武陟縣共產(chǎn)主義渠河道斷面設(shè)計(jì)分析

（武陟縣水利局）

武陟縣共產(chǎn)主義渠河道斷面設(shè)計(jì)分析

□趙天生（武陟縣水利局）

河道治理工程是關(guān)系地方民生的重要水利工程，對(duì)于防洪、排澇、農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，河道斷面設(shè)計(jì)是工程建設(shè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。共產(chǎn)主義渠屬于海河水系，衛(wèi)河支流，武陟縣境內(nèi)長(zhǎng)19.70 km，是該縣主要排澇河道之一；在武陟與獲嘉交界之前有一干排、二干排、隔滲溝等多條支流匯入，河流形態(tài)比較復(fù)雜，且匯合口上下游設(shè)計(jì)斷面差別較大，上游需滿足除澇標(biāo)準(zhǔn)，下游需滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)，工程對(duì)河道斷面設(shè)計(jì)提出較高要求。文章對(duì)水利工程河道斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

共產(chǎn)主義渠；河道斷面設(shè)計(jì)；分析

1 工程概況

共產(chǎn)主義渠屬于海河水系，衛(wèi)河支流，流經(jīng)武陟縣、獲嘉縣、新鄉(xiāng)市，在衛(wèi)輝市入衛(wèi)河。全長(zhǎng)112.28 km，流域面積6 403.70 km2，其中武陟縣境內(nèi)長(zhǎng)19.70 km，流域面積281.50 km2，河道底寬50 m，口寬80 m，深3.50 m，河道平均坡降1/1 500。河道1958年開(kāi)挖并運(yùn)行，流經(jīng)嘉應(yīng)觀、圪垱店、喬廟三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是武陟縣主要排澇河道之一。由于共產(chǎn)主義渠多年未加治理，河道淤高達(dá)2 m左右，堤防殘缺不全，沿岸建筑物已毀壞，完全處于停用廢棄狀態(tài)，汛期洪澇水經(jīng)常漫溢決口，淹沒(méi)農(nóng)田，造成大雨大災(zāi)、小雨小災(zāi)局面，洪澇災(zāi)害直接威脅著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 設(shè)計(jì)原則

武陟縣共產(chǎn)主義渠治理工程，在武陟-獲嘉交界之前有一干排、二干排、隔滲溝等多條河流匯入，河流形態(tài)比較復(fù)雜，且共產(chǎn)主義渠獲嘉段和共產(chǎn)主義渠支流二干排已治理完畢，因此本次治理工程設(shè)計(jì)需在考慮實(shí)際地形條件和已治理工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

在武陟-獲嘉交界之前，一干排、二干排、隔滲溝等三條河流幾乎在同一位置匯入共產(chǎn)主義渠，形成一個(gè)匯合口，匯合口至下游已治理段之間，河道及周?chē)匦屋^低，河流流量大。

二干排為梯形斷面，在匯合口處的底高程為78.92 m，共產(chǎn)主義渠獲嘉段為復(fù)式斷面，起始斷面設(shè)計(jì)主槽底高程為78.65 m，設(shè)計(jì)灘地高程為81.85 m，河道兩側(cè)堤頂高程為83.46 m，3 a一遇的設(shè)計(jì)除澇水位為81.70 m，20 a一遇設(shè)計(jì)洪水位為82.63 m。根據(jù)實(shí)際地形形態(tài)及已治理過(guò)的二干排和共產(chǎn)主義渠獲嘉段的治理情況，提出以下治理原則：第一，匯合口以上部分，由于原河道較寬，根據(jù)上游流域內(nèi)的保護(hù)農(nóng)田范圍及設(shè)計(jì)除澇流量較小的現(xiàn)狀，并結(jié)合沿河生態(tài)景觀帶的修建需求，故匯合口上游以河道疏浚為主，按照技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則，達(dá)到合理規(guī)劃河道，促進(jìn)生態(tài)平衡，充分發(fā)揮河道工程的綜合效益。第二，由于二干排和下游獲嘉段已治理完畢，匯合口以下至獲嘉段主要考慮已治理好河道的連接問(wèn)題，故本次設(shè)計(jì)采用復(fù)式斷面，兩岸修筑堤防與下游堤防平順連接。

3 河道工程設(shè)計(jì)分析

3.1 河道工程布置

根據(jù)本項(xiàng)目區(qū)河道現(xiàn)狀行洪能力分析成果和現(xiàn)狀河道走向，本段河道工程布置原則如下：河道走向基本維持現(xiàn)狀，局部河段根據(jù)地形、地物情況適當(dāng)調(diào)整，以使河道水流順暢；基本維持現(xiàn)狀河道縱坡，對(duì)局部高灘高坎或阻水建筑物進(jìn)行清除，保持河道縱坡平順；現(xiàn)狀本項(xiàng)目區(qū)河段，過(guò)水?dāng)嗝嬲。柽M(jìn)行擴(kuò)挖，以滿足除澇和泄洪要求；河道設(shè)計(jì)水面線低于兩岸，以利于澇水自排。

3.2 河道斷面設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目區(qū)依據(jù)實(shí)測(cè)河道橫斷面圖及數(shù)據(jù)，本著盡量少挖方或不挖方、使?jié)乘M量滿足自排、河道滿足設(shè)計(jì)行洪的原則，以現(xiàn)狀河道沿線縱坡為依據(jù)，適當(dāng)調(diào)整，以此確定河道設(shè)計(jì)河底縱坡和設(shè)計(jì)河底高程，滿足防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)。

河道設(shè)計(jì)底寬與斷面型式及設(shè)計(jì)水深有關(guān)。結(jié)合河道特性，同時(shí)考慮兩岸地形情況、河道兩岸景觀規(guī)劃，以及工程投資等情況，綜合確定河道設(shè)計(jì)底寬。

匯合口以上流域面積較小，按照5 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用梯形斷面；匯合口處由于一干排、二干排、隔滲溝三條支溝匯入，控制流域面積較大，匯合口以下按照20 a一遇防洪、3 a一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用復(fù)式斷面。斷面設(shè)計(jì)方案如下：

3.2.1 匯合口上游段斷面設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)段斷面樁號(hào)范圍為10+000～19+400，末端底高程同二干排底高程一致。提出以下兩種設(shè)計(jì)方案并比選：

方案一，河底坡降分2段設(shè)計(jì)，10+000～17+600段設(shè)計(jì)坡降i=0.0005；17+600～19+400設(shè)計(jì)坡降i=0.001；河道設(shè)計(jì)底寬采用25 m，河槽設(shè)計(jì)邊坡1：2.5。

方案二，河底坡降根據(jù)地勢(shì)按1段設(shè)計(jì)：10+000～19+400段設(shè)計(jì)坡降i=0.0007；河道設(shè)計(jì)底寬采用25 m，河槽設(shè)計(jì)邊坡均為1：2.5。

方案比選，根據(jù)工程投資、施工便宜性、水流條件等因素綜合考慮，選擇相對(duì)較優(yōu)方案作為實(shí)施方案。方案一與方案二相比，方案一比方案二開(kāi)挖深度減少約1m，極大的減少了開(kāi)挖量，節(jié)省了工程投資，方案比選表如表1所示。

表1 方案比選表

根據(jù)以上因素綜合比較，方案一優(yōu)于方案二，故匯合口以上斷面設(shè)計(jì)采用方案一。

3.2.2 匯合口下游段斷面設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)段斷面樁號(hào)范圍為19+500～21+250，起始端底高程同二干排底高程一致，末端底高程同下游已治理段一致。設(shè)計(jì)方案如下：

匯合口以下河道長(zhǎng)度約1.75 km，已治理的獲嘉段斷面形式采用復(fù)式斷面，為保證平順銜接，該段也采用復(fù)式斷面，設(shè)計(jì)河底坡降取i=0.00015，經(jīng)多次試算（試算范圍為16～50 m），在滿足防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)前提下，設(shè)計(jì)取工程投資最少的主槽底寬為35 m，設(shè)計(jì)邊坡均采用1：2.5。

3.3 河道設(shè)計(jì)水面線

為了確定共產(chǎn)主義渠本河段的設(shè)計(jì)水位，采用明渠非均勻流能量法計(jì)算公式各控制斷面計(jì)算水深，各段內(nèi)采用內(nèi)插法推算水面線。

3.3.1 控制斷面選取

共產(chǎn)主義渠設(shè)計(jì)治理后，采用棱柱體明渠進(jìn)行過(guò)流能力計(jì)算。根據(jù)共產(chǎn)主義渠實(shí)際情況，采用從下游向上游推算水面線的方法計(jì)算河道水面線。本次河道水面線計(jì)算時(shí)，按明渠非均勻流公式計(jì)算控制水深。下游段與共產(chǎn)主義渠獲嘉段銜接，以21+250作為控制斷面，底高程為78.65 m，3 a除澇水位為81.69 m，20 a防洪水位為82.66 m，經(jīng)計(jì)算，上游治理段末端19+400斷面5 a一遇水面高程為81.93 m。

3.3.2 河道水面線推求

根據(jù)各控制斷面流量，以及分段設(shè)計(jì)的不同河底寬度和河底坡降，計(jì)算河道水面線，具體數(shù)據(jù)參見(jiàn)計(jì)算列表和相關(guān)圖冊(cè)。主河槽設(shè)計(jì)糙率0.03，灘地設(shè)計(jì)糙率0.04。

因?yàn)楹拥浪媲€的控制斷面一般在下游，應(yīng)從下游向上游推算。河道水面線推算以固定邊界、恒定、非均勻流、漸變流的能量方程為理論基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合河道水流特性，該基本方程如下：

式中：Z2、Z1——計(jì)算段上、下游斷面水位；

V2、V1——計(jì)算段上、下游斷面平均流速；

α2、α1——計(jì)算段上、下游斷面的動(dòng)能修正系數(shù)；

hf、hj——沿程水頭損失，局部水頭損失。

3.3.2.1 沿程水頭損失的計(jì)算

非均勻流的水面線用“分段求和法”推求，此法將非均勻流分成很多小段，然后逐段推算，從各小段來(lái)看水流則可以近似地認(rèn)為是“均勻”的，這樣非均勻流沿程水頭損失就可以采用均勻流沿程水頭損失的公式來(lái)計(jì)算。

如果河槽斷面由不同糙率的灘地河主槽組成的復(fù)式斷面，則應(yīng)根據(jù)糙率的不同，將斷面分成多個(gè)不同的部分，分別求出各部分的流量模數(shù)，并總和求得整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁磕?shù)。

3.3.2.2 動(dòng)能修正系數(shù)按下式計(jì)算

3.3.2.3 局部水頭損失的計(jì)算

河道的局部水頭損失，因所用糙率既反映河槽本身因素（如河床河壁的粗糙程度、河槽形態(tài)等）對(duì)水流阻力的影響，又反映水流因素（水位高低、含沙量大小等）對(duì)水流阻力的影響。因此，在河道上連續(xù)存在某些不顯著的局部變化時(shí)，其影響已包括在糙率之中，一般是無(wú)需考慮的。但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，河道的寬度有時(shí)相差較大，仍有收縮、擴(kuò)散對(duì)水流的影響，故仍以考慮為宜。至于建筑物阻水所產(chǎn)生的收縮、擴(kuò)散及橋、閘阻力等局部水頭損失，自然必須計(jì)算。

式中：ξ——河道收縮、擴(kuò)散水頭損失系數(shù)。

運(yùn)用水面線基本方程式，水面線推算即可從下游向上游（緩流段）或從上游向下游（急流段）逐段用試算法進(jìn)行。將河道劃分為適宜的河段后，根據(jù)已經(jīng)輸入的各斷面測(cè)量數(shù)據(jù)及分段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，給定某方案起始端面的設(shè)計(jì)流量與起始水位之后，程序自動(dòng)假設(shè)下一斷面的水位并按基本方程式求出該斷面計(jì)算水位，比較假設(shè)水位和計(jì)算水位的差值，如果差值不滿足精度要求，則程序判別后重新假定水位，重復(fù)試算，直到滿足精度為止；若差值滿足精度要求，程序即以此計(jì)算水位為已知，繼續(xù)進(jìn)行下一斷面（斷面3）的水位假設(shè)和計(jì)算，反復(fù)試算到本方案合理切實(shí)可行。

根據(jù)河道斷面參數(shù)及上述公式計(jì)算成果表明，河道經(jīng)過(guò)疏浚開(kāi)挖、修筑堤防后，匯合口以上滿足5 a一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)，匯合口以下滿足20 a一遇防洪要求。

4 結(jié)語(yǔ)

河道治理工程是一項(xiàng)惠民工程，斷面設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)。武陟縣共產(chǎn)主義渠治理工程實(shí)施后，將有效解決低洼易澇區(qū)25萬(wàn)人、1.33萬(wàn)hm2耕地的汛期排澇問(wèn)題，對(duì)當(dāng)?shù)胤篮椤⒊凉场⑥r(nóng)業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極推動(dòng)作用。

TV851

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：1673-8853（2017）05-0042-02

2017-03-28

編輯：符蕾

趙天生，（1970-），工程師，主要從事河道治理、安全飲水、農(nóng)田水利等水利工程的研究。