河道治理工程設計探討

李 偉

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明 650051)

我國中小河流防洪減災體系薄弱，山洪、泥石流等自然災害威脅著人民生命財產(chǎn)安全，破壞了生態(tài)環(huán)境，影響了經(jīng)濟社會的發(fā)展，因此加強中小河流的治理是十分必要的。河道治理設計中水面線的計算及防護形式的選擇對工程的安全、投資有著很大的影響，現(xiàn)對河道治理設計中水面線計算及防護形式選擇等相關(guān)問題進行探討。

1 水面線計算的分析

1.1 水面線計算方法的選擇

水面線計算是河道治理中的基礎性工作，對河道治理的工程量及造價有著直接的影響。根據(jù)河段的資料，水面線計算一般有以下幾種方法:

1)恒定非均勻漸變流方程法。恒定非均勻漸變流方程法將治理河段劃分為若干個河段，逐段推求。在每一河段內(nèi)，根據(jù)實測的斷面資料、相應的洪峰流量、控制斷面的“水位—流量”關(guān)系及各河段糙率等邊界條件進行求解。計算的方程如下:z2=z1+其中，z1為起調(diào)水位;z2為計算斷面水位;α為動能修正系數(shù);Q為流量;A為過水斷面面積;h1-2為兩段面之間的水頭損失。其中，hf為沿程損失;hj為局部損失;s為斷面間距;為平均流量;為過水斷面面積平均值;為斷面水力半徑的平均值;ξ為局部損失系數(shù);v為斷面流速。2)曼寧公式法。曼寧公式法根據(jù)治理河段平面圖，布置若干控制斷面，采用曼寧公式計算。計算方程如下其中，n為河段的糙率;Q為流量;A為過水斷面面積;i為河段的縱向比降;χ為計算斷面的濕周。曼寧公式法將河道看作是體形規(guī)則的“天然渠道”，對于沿程較為規(guī)則的河段，該方法具有一定的適應性，但是天然河道一般形態(tài)多變，因此，該方法的精度有限。3)水面比降法。水面比降法是一種粗略的類比法，通過調(diào)查河段近年的洪水位，確定水面的比降，再根據(jù)控制斷面推算整個河道的水面。該法只適用于資料缺乏的河段。河道治理設計中推薦采用恒定非均勻漸變流方程法，其余的兩種方法可作為一種粗略的校核。

1.2 計算軟件的選擇

河道水面計算常用的軟件主要有:1)美國陸軍工程兵團水文工程中心開發(fā)的HEC—RAS軟件，該軟件以能量方程為基礎，可以計算一維恒定流和非恒定流河道水面線。2)荷蘭代爾夫特水力學所及有關(guān)機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的SOBEK軟件，該軟件以一維圣維南方程為基礎，計算河道水面線。現(xiàn)以云南省彝良縣洛澤河角奎鎮(zhèn)附近的河道水面線計算為例，對以上兩種軟件進行對比分析。計算洪水標準為20年一遇，洪峰流量1 621.00 m3/s，河道為緩流，控制段選擇在下游，計算起始斷面水深為832.45 m，河道糙率綜合取值為0.04。SOBEK軟件迭代初始水深為0.0 m。

水面線計算成果見表1及圖1。

表1 洛澤河沿程水面線計算成果表

圖1 洛澤河沿程水面線計算成果

根據(jù)表1計算成果，HEC—RAS軟件的計算成果略大于SOBEK軟件，最大差值約0.2 m，HEC—RAS軟件計算結(jié)果更偏于安全一些。由于HEC—RAS軟件運行費用遠低于SOBEK軟件，且成果整理也較為簡便，因此實際設計推薦采用HEC—RAS軟件。

2 河道防護形式的選擇

2.1 傳統(tǒng)的河道防護措施

傳統(tǒng)河道防護多采用剛性防護措施，主要為漿砌石防洪墻、漿砌石(鋼筋混凝土)護坡等，結(jié)構(gòu)抗沖刷及破壞的能力強，能夠適應較惡劣的自然環(huán)境。但傳統(tǒng)剛性防護很少考慮工程措施對生態(tài)環(huán)境的影響，阻斷了河道與外界的環(huán)境交流。

2.2 現(xiàn)代河道防護措施

現(xiàn)代河道防護多采用生態(tài)防護措施，主要有植物護坡、格賓石籠、生態(tài)袋護坡、生態(tài)混凝土等措施。其優(yōu)點是在滿足工程結(jié)構(gòu)安全的基礎上，達到了河流與外界環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)了河道的持續(xù)發(fā)展。其缺點是生態(tài)防護措施的強度不大、抗沖刷能力較差，不適宜流速大的部位。各生態(tài)防護措施優(yōu)缺點的對比見表2。

表2 各生態(tài)防護措施對比表

2.3 河道防護形式的選擇

河道治理的目的不同，選擇的防護形式亦應有所區(qū)別。防護形式的選擇應“因地制宜”，充分考慮水力條件、天然建筑材料、施工、維護等因素，設計中應充分體現(xiàn)“生態(tài)治理、親近自然”的理念，避免河道治理的“渠道化”，盡量不改變現(xiàn)有河道的走向及岸坡結(jié)構(gòu)，減少二次生態(tài)破壞。流速不大的河段，應優(yōu)先采用生態(tài)防護措施，盡量避免防洪堤的新建，如必須新建則應優(yōu)選生態(tài)護坡土堤。流量較大、流速較高的河段，應首選防沖能力較強的防護結(jié)構(gòu)，沖刷較深的河段宜選擇剛性防護。

3 結(jié)語

1)河道治理設計中推薦恒定非均勻漸變流方程法。根據(jù)實例計算，HEC—RAS軟件計算結(jié)果更偏于安全一些，由于HEC—RAS軟件運行費用遠遠低于SOBEK軟件，且成果整理也較為簡便，因此實際設計推薦采用HEC—RAS軟件。2)河道治理應根據(jù)不同的治理目的，選擇適宜的防護方案，在滿足河道防洪安全的前提下，應大力推廣和使用生態(tài)防護措施，促使人與自然和諧發(fā)展。

［1］李 煒.水力計算手冊［M］.第2版.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］劉 洋.幾種水面線推算方法的比較［J］.人民黃河，2011(2):51-53.

［3］夏繼紅，嚴忠民.生態(tài)河岸帶研究進展與發(fā)展趨勢［J］.河海大學學報，2004，5(3):252-255.