道太溪流域大畈村綜合治理工程設計分析

甄選俊

(云南省昭通市水利水電勘測設計研究院，云南 昭通 657000)

1 引言

河道具有防洪、排澇等作用，對城市發展建設有重大影響。在長期的人類工程活動影響下，部分河道已無法滿足現狀防洪需求，針對這一類型河道采取防洪綜合治理工程措施是十分必要的[1-4]。設計洪水參數是影響防洪工程設計的主要因素，需要結合流域實際情況，確定合理的防洪參數，保證河道沿線安全的同時降低工程投資[5-7]。道太溪流域是龍泉市重要的水系，流域范圍內經濟發展水平較高，一旦爆發洪水將造成不可估量的損失，亟需采取防洪治理工程。

2 設計洪水參數

道太溪流域洪水主要受到氣候影響，梅雨、臺風是造成流域洪水的主要原因。在地形、水汽輸送等因素影響下，流域范圍內暴雨差異較大。道太溪流域洪水的主要特征是洪峰量大、漲落速度快、水量集中，洪水過程一般在3 d 以內。道太溪流域洪水多發于5 月～9 月。通過1∶10000 地形圖對各設計河段的流域特性參數進行了量算。道太溪流域治理工程末斷面以上涉及道太溪干流河長23.50 km，集雨面積115.77 km3，河道平均比降0.014。

道太溪流域屬于濕潤地區，產流方式為超蓄產流，當土壤含水量不超過其持水量時，不產流。因此，區域降雨將全部被區域土壤吸收，直至達到持水量后方可產流。因此，考慮實際情況采用蓄滿產流簡易扣損法進行產流計算。

設計河段所控制的集雨面積由7.08 km2～115.77 km2變化，采用浙江省推理公式計算。

浙江省推理公式的一般形式為:

式中:Qm為洪峰流量，m/s3;h為凈雨;F為流域面積;τ為匯流歷時，h;l為出口斷面至分水嶺距離;J為沿流程比降;m為匯流參數。

表1 設計洪水成果表

水利計算范圍內各河道屬山溪河流，河道坡降較大，洪峰流量相應較大，水力計算采用山區性河道恒定非均勻流法，水面線采用HEC-ras 軟件計算。

(1)基本方程

河流連續下、上斷面能量函數為:

分別代表下游及上游斷面的能量函數，當流量Q不變時，E1=E2，則:

式中:Q為洪峰流量，m3/s ;V1、V2分別為上、下斷面的流速，m3/s;ΔL為上、下斷面間距，m;Z1、Z2分別為上、下斷面的水位，m;K1、K2分別為上、下斷面流速模數; 為阻力系數。

(2)河道斷面參數選取

1)河道坡降:根據河道實測斷面底高程量求。

2)河道斷面:實測地形及實測斷面量求。

3)河道糙率:取0.025～0.035。

4)局部阻力系數:逐漸擴散段 =0.33～0.55，急劇擴展段=0.50～1.0，收縮及平順段 =0。

5)堰壩位置水利計算:水利計算過程中遇到堰壩，在堰壩位置采用堰流公式計算-堰上水深，并以堰上水深為起始水深從下游往上游推算水面線。

工程主要保護對象為農田，按防沖不防淹的原則進行設計。

表2 大畈段洪水位計算 單位:m

3 堰壩修復工程

大畈村1#堰壩位于大畈村上游450 m 處，主要為大畈村周邊農田灌溉，堰壩長度46.85 m，堰頂高程257.0 m～257.20 m，溢流面為混凝土，拋石基礎，下游無消能設施。目前堰壩基礎漏水嚴重，枯水期河道天然來水量較小時，灌溉渠道無水可引。堰壩采用折線型實用堰，上游堰體采用C20 砼澆筑，厚度0.8 m，溢流面坡比1∶3，采用C20 砼灌砌卵石砌筑，厚度0.35 m，底部為15 cm 厚C20 砼墊層，堰頂寬度1.5 m，全斷面溢流，堰頂設河卵石碇步，溝通河流兩岸，堰壩內部采用C20埋石砼澆筑，堰壩下游設拋石防護。

大畈村2#堰壩位于大畈村B 段護岸樁號0+011.70 m 處，主要為大畈村下游右岸農田灌溉，堰壩長度41.28 m，堰頂高程251.50 m，受洪災影響，該堰壩已完成被沖毀。本次重建修復，堰壩采用折線堰型，堰頂高程251.50 m，上游坡比1∶0.3，下游坡比1∶1，堰頂寬度1.5 m，全斷面溢流，堰頂設河卵石碇步，溝通河流兩岸，堰壩內部采用C20 埋石砼澆筑，堰壩下游設拋石防護。

(一)計算工況:

計算工況取正常水位和設計水位兩種工況計算。

(二)荷載計算:

作用在壩上的荷載有:自重、水壓力、揚壓力、淤沙壓力。

其計算方法分述如下:

(1)堰壩自重

式中:G為壩體重量;V為壩體體積;γm為壩體材料的容量。

(2)水壓力

式中:h為水面到堰頂的鉛直距離;H1為壩前水深;γ0為水的容重。

(3)揚壓力

式中:γ0為水的容重;T為壩底寬;H2為下游水深;H為上下游水位差。

(4)淤沙壓力

式中:γs為淤沙浮容重;φs為淤沙的內摩擦角;hs為淤沙層厚度。

(三)壩體抗滑穩定采用抗剪強度公式計算:

式中:K為安全系數;ΣW、ΣP為作用于計算截面以上壩體全部荷載(含揚壓力)對滑裂面的法向、切向分值，kN;f為抗剪摩擦系數。

取最不利堰壩斷面計算，經驗算堰壩抗滑能滿足規范要求。計算成果見表3。

表3 堰壩穩定計算成果表

4 堤防工程設計

大畈村的治理河段有四段，各河段均為農田外圍護岸，其中A 段新建護岸260.19 m，B 段新建護岸153.85 m，C 段新建護岸127.62 m，D 段新建護岸205.92 m。大畈村四段的防護對象均為農田，道太溪流域治理工程大畈村段均按護岸進行防護設計，合計新建護岸747.6 m。大畈村護岸均位于凸岸，易淤積，采用干砌塊石重力式擋墻結構，基礎埋深1m。擋墻頂寬60 cm，采用15 cm 厚C20 砼壓頂，墻身采用干砌塊石砌筑，迎水側坡比為1∶0.2，背水側坡比1∶0.2 或1∶0.3，擋墻深入河床0.6 m，基礎采用40 cm 厚C20 砼。擋墻溝槽開挖坡比1∶0.5，背坡采用砂礫石回填夯實。

(1)堤頂高程

工程主要為新建護岸，護岸頂高程按不低于現狀地面高程取值，本次不進行高程計算。

堤頂超高按下式計算:

式中:Y為堤頂超高;R為波浪爬高;e為風壅增水高度;A為安全加高，5 級堤防允許越浪考慮A=0.3 m。

取安全超高為0.3 m，由于波浪爬高和風雍增水高度極小，堤頂超高值取0.3 m，在滿足超高要求下結合地形設置堤頂高程。

(2)堤腳防沖設計

順壩及平順護岸沖刷深度按下列公式計算:

式中:hs為沖刷深度，m;H0為水深，m;Ucp為垂線平均流速，m/s;Uc為泥沙擾動系數;U為行進流速，m/s;n為與防護岸形狀有關的系數;η為不均勻系數。

表4 沖刷深度計算表

根據以上計算結果，同時結合規范對坡式護岸基礎埋深的要求，道太溪流域大畈村段河道綜合治理工程設計中基礎埋深按設計值取值。

(3)抗沖粒徑計算

抗沖粒徑計算方法如下:

式中:d為折算直徑，按球型折算，m;V為水流流速，m/s;W為塊石重力，kN;g為重力加速度，9.81 m/s2;rs為塊石的重度，取25 kN/m3;r為水的重度，取10 kN/m3;c為石塊運動的穩定系數，取1.2。

經計算可知抗沖粒徑計算值d=23 cm，本次抗沖塊石粒徑取50 cm，滿足要求。

5 結論

為了保護道太溪流域沿線居民安全，保障生產生活正常進行，減少洪澇風險，龍泉市實施道太溪流域綜合治理工程。通過浙江省推理公式獲取大畈村段設計洪水參數，為工程設計提供參考。結合工程情況，采取堤壩、堤防等工程措施加以治理，通過穩定性復核滿足相關規范要求，可為類似工程提供參考。