過水路面涵管橋防洪影響評價及方案優(yōu)化探討

彭江鴻

（湖北省荊州市水文水資源勘測局,湖北 荊州 434000）

1 工程概況

某公司投資年產200 萬t石灰?guī)r及加工開采項目。礦區(qū)位于B河道右側,B河道左右兩岸為山體石灰?guī)r石,居民住宅零星分散,由于B河道右側無道路通往礦區(qū),根據(jù)現(xiàn)場查勘,需在B河道上新建一座過河便道從左岸通往對岸礦區(qū),其河道上游無其他水利工程,下游約800 m處有一座B河橋。河道走勢及工程位置見圖1、圖2,涵管橋所處河道斷面為控制斷面。涵管橋中心線與河道夾角42°,寬7.5 m,共8孔,孔徑1 m,橋頂高程為149.2 m（1985 國家高程）,承雨面積64.2 km2,主河道長度15 km,河道坡降10‰。據(jù)洪水調查,2014 年B河道發(fā)生一場5 年一遇洪水,水位距B河橋面以下約0.5 m處,已淹沒地勢偏低的房屋、農田,B河道防洪標準10 年一遇。

圖1 河道走勢圖

圖2 流域面積及工程位置示意圖

該項目初步設計方案過河便道采用過水路面涵管橋（簡稱涵管橋）,根據(jù)《中華人民共和國防洪法》相關規(guī)定,對涵管橋進行防洪影響評價。

2 防洪評價計算

本次洪水計算采用瞬時單位線法、地區(qū)經驗公式法和推理公式法三種方法。設計洪水頻率P分別為95%、50%、20%、10%、5%、2%、1%。

2.1 瞬時單位線法推求設計洪水

2.2.1 設計暴雨

根據(jù)涵管橋河段以上流域形心位置查相關圖集得出設計點雨量均值H和變差系數(shù)Cv。

1 小時：H1=49 mm,Cv=0.48；

6 小時：H6=84 mm,Cv=0.48；

24 小時：H24=122 mm,Cv=0.47。

設計暴雨點雨量Hp點=Hkp,kp查CS=3.5CVP-Ⅲ型曲線。涵管橋河段短歷時點暴雨資料Kp值見表1。

表1 涵管橋河段短歷時點暴雨資料Kp值

采用點面系數(shù)法計算各時段面雨量：

各歷時面雨量兩兩相減,即得各個Δt=1 h的時段面雨量。涵管橋河段設計點面暴雨成果見表2。

表2 涵管橋河段設計點面暴雨成果表

設計凈雨按扣除初損和穩(wěn)損的方法推求[1]。凈雨時段Δt為1 小時,與瞬時單位線時段一致,凈雨歷時tc為12小時。按設計雨型排列后的面雨量過程順次扣除初損22.5 mm后再扣除穩(wěn)損,即可求得設計凈雨過程,其中穩(wěn)損計算公式為：

式中：R24為24 h總徑流深,mm,R24=H24面-22.5。

2.1.2 工程所處河段匯流計算

①地表徑流

地表徑流按瞬時單位線法進行產匯流計算,該流域位于水文分區(qū)第Ⅶ區(qū),其瞬時單位線參數(shù)計算公式為：

式中：F為流域面積,km2；L為主河道長,km；J為主河道比降,‰。

②地下徑流

β為退水指數(shù),β=0.133F-0.28；T為地面徑流過程底寬。

③設計洪水過程

將地表徑流和地下徑流疊加即可得出設計洪水過程。

2.2 地區(qū)經驗公式計算設計洪水

可參考中小流域洪峰流量地區(qū)經驗公式推算法,計算公式為：

式中：Qm為相應頻率的洪峰流量,m3/s；K為與流域面積、形狀有關的綜合系數(shù),取0.590；β為造峰指數(shù),取1.4 ；Ht為造峰雨量,mm。

2.3 推理公式法計算設計洪水

小流域設計洪峰流量推理公式法計算公式為：

式中：Qm為設計洪峰流量；K1、K2、K3、K4為暴雨遞減指數(shù)n的函數(shù)；s為雨力；m為匯流參數(shù)；u為損失參數(shù)；為流域特征參數(shù)；F為流域面積,km2。

2.4 洪水成果合理性檢查

三種方法比較,推理公式法計算結果偏小,瞬時單位線法和經驗公式法計算成果接近,2 年一遇設計洪水瞬時單位線法推算結果與小流域地區(qū)經驗公式法推算結果十分接近。由于地區(qū)經驗公式法采用24 h點暴雨資料,沒有考慮流域坡降,不適合流域匯流特點。綜合三種方法比較（表3）,本次推薦采用瞬時單位線法推求的設計值。

表3 控制斷面不同計算方法推求洪水成果比較

2.5 壅水分析計算

涵管橋前最大壅水高度采用道不松公式[2]為：

式中：L為壅水曲線長度,m；I為水面比降。

經計算,涵管橋前最大壅水高度1.84 m,最大壅水曲線長度368 m。上游住戶較少,因此影響較小。但應注意堆料場的位置,避免被洪水淹沒。

2.6 沖刷分析計算

涵管橋河段處河床質為沖洪積卵石土層、風化石。工程建成后,根據(jù)《公路工程水文勘測設計規(guī)范》（JTJ 062-2002）,按照非黏性土,一般沖刷深度按公式7.3.1-1 計算,涵管橋局部沖刷按公式7.4.1-8 計算。

經計算,涵管橋一般沖刷最大水深為7.77 m,最大沖坑深為3.2 m,嚴重侵蝕河床,影響河床穩(wěn)定,需采取措施保護河床,涵管橋基礎應在沖刷線2 m以下。涵管橋處洪水頻率為95%、50%、20%、10%、5%、2%、1%的局部沖刷深度分別為0.03 m、0.10 m、0.14 m、0.16 m、0.17 m、0.19 m、0.20 m。相對于主河槽寬達22 m的B河道,來水不會造成明顯變化,基本可以防范下游河床的河勢擺動。

3 防洪綜合評價

3.1 不同工況條件下河道行洪安全

（1）橋面非淹沒時涵管橋過流能力驗算

此工況涵管按照短洞有壓流計算,涵管過流能力計算公式為：

式中：n為涵管數(shù)；μc為管道流量系數(shù)；A為單孔涵管過水斷面面積,m2；?Z為水頭差,m。計算結果Qd=15 m3/s,可見涵管過流能力小于設計洪水頻率95%時控制斷面流量45 m3/s,極易發(fā)生漫水。

（2）橋面淹沒時涵管橋過流能力計算

當橋面淹沒時,底孔按短洞有壓流計算,橋面按寬頂堰流計算公式為：

式中：δc為側收縮系數(shù)；m為自由溢流的流量系數(shù),與堰型、堰高等有關；b為堰頂寬度,即橋面總長,m；H為包括行近流速水頭的堰前水頭,m；Vo為行近流速水頭,m/s。

涵管橋過流能力Qz=Qm+Qd。不同頻率條件下涵管橋過流能力及控制斷面設計流量見表4,涵管橋過流能力接近50 年一遇洪水。當涵管橋淹沒時,控制斷面滿足河道過流能力。

表4 不同頻率條件下涵管橋過流能力及控制斷面設計流量

3.2 不同頻率洪水條件下生產安全分析

（1）不同頻率洪水條件下生產安全

由圖3 涵管橋所處河道橫斷面右岸岸坡高程為149.8 m,左岸進場道路高程為150.8 m。通過洪水分析和壅水計算,2 年一遇洪峰流量為124 m3/s時,水位為150.34 m,已經超過河道右岸岸坡高程,5 年一遇洪峰流量為211 m3/s時,水位為151.18 m,超過左岸道路高程,淹沒進場道路,影響生產進度和安全。

（2）影響涵管橋通行天數(shù)分析

涵管橋面高程149.2 m,當涵管橋所處河道斷面水位達149.5 m時,將會影響涵管橋、人員及車輛通行。因此,影響生產安全的臨界水位為149.5 m,臨界流量為45.4 m3/s,推算臨界雨量為55.7 mm。B河道橫斷面測量見圖3。

圖3 B河道橫斷面測量圖

以工程附近一處雨量站為代表站,選取1970 年、1983 年、1991 年、2006 年、2014 年5 年代表年,分析逐日雨量,平均超過臨界雨量15 d,豐水年日降雨量超過臨界雨量的洪水過程歷時約20 d~35 d,可以保證生產天數(shù),建議在洪水過程中暫停施工,進行其它作業(yè)和機械維修,盡量不影響生產的進度與安全。

3.3 綜合影響分析

當洪水頻率超過涵管橋設計洪水標準,將會影響下游B河橋的堵塞和橋墩安全,因此涵管橋的設計標準應該高于B河橋。

洪水壅高增加上游淹沒面積和淹沒深度,影響沿河房屋農田安全,應該將低水位處居民住宅搬遷,做好相關補償工作。

涵管橋建成后斷面阻水面積增加,流速變大,左岸主槽會以沖刷為主,右岸略有淤積,建議采取相關措施護岸護底。

4 工程影響防治措施

工程建成以后,為防止水流對下游河底及河岸（尤其左岸）局部沖刷,建議在河道兩岸嚴格夯實恢復原貌,采取護岸護底措施,防止過橋水流對兩岸坡腳處的沖刷誘發(fā)山體滑坡。

由于涵管橋基礎結構較大,應該采取相關措施及時清除上游漂浮物及清淤,防止漂浮物對水流的影響。礦區(qū)沿河道修建擋砂墻,防止砂土流失淤塞河道。

制定工程施工度汛方案及防洪搶險應急預案,建立完善的管理規(guī)章制度和檔案,規(guī)定規(guī)范施工人員的活動范圍,確保安全；對棄土、棄渣等要有及時的處置措施。

加強天氣預報及水情測報,密切關注B河道上游水雨情信息,保障項目生產安全。同時在工程斷面及進出場的路段設置警示標志牌,當水位達到149.5 m,嚴禁人員和車輛通行。

5 涉河過道方案及探討

涵管橋易被洪水淹沒影響生產天數(shù),由于斷面阻水面積較大,易形成壅水和沖刷,必須做好河床防護措施,為減小洪水通過橋面時的影響,提出皮帶輸送機和漫水橋兩種方案以供參考。

（1）跨河皮帶輸送機

河道兩岸各設置一處鋼支架,皮帶輸送機跨B河道,將右岸礦區(qū)礦料裝入皮帶輸送機料斗,通過皮帶輸送機將礦料送至左岸,直接裝入運輸車輛。皮帶輸送機底部高程應不低于100 年一遇洪水水位、壅高水位與安全超高三者之和。當洪水較大時,利用皮帶傳輸機輸送石料利于生產進度和人員設備的安全,且不受洪水淹沒限制,可以更好滿足生產時間要求。

（2）漫水橋

漫水橋是建立在河流上的簡易橋梁,水位上漲時可以漫過橋面,但相較涵管橋減小了河道阻水面積,利于河道行洪安全,且成本較低[4]。

6 結論

本文對涵管橋進行防洪影響評價,通過驗算涵管橋過流能力,分析不同頻率洪水條件下的生產安全及影響通行天數(shù),提出工程影響防治措施。建議項目可行性研究及初步設計階段應綜合考慮洪水對涉河過道的影響及涉河過道對行洪的影響,選擇最優(yōu)方案。皮帶輸送機和漫水橋兩種涉河過道方案防洪影響有待進一步研究。