施,并且对涵洞进行加固,在发生20a一遇洪水时能够利用涵洞上方临时断面进行紧急泄洪。