西白楊溝綜合治理工程水面線推求及護坡方案比選

艾來提江·謝熱甫丁

（烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

對河道進行治理，防治洪澇災害是一項重要的民生工程。有許多的學者對河道治理進行研究。王玉林[1]以皮山河流域工程治理為例，介紹了土石籠袋的生態治理工程效益；李慧[2]采用數值模擬方法對不同的生態河道治理方法進行分析，結果表明第4 種生態治理方案具有較好的生態治理效果；尤潔[3]以念頭坑河道治理為例，對防洪堤斷面設計方案進行優化比選；吳名劍等[4]使用HEC-RAS 模型進行山區河流的水面線推求，與“雨洪法”比較，結果較為準確；劉文達等[5]以余慶河普興河段為例，研究了生態護坡防護堤方案在河道治理工程中的設計方法；王大明等[6]以東荊河為研究對象，使用數值模擬方法對治理工程安全性進行研究，認為保持現有堤距，擴挖深水槽的治理方案可以同時滿足安全、經濟要求；陳暉等[7]使用遺傳算法進行水面線的求解，認為遺傳算法具有精度高、計算結果準確的特點；譚毅源[8]使用MIKE11 軟件對條件較為復雜的河道水位線進行計算，計算結果經過檢驗較為準確；張大偉等[9]采用二維數值模擬方法進行防洪設計評價，計算結果準確度較高；葉楠等[10]使用MIKE21 模型研究洪水對大橋的影響，認為MIKE21 可以精確分析水位、流速等信息，可在工程設計中推廣使用。在前人研究基礎上，收集大量資料對治理段水面線進行推求，為防洪工程設計提供參數依據。

1 工程概況

西白楊溝是英雄橋水文站下游匯入烏魯木齊河的一條較大支流，位于烏魯木齊河出山口，匯流點位置距下游烏魯木齊河大西溝渠首約4.7 km。西白楊溝近似于西南偏東北走向，工程區東西寬3.31 km，南北長4.56 km，河道寬10 m～30 m，天然縱坡4.03%。

2 設計洪水計算及水面線推求

2.1 參證站選取

西白楊溝距英雄橋水文站約20 km，選用英雄橋水文站為工程區水文分析計算的參證站。英雄橋站1958 年～2009 年最大實測洪峰流量累積平均值模比系數過程線見圖1。

圖1 英雄橋站洪峰流量模比系數累積平均值曲線

實測洪峰流量模比系數差積曲線見圖2，該曲線反映了洪峰流量年際周期變化過程。從該曲線可以看出1993 年出現最低點，1996 年出現最高點。1958 年～1993 年為烏魯木齊河的小洪水段年，1994 年～2009 年屬大洪水年階段。

圖2 英雄橋站洪峰流量模比系數差積曲線

2.2 設計洪水計算

①洪峰模數法

參證站英雄橋水文站自1958 年～2009 年設站以來，已有51 年連續實測年最大洪峰流量系列，對于1953 年調查洪峰流量作為特大值處理，并加入洪峰流量系列進行頻率計算，重現期為62 年。以英雄橋水文站不同頻率設計洪峰流量除以流域面積F（924 km2），得到英雄橋水文站以上流域的設計洪峰模數。英雄橋水文站以上流域設計洪峰模數成果，見表1。

表1 英雄橋站以上流域洪峰流量模數成果表

將英雄橋水文站以上流域的設計洪峰模數用于工程場址各水文計算斷面，計算得到工程場址各水文斷面設計洪峰流量，其計算公式采用下式計算。

式中：Qp河道斷面設計洪峰流量，m3/s；Mp計算依據站設計洪峰流量模數，m3/（s·km2）；F 河道斷面以上集水面積，km2。

②推理公式法

結合參證站英雄橋水文站最大24 小時的設計雨量，推求工程區的設計洪水。

式中：Qm洪峰流量，m3/s；h 在全面匯流時代表相應于 τ 時間的最大凈雨，在部分匯流時代表單一洪峰的凈雨，mm；F 流域面積，km2；τ 流域匯流歷時，h；m 匯流參數；L 沿主河從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；J 沿流程L 的平均比降。

為減少設計成果計算方法單一造成的一些弊端，本次設計洪峰流量分別采用洪峰模數法、推理公式進行計算，對兩種方法的計算成果進行合理分析，計算成果見表2。

表2 設計洪峰流量計算成果

通過以上計算分析，用洪峰模數法計算設計洪峰流量時，結果相對偏小。采用推理法，能反映流域基本特征，較合理。因此，推薦采用推理公式法的計算10 年一遇洪峰流量24.2 m3/s作為護岸工程設計洪峰流量。

2.3 水面線推求

計算采用水文分析計算中河道水面線推斷計算水面線。計算橫斷面根據實測河道橫斷面，河道糙率依據河床特性參照《水力計算手冊》表8-1-18 天然河道糙率表選取，選取時考慮河道兩側及河底為天然河岸、河床，其綜合糙率采用0.040。

根據設計堤距、天然河道各橫斷面的地形點資料、各斷面平均糙率以及起始斷面水位，按照伯努力方程逐段試算，求出各斷面的水位。

計算采用的伯努力方程如下：

式中：Z1、V1為斷面 1 的水位和流速；Z2、V2為斷面 2 的水位和流速；hw＝hy+hj為斷面 1 到斷面 2 之間的總水頭損失；hy＝j×ΔL，為沿程水頭損失；j＝V2/（C2R），為沿程摩阻坡度；V、C、R為斷面1 和斷面2 的平均流速、平均流速系數、平均水力半徑；ΔL 為兩斷面間的距離；hj＝-ξ（V12/2g-V22/2g），為局部水頭損失；ξ 為河段的局部阻力系數。

水面線計算結果見表3。

表3 水面線計算表

2.4 堤頂高度確定

堤頂超高按照下式計算確定。

式中：y 堤頂超高，m；R 設計波浪爬高，m；e 設計風壅水面高度，m；A 安全超高，取 0.5 m。

根據表4，確定本工程的安全超高為0.8 m，故護岸高度結果見表5。

表4 堤頂超高計算

表5 護岸高度計算表

3 護岸斷面設計

針對采用不同的護坡材料，考慮采用以下2 個方案進行方案比選。

方案一：漿砌卵石斜坡式護岸+格賓護坡。

護岸迎水面邊坡設計開挖基礎至護岸腳以上30 cm～50 cm范圍內采用C25F200 細石混凝土砌卵石，卵石厚30 cm，邊坡1∶1.5；護岸腳以上30 cm～50 cm 至護岸頂高程采用30 cm 厚格賓網墊護坡，邊坡1∶1.75。背水面邊坡1∶1.5。

方案二：C20F200 現澆砼斜坡式護岸。

護岸迎水面襯砌材料及基礎均采用C25 現澆砼，邊坡系數為1∶1.5，背水面邊坡系數為1∶1.5，行洪斷面河床以上0.5 m砼板厚20 cm，行洪斷面河床0.5 m 以上砼板厚15 cm。

針對采用不同的護坡材料，以及不同的堤基處理辦法，考慮采用以下2 個方案進行方案比選。

表6 橫斷面方案型式比選表

經過方案比選，方案一投資較省，抗凍性好，項目區已建護岸均為漿砌卵石襯砌形式，因而本次設計推薦方案一。

4 結論

（1）水位線推求是堤防設計工程的重要參數，結合水文、氣象資料和現場實際調查結果，采用推理法計算的設計洪水結果較為合理。

（2）根據河床現狀和水位手冊推薦值，確定河道糙率為0.040，采用伯努利方程確定河道不同斷面的水位，為堤防設計提供參考。

（3）通過方案比選，選擇砼砌卵石護岸具有投資低、抗凍性能好等優勢，可作為西白楊溝治理段河道護岸材料。