非橋梁涉河建筑物防洪評(píng)價(jià)中的壅水計(jì)算

廖敏杰

（福州市倉(cāng)山區(qū)鄉(xiāng)村振興發(fā)展中心，福建 福州 350008）

1 問(wèn)題的提出

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各種類型非橋梁涉河建筑物逐步增多，如涵洞、景觀壩、碼頭、管道等，根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》，凡是涉河的建設(shè)項(xiàng)目，在立項(xiàng)之前應(yīng)進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)，并獲得許可。《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則（試行）》中明確了防洪評(píng)價(jià)編制的主要內(nèi)容和要求，關(guān)于這些非橋梁型的涉河建筑物防洪評(píng)價(jià)中壅水分析進(jìn)行初步探討，并提出相應(yīng)的解決方法。

2 無(wú)壓涵洞防洪評(píng)價(jià)

根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，對(duì)低流速的無(wú)壓洞、涵、管，在通氣良好的條件下，凈空斷面積一般不要小于涵洞管斷面面積的15%，凈空高度也不要小于40 cm。在保證凈空面積和凈空高度情況下的下泄流量為洞、涵、管的安全泄量。設(shè)計(jì)洪峰流量大于安全泄量，則規(guī)模偏小，阻水嚴(yán)重，應(yīng)改擴(kuò)建。設(shè)計(jì)洪峰流量小于安全泄量，其相應(yīng)水位為天然水位，設(shè)計(jì)洪峰流量大于安全泄量，其相應(yīng)水位為洞、涵、管前水位，二者之差為洞、涵、管阻水壅高值。二者相應(yīng)流速之差為建洞（涵、管）前后流速增加值。其中，天然情況下過(guò)水流量采用下式計(jì)算：

而當(dāng)過(guò)水?dāng)嗝鏋榫匦螘r(shí)，式子改為：

此外，建洞（涵、管）后過(guò)流量分為無(wú)壓流、半有壓流和有壓流，其計(jì)算式如式（3）至（5）所示：

式（1）～（5）中：H0-以隧洞進(jìn)口斷面底板高程起算的上游總水頭；σS-為淹沒(méi)系數(shù)；bk-為矩形隧洞過(guò)水?dāng)嗝鎸挾龋籑-為流量系數(shù)；W-為過(guò)流面積，m2；α-為洞高；μ、η-為流量系數(shù)及洞口水流收縮系數(shù)；hp-為隧洞出口斷面水流的平均單位勢(shì)能；T0-為上游水面與隧洞出口底板高程差T及上游行近流速水頭之和。以福清某河道建設(shè)的箱涵為例，采用明渠均勻流公式，計(jì)算成果如表1所示。

表1 福清某河道箱涵壅高計(jì)算成果表

3 景觀壩防洪評(píng)價(jià)

3.1 橡膠壩

橡膠壩一般枯水期立壩蓄水，形成水面景觀，洪水時(shí)期塌壩泄洪。橡膠壩一般在洪水期塌壩運(yùn)行，可采用分段求和法進(jìn)行壩上游的壅水分析，根據(jù)塌壩水深至上游推算水面線，根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，大部分情況下，橡膠壩壅水影響較小，可忽略不計(jì)，此次不再列舉實(shí)例說(shuō)明。

但有一點(diǎn)值得注意的是橡膠壩在平時(shí)是立壩壅水，洪水時(shí)是采用全塌泄洪，在橡膠壩壩袋塌壩運(yùn)行時(shí)，可以滿足河道正常泄洪，且不會(huì)影響兩岸堤防安全。但在局部會(huì)產(chǎn)生少量淤積，對(duì)河勢(shì)整體穩(wěn)定性及變化沒(méi)有太大影響，橡膠壩建壩后僅會(huì)引起局部河勢(shì)發(fā)生微小變化，但影響范圍極小，可忽略不計(jì)。

3.2 漫水壩

漫水壩的壅水分析可根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版）中的堰流公式計(jì)算，壩上壩下水位差即為漫水壩壅高值。其中壩上水位采用的堰流公式計(jì)算分為自有流和淹沒(méi)流，其中是自由流，且hs/ho＜0.8（寬頂堰）；hs/ho＜0.75（實(shí)用堰）時(shí)計(jì)算公式如下：

而是淹沒(méi)流時(shí)，且hs/ho≥0.8（寬頂堰）；hs/ho≥0.75（實(shí)用堰）時(shí)，采用下式計(jì)算：

式中：hs-為壩下堰上水深，hs-值為壩下水位與壩頂高程差；h0-為壩上堰上水深，h0-值為壩上水位與壩頂高程差；ε-為側(cè)收縮系數(shù)；B-為水閘總凈寬；m-為流量系數(shù)；σ-為淹沒(méi)系數(shù)；g-為重力加速度，g-值為9.81 m/s2。以霞浦某河道新建漫水壩為例，壅高計(jì)算成果如表2所示。

表2 漫水壩壩上水位計(jì)算成果表

漫水壩建成后，壩身侵占河道，壩址下游斷面流速較原來(lái)有所增加，紊動(dòng)作用增強(qiáng)，但在壩址下游一定距離后，水流流速自增幅最大處向下游逐漸恢復(fù)到正常流速，由于流速的增加，水流對(duì)壩址下游河床會(huì)產(chǎn)生一定的沖刷。漫水壩的建設(shè)還會(huì)使壩址上游河段一定距離內(nèi)洪水位抬高，在壅水影響范圍內(nèi)會(huì)造成的一定量的淤積。

3.3 翻板壩

翻板壩閘門(mén)的壅水分析較為復(fù)雜，主要是水閘泄洪是不斷變化的過(guò)程，其泄流能力與閘門(mén)高度、壩高、上下游水位等因素有關(guān)，目前對(duì)翻版閘壩壅高計(jì)算尚無(wú)規(guī)范要求，其閘門(mén)泄流能力可分為門(mén)頂以上和門(mén)頂以下兩部分，其中門(mén)頂以上按堰流計(jì)算，可采用堰流公式計(jì)算，可參考漫水壩中的堰流公式計(jì)算，門(mén)頂以下按實(shí)用堰閘孔出流計(jì)算。基本都是按照堰流公式計(jì)算，其公式如下：

式中：Q-為洪峰流量；μ1-為流量系數(shù)；e-為閘門(mén)開(kāi)啟度；B-為堰寬；H0-為上游總水頭；hs-為下游水位超過(guò)堰頂高度。

4 碼頭的防洪評(píng)價(jià)

碼頭主要是根據(jù)其平面布置、結(jié)構(gòu)形式及堤防與灘地的關(guān)系在防洪評(píng)價(jià)中對(duì)河道防洪及河勢(shì)的產(chǎn)生兩方面影響：①對(duì)所在河道行洪能力的影響，也就是洪水位的影響。②對(duì)河床沖淤變化及對(duì)河床兩岸沖刷的影響。

一般在福建省碼頭類?ài)账治鲋饕抢肕ike11模型來(lái)建立工程所在河段河網(wǎng)模型。MIKE11模型采用河道非恒定漸變流的圣維南（Saint-Venant）方程推求河網(wǎng)水面曲線，圣維南（Saint-Venant）基本方程組包括動(dòng)力方程和連續(xù)方程來(lái)計(jì)算。

以閩江北港某碼頭為例，主要是利用MIKE11模型來(lái)建立閩江淮安頭～白巖潭段河網(wǎng)模型。模型由河道位置、斷面文件及洪水和入海口潮位資料組成。碼頭建設(shè)后，對(duì)碼頭附近水位、流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，為了分析碼頭建設(shè)前后水位、流速變化情況，利用MIKE21FM 模型建立二維水動(dòng)力模型進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 碼頭建設(shè)前后碼頭及上下游斷面平均水位成果表（遇白巖潭高朝位）單位：m

碼頭建設(shè)后，高樁阻水引起碼頭上游斷面水位壅高，在發(fā)生200年一遇洪水并遭遇下游高潮位時(shí)，碼頭上游150 m斷面平均水位由5.10 m 壅高至5.12 m，增大了0.02 m；碼頭上游150 m斷面發(fā)生100年、50年一遇遭遇下游高潮位時(shí)，設(shè)計(jì)洪水位分別由4.94 m、4.74 m 壅高至4.96 m、4.76 m。碼頭中心斷面平均水位基本不變，下游斷面則表現(xiàn)出斷面平均水位略微降低，主要體現(xiàn)在右岸，左岸基本不變。

受碼頭建設(shè)束窄河道的影響，工程與現(xiàn)狀順壩之間區(qū)域的流速增大，工程中部最大流速由1 m/s增大至1.20 m/s，平均流速增大約0.15 m/s，工程最南側(cè)最大流速由1.01 m/s 增大至1.32 m/s，平均流速增大約0.25 m/s。工程建設(shè)一定程度上加劇了順壩右岸的沖刷，但總體上影響程度不大，建議應(yīng)加強(qiáng)河段水流及周邊工程觀測(cè)。

5 跨河下穿管道防洪評(píng)價(jià)

下穿河道的管道主要采用大開(kāi)挖或者先進(jìn)的非開(kāi)挖定向穿越技術(shù)穿越河道兩岸，下穿管道的防洪評(píng)價(jià)主要推出符合規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的下穿處河道的設(shè)計(jì)流量、流域、洪水位等，進(jìn)而推出河床一般沖刷深度，為下穿管道安全及河道行洪安全提供重要的參考價(jià)值。

由于下穿管道一般橫穿河流并且埋在河床底下，必須保證管道的埋深大于發(fā)生一定頻率洪水時(shí)集中水流在床面上沖刷后的河槽深度，這樣既能夠保證管道的運(yùn)行安全，同時(shí)保證管道不露出河床上，避免對(duì)河道的行洪產(chǎn)生影響和抬高洪水位。以海西天然氣管網(wǎng)漳州段下穿某河道為例，沖刷深度采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算方法和lacey經(jīng)驗(yàn)公式法兩種方法計(jì)算。岸坡沖刷深度按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄D.2.2，順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式：

對(duì)于卵石的起動(dòng)流速，可采用長(zhǎng)江科學(xué)院的起動(dòng)公式：

式中：hs-為局部沖刷深度；Ucp-為近岸垂線平均流速；H0-為沖刷處水深；U-為行近流速；Uc-為泥沙起動(dòng)流速；η-為水流流速不均勻系數(shù)，查表D.2.2 采用；N-為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取1/4～1/6；γ泥、γ-為泥沙與水的容重（kN/m），分別取19 kN/m、10 kN/m；d50-為床沙的中值粒徑（m）。中粗砂為0.25～0.50 mm，砂卵石層取25 mm。

采用lacey經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：hs-為沖刷深度（m）；Qf-為設(shè)計(jì)流量（m3/s）；ks-為系數(shù)，取0.25；Dm-為床沙平均粒徑，取20 mm。

穿越段計(jì)算成果：根據(jù)兩種工況進(jìn)行計(jì)算沖刷問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。計(jì)算成果表明，采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D.2.2 計(jì)算公式計(jì)算的一般沖刷深度較采用lacey 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值大，從偏安全角度考慮，此工程一般沖刷深度采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的一般沖刷深度成果，具體計(jì)算成果如表4。

表4 工程穿越處一般沖刷深度計(jì)算成果表

通過(guò)表4 計(jì)算分析，管道工程在下穿處一般沖刷深度為2.65 m，由于管道工程穿越處河床最低高程為0.70 m，擬定穿越管道埋深距河道最低處高程以下5 m，以保證安全，因此，河床沖刷不會(huì)對(duì)河道穿越處管道埋設(shè)產(chǎn)生不利影響。

6 結(jié)語(yǔ)

非橋梁的涉河建筑物防洪影響評(píng)價(jià)，是保證河道行洪和堤防安全以及建筑物本身安全運(yùn)行的關(guān)鍵，降低工程建設(shè)對(duì)河道行洪、河勢(shì)穩(wěn)定、水流流態(tài)、沖淤變化等造成的影響，為工程項(xiàng)目的水行政許可提供技術(shù)依據(jù)。對(duì)于非橋梁涉河建筑物壅水分析，可以得知，主要都是依靠水力學(xué)計(jì)算公式得到，不同的建筑物壅水計(jì)算公式不同，都應(yīng)根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際情況來(lái)選擇合適的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，涉河建筑物導(dǎo)致的水位壅高對(duì)河道防洪安全較為重要，必要時(shí)仍需依靠補(bǔ)救措施來(lái)減小一定的影響，不同涉河建筑物的具體防治影響補(bǔ)救措施是什么這也將是筆者下一步的研究方向。