戛灑江山區天然河段水面線防洪計算中的應用

◎高貴興 吳玉婷 云南潤亞工程技術咨詢有限公司

新平縣大開門至戛灑高速公路是玉溪至臨滄至孟定口岸高速公路中的一段，位于玉溪市新平縣境內。是云南省骨架路網的橫向重要組成部分，項目建設不僅可加快玉溪市公路的高等級化，還能提升玉溪市整體路網水平和通行能力。形成連接滇東、西部、滇南通往省外和國外的重要通道，對帶動沿線社會經濟發展等具有重要意義。

1.工程概況

如圖1所示，工程項目起點位于玉溪市新平縣大開門村附近，通過設置大開門樞紐立交與昆磨高速相連。戛灑江特大橋為大開門至戛灑高速公路橫跨戛灑江所設，所處位置隸屬新平縣阿西莫村所轄，主要目的是連通大開門至戛灑高速公路。戛灑江特大橋施工便橋位于戛灑江特大橋下游約70m處，橫跨戛灑江，所處位置隸屬新平縣阿西莫村所轄，主要目的是服務戛灑江特大橋施工使用，戛灑江特大橋施工完畢后拆除。

圖1 大開門～新平（戛灑）高速路網規劃位置圖

2.水文分析計算

2.1 洪水計算內容及方法途徑

（1）戛灑江洪水計算內容及方法途徑。本次洪水計算內容主要為分析戛灑江特大橋段戛灑江河道洪水及相應洪水水位。戛灑江特大橋下游約4.9km處為國道G227跨戛灑江大橋，G227跨戛灑江大橋下游約250m處河道順直，斷面規整，水流近似為明渠均勻流，故考慮選擇該斷面為起推斷面。起推斷面至戛灑江特大橋斷面區間徑流面積較小，僅占起推斷面以上戛灑江流域面積0.28%，且區間無較大匯水口，故洪峰流量統一采用起推斷面處洪峰流量進行分析。起推斷面以上流域面積約19371km2，徑流面積遠大于1000km2，不宜采用暴雨徑流法和推理公式法計算洪水。起推斷面下游約73km處設有元江站，元江站收集的洪水序列已有66年，且有1年歷史特大洪水，已經具有代表性。元江站徑流面積21554km2，起推斷面至元江站之間無蓄洪設施，因此可采用水文比擬法計算設計斷面洪水。

（2）截水溝洪水計算內容及方法途徑。斗牛場棄渣場上游靠近G227國道，國道排水溝截走上游匯水，因此，截水溝主要匯水為棄渣場平臺及坡面匯水。棄渣場截水溝設計洪水采用《水土保持工程設計規范》中經驗公式計算。

2.2 設計洪水分析

2.2.1 元江站洪水分析

本次收集元江站1953年—2018年實測洪水，共66年，加上歷史1次特大洪水組成不連序洪水系列為頻率分析的樣本。其中實測值最大值為1986年的7520m3/s，第二大為1971年的4260m3/s，實測最大值比第二大值大76.5%，考慮將1986年的洪水作為特大值處理，故元江站特大值項為2項。統計參數采用矩法公式計算值為初估值，頻率曲線線型采用P-Ⅲ型，經目估適線法合理確定統計參數及設計值。不連續序列矩法公式如下。

特大洪水：

實測洪水：

式中：N—重現期，最遠調查期為1908年，至今111年，故取111年；n—實測值個數，取66個；a—特大值項數，取2項；L—從實測值中抽出的特大值項數，取1項；M—特大值排序，取1～2；m—實測值排序，取1～65。元江站洪水成果見表1，頻率曲線見圖2。

圖2 元江站洪水頻率曲線

2.2.2 元江站洪水合理性分析

為復核元江站洪水合理性，采用本方案計算成果與《紅河干流梯級開發的生態影響研究》中元江站成果進行對比分析，該研究中采用的元江站資料為1957年～2009年，該報告由中水珠江設計公司編制，并于2014 年9月12日由水利部國際合作與科技司、水利部財政司組織驗收，成果可靠。經對比分析，本方案計算所得元江站洪水均值為1825m3/s，較收集到的元江站洪水均值1930m3/s小5.44%，但是本項目采用的CV值比收集到的CV值大0.1，經計算，各頻率下對應的設計洪水比收集到的大0.91%～3.05%。主要原因是因為本次收集水文序列加長，數據越趨于合理，Cv變大，CS值降低，符合一般規律。綜上所述，本方案采用元江站特征參數符合流域特性，取值合理。

2.2.3 元江站枯期洪水分析

收集元江水文站1953年—2019年實測洪水，共66年連序洪水系列為頻率分析的樣本，統計參數采用矩法計算值為初估值，頻率曲線線型采用P-Ⅲ型，經目估適線法合理確定統計參數及設計值，成果見表2。

表2 元江站枯期洪水成果表

3.洪水影響分析計算

3.1 防洪標準

戛灑江特大橋全長982.08m，屬于高速公路特大橋，設計洪水頻率采用300年一遇。項目施工便橋主要功能為聯通本項目戛灑江兩岸施工便道，施工便道道路級別為4級，施工便橋全長84m，屬于中橋，鑒于本項目施工便橋為臨時便橋，其防洪標準與戛灑江該段河道防洪標準一致。

3.2 地形資料

2019年8月，對G227國道跨戛灑江特大橋下游0.5km、上游1.2km范圍內河道地形進行了測量，比例為1:1000，高程系統采用1985國家高程基準，平面坐標采用CGCS2000坐標系。2020年7月，對該段河道向上游進行延伸補測，補測河段延伸至戛灑江特大橋上游300m，補測河段長度3.6km。總測量河道長度5.3km，起點為G227國道跨戛灑江特大橋下游500m，止點為戛灑江特大橋上游300m。戛灑江特大橋修建過程中，局部改變該段河道微地形，高速公路前期設計時，對高速公路沿線條帶地形進行了測量，比例為1:2000，戛灑江特大橋段河道原始地形采用高速公路測量地形進行修正。斗牛場段建筑物未修改戛灑江行洪斷面，河床地形無較大變化。

表4 考慮施工便橋江300年1遇（P=0.33%）洪水位計算成果

3.3 起推斷面洪水位計算

模型計算工況主要根據下勢面條件變化來確定，本項目僅有戛灑江特大橋施工便橋位于河床中，故本項目工況分兩種情況：1）戛灑江特大橋施工便橋建橋前；2）戛灑江特大橋施工便橋建橋后。本方案考慮把G227跨戛灑江大橋下游約250m處斷面作為起推斷面，起推斷面河道規整，河段順直，河床底坡0.012，坡度較陡，受下游水位影響較小。起推斷面斷面圖見圖3。

圖3 起推斷面位置圖

起推斷面河床底坡0.012，坡度較陡，計算該斷面臨界水位與正常水位進行對比，選取大值作為起推水位。試算求解設計洪水時相應的臨界水位及臨界坡度。根據計算成果，各設計頻率下均為急流，正常水位低于臨界水位，取臨界水位作為起推斷面起推水位，如表3所示和圖4所示。

圖4 起推斷面正常水位與臨界水位對比圖

表3 起推斷面正常水位與臨界水位計對比表

3.4 起推斷面洪水位成果復核

起推斷面為天然河道，河床卵石分布，根據現場調查及歷史影響調查，起推斷面2011年G227國道修建完成后無較大人為活動，河道為天然演變。根據元江水文站洪峰流量資料，2009至2018年近十年內最大洪峰流量為2015年的2160m3/s。起推斷面洪峰流量采用水文比擬法計算為2012m3/s，相應的臨界水深為481.43m。根據現狀調查，起推斷面現有洪痕高程為481.27m，方案采取的起推洪水位大于洪痕0.16m，且誤差較小，故認為本方案采用臨界水位作為起推水位滿足要求。

4.戛灑江涉及河段水面線計算成果分析

根據確定的河道洪水、綜合糙率、實測縱橫斷面資料、起推水位等邊界條件，按明渠恒定非均勻漸變流公式分段求和法自下而上逐段試算各控 制斷面洪水位，將洪水位相連后得河道水面曲線。戛灑江涉及河段不考慮施工便橋各防洪標下水面線成果如下：

水面線成果率定。如表5所示，根據現場調查，項目區涉及河段為戛灑江上游天然河道，缺少相關水文觀測資料及其他水工程參考資料，項目區水面線率定采用本項目涉及河段2020年7月30日航測水面線成果進行率定。根據調查成果，航測時段起推斷面高程為478.47m，相應的流量為251m3/s。本次采用相同模型計算水面線成果與航測成果進行對比分析。對比結果如下：根據上表，洪峰流量251m3/s時，航測水面線與模型計算水面誤差較小，正負誤差均在0.3m以內，且大部分河段模型計算水面線大于航測水面線，另外，模型計算水面線與航測水面線趨勢一致，故認為本方案一維模型合理，計算成果可靠。

5.結論

水利工程能夠發揮出積極的防洪作用，可以強化抗水災的能力，適當地減少人們受災的損失。當前國家經濟形勢下，跨河橋梁工程日益增多，其對所經水域防洪水平會產生各異影響，對其防洪影響進行科學評價，可有效進行工程管理，確保其建設符合防洪標準，有利于當地水域防洪抗澇。本文模型計算水面線與航測水面線趨勢一致，從水力要素沿程變化分布看，在坡度基本一致的條件下，符合水流沿程變化的一般性規律；將水面比降與河床坡度比較看，水面比降與河床坡度基本吻合，符合河道洪水運動的水力特性；從流態變化看，坡度大時水面曲線陡，坡度緩則水面線趨于平緩，且與上下游銜接較好。綜上所述，水面曲線成果基本合理，模型計算成果可靠，可作為防洪影響評價依據之一。