謝小龍

(石泉縣水利局 陜西 石泉 725200)

1 工程概述

1.1 自然概況

1.1.1 工程區(qū)域位置

石泉縣中壩集鎮(zhèn)地處縣城西南24km，位于后柳鎮(zhèn)政府以西6km。中壩集鎮(zhèn)堤防工程是漢江一級支流中壩河中游的治河骨干工程，也是通往“中壩大峽谷”景區(qū)的必經(jīng)之路。工程建設(shè)區(qū)域為：中壩集鎮(zhèn)處順延中壩河布設(shè)長800m的堤路結(jié)合堤防工程。

1.1.2 水文氣象概況

中壩河流域面積84.86km2，河長22.01km，平均比降16.75‰。多年平均降水量920mm，流域中心處多年平均年徑流深565.3mm，變差系數(shù)CV=0.49。河口處多年平均徑流量4796.63萬m3，多年平均流量為1.521m3/s。年均降雨量873.9mm，但分布不均，導(dǎo)致流量嚴(yán)重失衡。汛期徑流量占全年總量的78%，尤其是九月份1個月的徑流量占全年的19%。

工程區(qū)位于秦嶺以南，屬副亞熱帶季風(fēng)氣候，四級分明，春暖夏熱秋涼冬冷。多年平均氣溫14.5℃。全年無霜期約257天。區(qū)域內(nèi)多偏東風(fēng)，多年平均風(fēng)速為1.7m/s，瞬時最大風(fēng)速21m/s。

1.1.3 地質(zhì)及地震

本區(qū)地處大巴山山脈的北坡，北鄰秦嶺山脈，地面海拔高程一般為330m～1000m，屬中低山地形。漢江自西北向東南，蜿蜒穿過全區(qū)。喜河水電站庫區(qū)位于石泉縣城～藕陽河段。兩岸山體雄厚，岸坡陡峭，河谷狹窄，呈“V”字型，兩岸局部地段發(fā)育有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地。本區(qū)域地層以饒峰河-喜河-麻柳壩大斷裂(F3)為界，以西屬揚(yáng)子地臺區(qū)建造，以東屬秦嶺地槽區(qū)建造。

據(jù)國家地震局 1990年版的 1：400萬《中國地震烈度區(qū)劃圖》，石泉～喜河一帶位于Ⅵ度區(qū)內(nèi)。

1.2 工程任務(wù)

近年來石泉縣旅游產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，中壩集鎮(zhèn)是通往國家4A景區(qū)—中壩大峽谷的必經(jīng)之道。根據(jù)中壩集鎮(zhèn)總體規(guī)劃，原中壩集鎮(zhèn)道路不再承擔(dān)交通干道功能。擬建的中壩集鎮(zhèn)堤防工程任務(wù)有二：一是滿足中壩河右岸集鎮(zhèn)居住區(qū)防洪要求，以及左岸農(nóng)田種植區(qū)防護(hù)要求；二是作為交通干道連通后柳鎮(zhèn)與熨斗鎮(zhèn)，聯(lián)通中壩大峽谷景區(qū)。

2 水文分析

2.1 流域概況

中壩河是漢江右岸一級支流，發(fā)源于木竹山，在后柳集鎮(zhèn)匯入漢江。流域面積84.86km2，主河道長 22.01km，平均比降16.75‰；中壩集鎮(zhèn)以上控制流域面積61.88km2。

2.2 洪水

2.2.1 暴雨洪水特性

該流域洪水主要由暴雨形成。暴雨集中在6月中旬～7月底和8月下旬～10月上旬兩個時段，可分為夏季暴雨和秋季暴雨。

本流域暴雨量大，強(qiáng)度集中，加之山高坡陡，植被覆蓋率較低，巖層透水性差，洪水匯流速度快，因此，洪水具有猛漲陡落，峰型尖瘦的特點(diǎn)，一次洪水過程為0.5天～1天，而洪量比較集中，整個汛期水量的變化極大。

2.2.2 設(shè)計洪水計算

中壩河流域無水文測站，屬無資料地區(qū)。為了落實(shí)中壩河洪水，本次采用《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊》中的關(guān)于無資料地區(qū)或缺乏水文資料的中小流域洪水計算經(jīng)驗公式推求設(shè)計洪水的方法進(jìn)行，并結(jié)合洪水調(diào)查綜合分析確定。中壩河的主要特征及參數(shù)見表1。

（1）洪峰面積相關(guān)法(經(jīng)驗公式)

根據(jù)《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊》，其計算公式為：

式中，QN——重現(xiàn)期為N的設(shè)計洪峰流量，m3/s；

F——工程區(qū)以上控制流域面積，為61.88km2；

KN、n——重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗關(guān)系式參數(shù)；

該流域?qū)偃味磪^(qū)，由《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊》圖6-2查得，n=0.692。同時查得：

由以上公式，結(jié)合所查得的參數(shù)，經(jīng)過計算，得出不同重現(xiàn)期的洪峰流量如下：

（2）綜合參數(shù)法

由《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊》，根據(jù)公式

式中，QP——設(shè)計頻率為P的洪峰流量，m3/s；

F——工程區(qū)以上控制流域面積，為61.88km2；

J——主河道平均比降(千分率的分子值)；

H6P——設(shè)計頻率為P的六小時點(diǎn)暴雨量，mm；

K6P——設(shè)計頻率為P的六小時暴雨模比系數(shù)；

η、α、β、γ——分區(qū)綜合的經(jīng)驗性指數(shù)；

本流域?qū)偃味磪^(qū)，由《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊》表6-5查得：η=0.45，α=0.70，β=0.48，γ=0.11。

表1 中壩河主要特征參數(shù)

又由《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊》查得：H6P=57，CV=0.49，CS=3.5CV查皮Ⅲ型曲線模比系數(shù)得：

表2 中壩集鎮(zhèn)堤防處不同重現(xiàn)期洪峰流量表

表3 中壩河中壩集鎮(zhèn)處洪水設(shè)計成果

經(jīng)計算，不同重現(xiàn)期的洪峰流量為：

（3）設(shè)計洪水成果

考慮到中壩集鎮(zhèn)防護(hù)區(qū)域的重要性及影響程度，本工程設(shè)計洪水成果采用兩種計算方法中的洪峰面積相關(guān)法計算成果，見表3。

3 堤防高度設(shè)計

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 工程等別及洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)，本工程右岸集鎮(zhèn)堤防按中壩河20年一遇洪水設(shè)計，左岸農(nóng)田護(hù)堤按中壩河10年一遇洪水設(shè)計。

3.1.2 建筑物級別及地震設(shè)防烈度

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-98)，集鎮(zhèn)堤防級別為4級，農(nóng)田護(hù)堤級別為5級。本工程的地震設(shè)防烈度為6°。

3.2 工程規(guī)模及平面布置

集鎮(zhèn)堤防段河長約900m。在防護(hù)區(qū)河道中上部修建有農(nóng)業(yè)灌溉用溢流壩一座，將防護(hù)區(qū)分為壩上游段和壩下游段，壩下游段修建有跨河橋梁一座。右岸集鎮(zhèn)防護(hù)段擬修建堤防長706m，保護(hù)集鎮(zhèn)人口1000余人，農(nóng)田100畝；左岸農(nóng)田護(hù)堤長157m，分布在壩下游，保護(hù)農(nóng)田面積160畝。本著因地制宜的原則合理考慮堤防的堤距寬度。

3.3 洪水水位計算

由前面的計算可知，中壩河不同重現(xiàn)期設(shè)計洪水流量為：Q5%=382.10m3/s，Q10%=323.05m3/s。

（1）壩下游寬闊段

自工程上游起點(diǎn)～下游末端河道總長791.53m，河床總落差396.20-385.20=11m，計算出河床平均比降為13.90‰。

由地形圖量得壩下游段河床最寬處35m，橋梁凈跨度31m，基礎(chǔ)堤線擬確定為32m。行洪斷面按山區(qū)常見的梯形河槽考慮，兩岸堤防迎水面坡比按1∶0.3；根據(jù)現(xiàn)有河床及河岸實(shí)際條件，由《水力學(xué)》，河床糙率n取0.040。

由 以 上 知 ，Q10%=323.05m3/s，Q5%=382.10m3/s，Q2%=434.20m3/s，b=32m，n=0.040，m=0.3。

經(jīng)計算得：中壩河10年一遇洪水水深h=2.2m，20年一遇洪水水深h=2.4m。

（2）壩上游平順段

河床平均比降取13.90‰。

由地形圖量得壩上游段河床平均寬28m，基礎(chǔ)堤線擬確定為28m。行洪斷面按山區(qū)常見的梯形河槽考慮，兩岸堤防迎水面坡比按1∶0.3；根據(jù)現(xiàn)有河床及河岸實(shí)際條件，由《水力學(xué)》，河床糙率n取0.040。

由以上知，Q5%=382.10m3/s，b=28m，n=0.040，m=0.3。

經(jīng)計算得：中壩河20年一遇洪水水深h=2.7m。

3.4 堤身高度

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-98)，堤頂高程應(yīng)按照設(shè)計洪水位加堤頂超高確定。

堤頂超高按下式計算確定：

式中，Y——堤頂超高，m；

R——設(shè)計波浪爬高，m；

e——設(shè)計風(fēng)壅增水高度，m；

A——安全加高，m；按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-98)，本工程集鎮(zhèn)堤防為不允許越浪的4級堤防，即A=0.5m；農(nóng)田護(hù)堤為允許越浪的5級堤防，即A=0.3m。

計算得堤頂超高分別為0.71m、0.91m，設(shè)計采用堤頂超高值分別為0.8m和1.0m。

⑴壩下游寬闊段

當(dāng)基礎(chǔ)堤距為32m，堤防邊坡為1:0.3時，中壩河集鎮(zhèn)堤防高度 (深泓線以上)為2.4+1.0=3.4m，農(nóng)田護(hù)堤高度(深泓線以上)為2.2+0.8=3m。

⑵壩上游平順段

當(dāng)基礎(chǔ)堤距為28m，堤防邊坡為1:0.3時，集鎮(zhèn)堤防高度 (深泓線以上)為2.7+1.0=3.7m。

3.5 沖刷深度計算

依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》附錄D中的公式D.2.2-1和D.2.2-2計算考慮水流平行岸坡和水流斜沖岸坡兩種工況進(jìn)行沖刷深度。

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷按下式計算：

式中，hB——局部沖刷深度，m，從水面算起；

hp——沖刷處的水深，m，以近似設(shè)計水位最大深度代替；

Vcp——平均流速，m/s；

V允——河床面上允許不沖流速，m/s；

n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4。

水流斜沖防護(hù)岸坡產(chǎn)生的沖刷按下式計算：

式中，△hp——從河底算起的局部沖深，m；

α——水流流向與岸坡的交角，°；

m——迎水坡邊坡系數(shù)；

d——坡腳處土壤計算粒徑，cm，d15=10-20mm；

Vj——水流局部沖刷流速，m/s，經(jīng)計算，Vj=2 m/s～5m/s。

經(jīng)計算，河床沖刷深度為1.82m，基礎(chǔ)埋設(shè)取用2m。

3.6 堤防高度結(jié)論

中壩集鎮(zhèn)堤防不同段落不同功能，上下游、左右岸堤防高度不盡相同，即：壩上游平順段右岸集鎮(zhèn)堤防高度為3.7m+2m=5.7m；壩下游寬闊段右岸集鎮(zhèn)堤防高度為3.4m+2m=5.4m；壩下游左岸農(nóng)田護(hù)堤堤防高度為3.0m+2m=5.0m。

4 結(jié)語

在留夠河道行洪寬度的條件下平順布置堤線，中壩集鎮(zhèn)堤防高度按中壩河20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，壩上游高5.7m、壩下游高5.4m；壩下游農(nóng)田防護(hù)堤防高度按中壩河10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，高5.0m。據(jù)此，石泉縣中壩集鎮(zhèn)堤防可滿足防洪要求和交通功能需求，建成后可正常發(fā)揮效益。陜西水利

[1]安康地區(qū)水電局，安康地區(qū)實(shí)用水文手冊[M]，1983.

[2]李家星，趙振興,王培莉等，水力學(xué)[M]，河海大學(xué)出版社，2001.

[3]GB50286-98，堤防工程設(shè)計規(guī)范[S]，中國計劃出版社，1998.

[4]GB50201-94，防洪標(biāo)準(zhǔn)[S]，中國計劃出版社，1994.