陳能志
涉河項目防洪評價方法與指標探討
陳能志
福建省水利水電勘測設計研究院
在《河道管理范圍內(nèi)建設項目防洪評價報告編制導則(試行)》(簡稱《導則》)中,對防洪評價報告編制的內(nèi)容和格式做了一般性的規(guī)定,但《導則》未規(guī)定防洪影響評價具體的技術指標等問題,該文擬對防洪評價中存在的問題進行探討。
防洪評價 指標 方法
根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設項目管理的有關規(guī)定》,凡涉河的建設項目,在立項之前應事先進行防洪評價,并獲得許可。防洪評價報告是發(fā)改委審批(或核準)項目可行性研究的前置條件,防洪評價報告通過水行政主管部門審查之后,建設項目才能獲得審批。
《河道管理范圍內(nèi)建設項目防洪評價報告編制導則(試行)》(以下簡稱《導則》)對報告編制的內(nèi)容和格式做了一般性的規(guī)定。但對防洪評價結論的可行與否沒有規(guī)定具體的評判標準和明確的技術指標,比如壅水多少、減少多少流量可以接受?
《水法》、《防洪法》對圍墾河灘、河道做了嚴格規(guī)定,除規(guī)劃岸線調(diào)整外,不允許圍墾和占用河道、河灘,我省主要的涉河建筑物是橋梁、碼頭及跨河管道等。防洪評價主要是評價建設項目對河流的影響及項目自身防洪的問題,主要內(nèi)容有:(1)是否妨礙行洪、降低河道泄洪能力;(2)對河勢穩(wěn)定、水流流態(tài)、沖淤變化有無不利影響;(3)對堤防、護岸和其他水工程安全的影響;(4)對防汛搶險的影響;(5)是否符合流域綜合規(guī)劃的要求,對流域規(guī)劃實施有何影響;(6)建設項目自身防御洪澇的標準與措施是否符合規(guī)范要求;(7)是否影響第三方當事人的水事權益;(8)是否符合其他有關技術標準、規(guī)范的要求。
設計洪水(潮位)根據(jù)《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》進行。
水力計算主要根據(jù)《水力學計算手冊》、《水工設計手冊》及《水利動能設計手冊》(排澇分冊)進行。
3.1.1壅水高度計算
橋墩壅水高度計算公式如下:
(1)方法一
式中:△Z--橋壅水高度,m;α--動能修正系數(shù);V--橋墩下游為正常水深時的斷面平均流速,m/s;B--無橋墩時的截面寬度,m;ε--過水斷面收縮系數(shù),ε=0.85-0.95;b--兩墩間的凈寬,m;h--建橋前橋墩下游正常水深,m;g--重力加速度,m/s2。
(2)方法二
式中:Q--流量;ξ--系數(shù),取0.1;其余同式1。
(3)碼頭等阻水建筑物壅水高度計算公式如下:
應根據(jù)建筑物的布置情況及河道的特點采用對應的公式。
3.1.2流態(tài)變化分析
建筑物引起的流態(tài)變化,應采用物?;驍?shù)模進行分析,數(shù)模一般用二維水動力模型,目前常用Mike21進行分析。
3.1.3回水水面線計算方法
回水水面線根據(jù)能量和流量守恒原理進行計算。采用逐段推算法繪制回水曲線,所依據(jù)的基本公式為恒定非均勻漸變流,計算公式為:
或為
對于跨河網(wǎng)的建筑物,通常采用Mike 11計算水面線,基本原理是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,圣維南基本方程組包括連續(xù)方程和動力方程:
式中:t——時間,s;s——河道長度,km;q——旁側入流量,m3/s;R——水力半徑,m;C——謝才系數(shù);其余同式4。
在具體的評價工作和報告編制過程中,會遇到一些問題,主要如下:
涉河建筑物布置一般原則是:建筑物應避開河道的控制斷面(河段)、分流口、河流彎段處。橋梁一般不應在河中拐彎、設匝道,岸灘上的承臺要進入河床。
現(xiàn)行的《導則》未規(guī)定具體的防洪影響的可接受(獲批)指標,在實際工作中,如何確定切實可行的技術指標呢?比如,建筑物壅水多少cm、流量減少多少(百分比),流速增加多少(百分比)是可以接受的?目前我省尚未出臺相關的技術規(guī)定。這就要求編制人員對項目所在河流的特征、河勢及其防洪問題有個總體的把握,根據(jù)河流性質(zhì)和具體情況進行詳細分析,區(qū)別對待,確定項目防洪評價結論是否可行。
筆者多年從事防洪評價工作,從我省實際出發(fā),提出如下幾個主要技術指標供實際應用參考:
3.2.1阻水面積百分比
涉及Ⅰ、Ⅱ級堤防河道,建筑物的阻水面積百分比不應大于8%;涉及Ⅲ級以下堤防以及無堤防河道,建筑物的阻水面積百分比不應大于10%。
3.2.2最大壅水高度
對于不允許越浪的堤防,建筑物的最大壅水高度應控制在堤頂安全超高值15%以內(nèi)(一級河道,壅水絕對值不應超過15cm);對于允許越浪的堤防,建筑物的最大壅水高度應控制在堤頂安全超高值30%以內(nèi)(山區(qū)河流,一般壅水值不應超過30~40cm)。
3.2.3減少流量百分比
對于一、二級河道,建筑物阻水減少流量百分比不應超過3%;對于三級及以下河道,建筑物阻水減少流量百分比不應超過5%。
3.2.4交角及流態(tài)變化
涉河建筑物(橋墩中軸線)與水流動力軸線的交角一般應在5度以內(nèi)。
設計標準洪水條件下,洪水流速較大(斷面平均流速達到2.5m/s)的平原性河流,流速增幅不應大于5%;山區(qū)性河流流速增大不應超過15%。
3.2.5堤腳沖刷
設計標準洪水條件下,建筑物引起的堤腳沖刷深度,應控制在0.5m以內(nèi)。
由于涉水項目屬于不同行業(yè)部門,有的部門(如交通)可研階段工作深度比水利部門淺,只提供初步方案,最終方案要在初步設計和施工圖階段才能確定,故未能提供詳細的結構布置剖面圖及橋墩坐標點,而水行政主管部門要求經(jīng)過審批的橋梁橋墩結構是最終方案,不宜改變(否則要重新評價、重新審查)。這種情況只能要求業(yè)主提供最終的建設方案,若項目方案(如大橋線位、跨度)調(diào)整,則防洪評價報告需根據(jù)新的方案進行修編、重新報批。
鑒于絕大部分建設項目都沒有做物模試驗,建設項目對河勢影響的范圍很難確定,因此補救措施也很難與實際情況相符,在研究補救措施時,應分析項目所在河段流速、流場分布情況,根據(jù)項目實施后斷面流速大小和流速擾動影響范圍,確定補救措施。對于壅水引起上游水面線抬升,其補救措施根據(jù)壅水和回水計算成果確定,但若壅水影響小于7~8cm,很難采取補救措施,建議采用補償更為合適。在沒把握的情況下,防洪評價報告所采取的補救措施,應適當考慮安全因素,投資估算方面,適當留有余地,避免以后實際采取補救措施的投資大幅突破。
若項目防洪評價計算的成果無法滿足技術指標要求,說明該項目建設對河流的防洪影響顯著,應要求建設業(yè)主和設計單位優(yōu)化變更設計方案(如加大跨度、順水流布置等),若還無法滿足要求,則要求采取補救措施增加河道過水斷面。
作為建設方,大部分業(yè)主對水利都是外行業(yè)的,更多的是考慮項目自身布置的合理與方便,而對防洪影響考慮不足。這就要求評價方必需與業(yè)主互動,除了評價之外,更要對工程的布置提出意見和建議,建議業(yè)主工程位置避開流態(tài)復雜的敏感河段,同時改進和優(yōu)化工程的布置,比如橋軸線與水流的交角、橋墩墩基、承臺、橋跨等,以降低壅水值、減少其對流速和流態(tài)的影響,使項目建設對防洪的影響降至最低程度。
鑒于現(xiàn)有技術手段,在沒有河工模型的情況下,項目防洪影響的補救措施要適當偏于安全。而對于敏感河段的工程建設及項目附近還受到其它工程影響的情況,則應通過河工模型進行驗證。