山區(qū)河流堤防工程導(dǎo)流設(shè)計(jì)

顧 威

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

山區(qū)河流的堤防建設(shè)對(duì)兩岸人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全具有重要作用。堤防工程設(shè)計(jì)施工過程中，對(duì)施工期導(dǎo)流的分析涉及的工程安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面，是施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。山區(qū)河流的水流屬于非恒定漸變流，滿足圣維南方程組，但常規(guī)的河道水面線計(jì)算一般采用對(duì)應(yīng)流量的恒定的非均勻流方程，即伯努利方程的分段試算法。該方法根據(jù)恒定流量和上下游斷面水位，按照能量守恒原理計(jì)算水面線，但由于天然河道的洪水多為非恒定流過程，且河道斷面沿程變化，能量系數(shù)修正較煩瑣，因此該方法具有一定的局限性[1]。本文結(jié)合MIKE11 對(duì)施工期導(dǎo)流進(jìn)行比選設(shè)計(jì)，根據(jù)流量過程、上下游水位變化過程，按照質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理進(jìn)行水力計(jì)算，適用于復(fù)雜河道、不同洪水流態(tài)下的水力計(jì)算，模型適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。

1 項(xiàng)目概況

某山區(qū)河流堤防工程的建設(shè)任務(wù)以防洪護(hù)岸為主，兼有水土保持和美化環(huán)境等。新建堤防段總長(zhǎng)2 000 m，位于河道左岸。工程河堤結(jié)構(gòu)型式為：格賓石籠鎮(zhèn)腳+ 碾壓回填體（上覆三維水土保護(hù)毯）+ 人行步道。根據(jù)現(xiàn)狀邊坡高度分為一級(jí)護(hù)坡或二級(jí)護(hù)坡。

工程所在區(qū)域防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a 一遇，堤防級(jí)別為2 級(jí)，主要護(hù)岸建筑物工程按2 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，臨時(shí)建筑物為4 級(jí)。工程河段枯水期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用10 a一遇洪水重現(xiàn)期，汛期度汛標(biāo)準(zhǔn)采用10 a 一遇洪水重現(xiàn)期。

2 MIKE11 計(jì)算原理[2]

2.1 控制方程組

MIKE11 主要適用于河口、河流、灌溉渠道，以及其他水體的模擬一維水動(dòng)力、水質(zhì)和泥沙運(yùn)輸。MIKE11 是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。軟件計(jì)算為非恒定流計(jì)算，計(jì)算時(shí)同時(shí)輸入整個(gè)過程、水面線成果提取最高水位，即對(duì)應(yīng)的最大流量水面線為計(jì)算成果。

無旁側(cè)入流方程組的具體形式如下:

式中：x、t 分別為空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；Q、h 分別為斷面流量和水位；A、R 分別為斷面過流面積和水力半徑；B 為河寬；C 為謝才系數(shù)；g 為重力加速度；α 為垂向流速分布系數(shù)。

式（1）為連續(xù)性方程，反映了河道中的水量平衡。式（2）為運(yùn)動(dòng)方程，其中第一項(xiàng)反映某固定點(diǎn)的局部加速度，第二項(xiàng)反映由于流速的空間不均勻引起的對(duì)流加速度，前兩場(chǎng)合稱為慣性項(xiàng)；第三項(xiàng)反映了水深的影響，為壓力項(xiàng)；第四項(xiàng)反映了摩阻和底坡的影響。

2.2 方程的基本假定

圣維南方程組的基本假定為：流速沿整個(gè)過水?dāng)嗝婢鶆蚍植迹捎闷骄荡?。不考慮水流垂直方向的交換和垂直加速度，從而可假設(shè)水壓力為靜水壓力分布，即與水深成正比，河床比降小，其傾角的正切與正弦值近似相等。水流為漸變流動(dòng)，每一小段水面曲線近似水平。

2.3 模型概化及相關(guān)參數(shù)

河流上對(duì)水位具有控制下作用的為橋、堰等涉河構(gòu)筑物，模型采用工程區(qū)段下游的攔河堰作為控制斷面，確定水位流量關(guān)系。在流量、控制斷面水位后，根據(jù)率定河道糙率0.038，即可采用MIKE11 一維水流數(shù)學(xué)模型推算的施工期洪水水面線成果。

3 導(dǎo)流時(shí)段比選

導(dǎo)流時(shí)段的選取主要從以下兩方面考慮：

（1）根據(jù)工程所在河流的水文特性分析，洪枯流量變化較大。

（2）根據(jù)防洪要求，盡量將防洪堤安排在一個(gè)枯水期內(nèi)完成，滿足汛期度汛需要。

根據(jù)國(guó)內(nèi)同類型堤防的施工經(jīng)驗(yàn)，選擇導(dǎo)流時(shí)段為枯水期，根據(jù)設(shè)計(jì)各河流段的工量和施工條件，枯水期時(shí)段選擇如下：

工程區(qū)洪水有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，每年3 月下旬開始，隨著降雨量增加，流量也逐漸加大。3 月為汛前過渡期，4—9 月為汛期，主要洪水集中在5—9月，年最大流量基本上發(fā)生在本期內(nèi)。10 月、11 月屬汛后過渡期，隨著降雨量減少，洪水也小。12 月至翌年2 月，徑流主要由地下水補(bǔ)給，為穩(wěn)定退水期。根據(jù)本流域降雨、洪水特性和施工設(shè)計(jì)安排，將全年劃分為主汛期5—9 月，非汛期2 月、3 月、4 月、10 月、11 月、12 月至翌年1 月、11 月至翌年3 月等8 個(gè)分期。由于工期1 個(gè)月的施工時(shí)段短，需要的施工機(jī)械設(shè)備、投入的物資強(qiáng)度較大，對(duì)工程工期沒有可調(diào)節(jié)的余地，不考慮1 個(gè)月施工時(shí)段。工期6 個(gè)月及以上的施工時(shí)段太長(zhǎng)，導(dǎo)流圍堰等臨時(shí)工程量變大，投入的人力、物力加大，故不考慮。

根據(jù)工程需要，初選12 月至翌年1 月、12 月至翌年2 月、11 月至翌年3 月3 個(gè)分期時(shí)段進(jìn)行比選，相應(yīng)分期洪水成果見表1。

表1 工程各斷面分期洪水計(jì)算成果

項(xiàng)目主要工程措施為堤防護(hù)岸。該段河道堤防采用縱向圍堰擋水，束窄的河床泄流的導(dǎo)流方式，工程右岸河道導(dǎo)流、左岸施工。

擬對(duì)12 月至翌年1 月（2 個(gè)月，方案1）、12 月至翌年2 月（3 個(gè)月，方案2）、12 月至翌年3 月（4 個(gè)月，方案3）3 個(gè)時(shí)段從水文、工程造價(jià)和施工安全等方面進(jìn)行比選。

工程河段下游的寬頂堰對(duì)上游水位起到良好的控制作用，因此將該斷面選為工程河段設(shè)計(jì)洪水水面線計(jì)算的控制斷面。

控制斷面水位流量關(guān)系曲線（見圖1）同樣用寬頂堰堰流公式推算，溢流凈寬36.5 m，堰頂高程338.65 m，流量系數(shù)為0.34，側(cè)收縮系數(shù)為0.97。

圖1 工程河段控制斷面水位流量關(guān)系曲線（保留攔河堰方案）

寬頂堰堰流公式如下：

利用MIKE11 進(jìn)行水文計(jì)算，天然河道水面線直接采用ArcGIS 將橫斷面提取出來，然后導(dǎo)入MIKE11 進(jìn)行計(jì)算。由水文調(diào)查結(jié)果比對(duì)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)率定糙率。率定結(jié)果為10 a 一遇洪水位水面線計(jì)算采用糙率為0.038。水面線計(jì)算成果見圖2。導(dǎo)流時(shí)段比選見表2。

表2 導(dǎo)流時(shí)段比選（以保留攔河堰方案為例）

圖2 導(dǎo)流時(shí)段比選水面線計(jì)算結(jié)果

方案三比方案二的施工工期增加1 個(gè)月，但方案三的導(dǎo)流流量比方案二增加較多，水位增加0.63 m。圍堰建筑物造價(jià)多約39.99 萬元，導(dǎo)流工程投資增加十分明顯，且工程無必要花4 個(gè)月時(shí)間導(dǎo)流。

方案一與方案二的流量相差不大，方案一水位比方案二降低0.01 m，圍堰建筑物造價(jià)減少約2.26 萬元。但方案一堤防施工工期減少了1 個(gè)月，由于工程堤線較長(zhǎng)，較短時(shí)間無法完成基礎(chǔ)施工，若增加機(jī)械設(shè)備趕工，投資明增加，不經(jīng)濟(jì)也不合理。

綜合比較各方案導(dǎo)流方式優(yōu)缺點(diǎn)和導(dǎo)流工程投資后，導(dǎo)流時(shí)段選擇方案二，即枯水時(shí)段12 月至翌年2 月，相應(yīng)10 a 一遇導(dǎo)流流量為：P10%=13.50 m3/s。

4 導(dǎo)流方式比選

水利工程導(dǎo)流方式主要有分段圍堰法、全段圍堰法。分段圍堰法為利用圍堰將水工建筑物分段分期維護(hù)進(jìn)行施工的方法。所謂分段，就是在空間上將永久建筑物分為若干段進(jìn)行施工。所謂分期，就是在時(shí)間上將導(dǎo)流分為若干個(gè)時(shí)期，比如河道左右岸分別采用縱向圍堰分期實(shí)施。分段圍堰法一般適用于河床較寬、流量大的工程。全段圍堰法為工程上下游各建一道圍堰，使水流經(jīng)河床以外的臨時(shí)或就用泄水通道，如隧洞、涵管、臨時(shí)明渠等下泄。主體工程建成后，再將臨時(shí)泄水通道封堵。

工程區(qū)域河寬30～50 m，主要工程措施為堤防護(hù)岸，并且主要為河道左岸。經(jīng)綜上考慮，該段河道堤防采用分段圍堰法，縱向圍堰擋水，束窄的河床泄流，右岸導(dǎo)流，左岸施工的導(dǎo)流方式。

工程施工期水位主要受工程區(qū)下游約903 m 處的一座小型電站攔河堰的影響。此攔河堰結(jié)構(gòu)為漿砌石結(jié)構(gòu)。堰頂高程為338.65 m，堰底高程為335.85 m，堰高2.8 m。堰體迎水面和背水面均直立，堰寬2.5 m。工程施工期可拆除部分?jǐn)r河堰，降低控制斷面的水深，從而減少施工圍堰的工程造價(jià)，但拆除攔河堰會(huì)對(duì)電站造成發(fā)電效益損失，需給予相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。擬對(duì)攔河堰拆除與否及拆除的寬度分別進(jìn)行比選后確定合理的導(dǎo)流方式。

4.1 攔河堰拆除寬度比選

工程擬拆除攔河堰高度為2.8 m，以下就拆除堰體中心段寬3.0 m 和寬5.0 m 進(jìn)行比選。水位位于堰頂高程之上時(shí)，控制斷面水位流量關(guān)系曲線用無底坎寬頂堰堰流公式[式（3）]推算，寬頂堰凈寬36.5 m，溢流寬度分別為3 m 和5 m，堰頂高程為335.85 m，流量系數(shù)分別為0.322 和0.323。該控制斷面水位流量關(guān)系曲線見圖3。

圖3 工程河段控制斷面水位流量關(guān)系成果圖（拆除攔河堰方案）

利用MIKE11 進(jìn)行水文計(jì)算，水面線計(jì)算成果見圖4。

圖4 攔河堰拆除寬度比選水面線計(jì)算結(jié)果

經(jīng)水文計(jì)算，施工導(dǎo)流拆除堰體中心段3.0 m 寬施工期10 a 一遇水位338.00～338.15 m；拆除堰體中心段5.0 m 寬，施工期10 a 一遇水位337.38～337.68 m，施工期水位能大幅度降低，能減少臨時(shí)圍堰量和保證施工期安全。施工導(dǎo)流選擇拆除攔水堰堰體中心段5.0 m 寬，拆除高度為2.8 m。

4.2 導(dǎo)流方式比選

該電站總裝機(jī)900 kW，年發(fā)電量304 萬kW·h，枯水期發(fā)電75 萬kW·h，施工期電站效益為23.4 萬元。利用MIKE11 進(jìn)行水文計(jì)算，水面線計(jì)算成果見圖5。根據(jù)水面線計(jì)算成果確定圍堰高度，從經(jīng)濟(jì)合理性方面對(duì)是否拆除攔河堰進(jìn)行比選（見表3）。

圖5 攔河堰是否拆除比選水面線計(jì)算結(jié)果

表3 導(dǎo)流方式比選

經(jīng)比選，拆除攔河堰施工方案導(dǎo)流費(fèi)用較少，并且有利于施工期安全，作為推薦方案。施工時(shí)對(duì)電站進(jìn)行補(bǔ)償，先拆除下游電站攔河壩中部5 m 寬，拆除高度為2.8 m，降低施工期水位。石籠鎮(zhèn)腳施工完成以后，恢復(fù)攔河堰。

5 導(dǎo)流工程設(shè)計(jì)

工程區(qū)域左岸堤防采用分段施工，每段長(zhǎng)80～100 m，通過初期排水和后續(xù)經(jīng)常性排水，確保堤防工程干地施工。

工程在一個(gè)枯水期內(nèi)完成，根據(jù)以上比選的導(dǎo)流方式和時(shí)段，導(dǎo)流全過程分為兩個(gè)階段。各階段分述如下：

第一階段：第一年12 月初拆除下游攔河堰中部5 m 寬的范圍，放水后至第二年2 月，在河道左岸布置縱向圍堰擋水，束窄河床泄流導(dǎo)流方式，河道右側(cè)泄流，左岸基坑施工。首先于河道堤腳線外側(cè)5 m 處填筑臨時(shí)圍堰，迎水面均采用黏土編織袋防滲。利用右側(cè)河道導(dǎo)流，進(jìn)行左岸基礎(chǔ)開挖和鎮(zhèn)腳澆筑，同時(shí)進(jìn)行部分堤體回填。各段3 月上旬開始拆除導(dǎo)流圍堰，并恢復(fù)攔河堰，導(dǎo)流程序結(jié)束。

第二階段：第二年3 月初至3 月底。繼續(xù)進(jìn)行堤體回填和堤防護(hù)岸施工。由于在第二年3 月前，各個(gè)區(qū)段的堤腳已施工完成，滿足堤防設(shè)計(jì)的正常工況運(yùn)行。該時(shí)段由河床泄流。

工程在汛期到來之前就已完成堤防基礎(chǔ)開挖，鎮(zhèn)腳施工均在枯期內(nèi)完成，不需要采取度汛措施。

干流采用河道左側(cè)修建縱向圍堰，右側(cè)導(dǎo)流，左岸堤防施工，進(jìn)行左岸基礎(chǔ)開挖和鎮(zhèn)腳澆筑，同時(shí)進(jìn)行部分堤體回填。堤體部分填筑完畢后，進(jìn)行圍堰拆除，導(dǎo)流結(jié)束。施工期水面線和圍堰高度見表4。

表4 施工期水位和圍堰高程 單位：m

枯期施工導(dǎo)流采用土石圍堰擋水，圍堰結(jié)構(gòu)見圖6，圍堰頂寬1.0 m，迎水面坡比為1∶1.5，面層采用復(fù)合土工膜防滲，并使用至少300 mm 厚黏土編織袋，背水面邊坡1∶1.0，最大堰高2.03 m，圍堰堰體采用開挖黏土料填筑。

圖6 圍堰斷面示意圖（單位：mm）

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）河道施工期水面線計(jì)算的結(jié)果正確與否影響整個(gè)河道導(dǎo)流工程的布置、工程量和投資，是導(dǎo)流設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。山區(qū)河道屬于非恒定流，伯努利方程并不完全適用，MIKE11 根據(jù)流量過程、上下游水位變化過程，按照質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理進(jìn)行水力計(jì)算，適用于天然河道導(dǎo)流工程的設(shè)計(jì)計(jì)算，模型適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。

（2）導(dǎo)流工程設(shè)計(jì)過程中需結(jié)合河道的實(shí)際情況，選擇合適的控制斷面，對(duì)導(dǎo)流的時(shí)段和方式進(jìn)行充分比選后，選擇經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的導(dǎo)流方案。