彭江鴻

（湖北省荊州市水文水資源勘測(cè)局,湖北 荊州 434000）

1 工程概況

某公司投資年產(chǎn)200 萬(wàn)t石灰?guī)r及加工開(kāi)采項(xiàng)目。礦區(qū)位于B河道右側(cè),B河道左右兩岸為山體石灰?guī)r石,居民住宅零星分散,由于B河道右側(cè)無(wú)道路通往礦區(qū),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘,需在B河道上新建一座過(guò)河便道從左岸通往對(duì)岸礦區(qū),其河道上游無(wú)其他水利工程,下游約800 m處有一座B河橋。河道走勢(shì)及工程位置見(jiàn)圖1、圖2,涵管橋所處河道斷面為控制斷面。涵管橋中心線與河道夾角42°,寬7.5 m,共8孔,孔徑1 m,橋頂高程為149.2 m（1985 國(guó)家高程）,承雨面積64.2 km2,主河道長(zhǎng)度15 km,河道坡降10‰。據(jù)洪水調(diào)查,2014 年B河道發(fā)生一場(chǎng)5 年一遇洪水,水位距B河橋面以下約0.5 m處,已淹沒(méi)地勢(shì)偏低的房屋、農(nóng)田,B河道防洪標(biāo)準(zhǔn)10 年一遇。

圖1 河道走勢(shì)圖

圖2 流域面積及工程位置示意圖

該項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)方案過(guò)河便道采用過(guò)水路面涵管橋（簡(jiǎn)稱涵管橋）,根據(jù)《中華人民共和國(guó)防洪法》相關(guān)規(guī)定,對(duì)涵管橋進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià)。

2 防洪評(píng)價(jià)計(jì)算

本次洪水計(jì)算采用瞬時(shí)單位線法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法三種方法。設(shè)計(jì)洪水頻率P分別為95%、50%、20%、10%、5%、2%、1%。

2.1 瞬時(shí)單位線法推求設(shè)計(jì)洪水

2.2.1 設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)涵管橋河段以上流域形心位置查相關(guān)圖集得出設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量均值H和變差系數(shù)Cv。

1 小時(shí)：H1=49 mm,Cv=0.48；

6 小時(shí)：H6=84 mm,Cv=0.48；

24 小時(shí)：H24=122 mm,Cv=0.47。

設(shè)計(jì)暴雨點(diǎn)雨量Hp點(diǎn)=Hkp,kp查CS=3.5CVP-Ⅲ型曲線。涵管橋河段短歷時(shí)點(diǎn)暴雨資料Kp值見(jiàn)表1。

表1 涵管橋河段短歷時(shí)點(diǎn)暴雨資料Kp值

采用點(diǎn)面系數(shù)法計(jì)算各時(shí)段面雨量：

各歷時(shí)面雨量?jī)蓛上鄿p,即得各個(gè)Δt=1 h的時(shí)段面雨量。涵管橋河段設(shè)計(jì)點(diǎn)面暴雨成果見(jiàn)表2。

表2 涵管橋河段設(shè)計(jì)點(diǎn)面暴雨成果表

設(shè)計(jì)凈雨按扣除初損和穩(wěn)損的方法推求[1]。凈雨時(shí)段Δt為1 小時(shí),與瞬時(shí)單位線時(shí)段一致,凈雨歷時(shí)tc為12小時(shí)。按設(shè)計(jì)雨型排列后的面雨量過(guò)程順次扣除初損22.5 mm后再扣除穩(wěn)損,即可求得設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程,其中穩(wěn)損計(jì)算公式為：

式中：R24為24 h總徑流深,mm,R24=H24面-22.5。

2.1.2 工程所處河段匯流計(jì)算

①地表徑流

地表徑流按瞬時(shí)單位線法進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算,該流域位于水文分區(qū)第Ⅶ區(qū),其瞬時(shí)單位線參數(shù)計(jì)算公式為：

式中：F為流域面積,km2；L為主河道長(zhǎng),km；J為主河道比降,‰。

②地下徑流

β為退水指數(shù),β=0.133F-0.28；T為地面徑流過(guò)程底寬。

③設(shè)計(jì)洪水過(guò)程

將地表徑流和地下徑流疊加即可得出設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

2.2 地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

可參考中小流域洪峰流量地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算法,計(jì)算公式為：

式中：Qm為相應(yīng)頻率的洪峰流量,m3/s；K為與流域面積、形狀有關(guān)的綜合系數(shù),取0.590；β為造峰指數(shù),取1.4 ；Ht為造峰雨量,mm。

2.3 推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

小流域設(shè)計(jì)洪峰流量推理公式法計(jì)算公式為：

式中：Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量；K1、K2、K3、K4為暴雨遞減指數(shù)n的函數(shù)；s為雨力；m為匯流參數(shù)；u為損失參數(shù)；為流域特征參數(shù)；F為流域面積,km2。

2.4 洪水成果合理性檢查

三種方法比較,推理公式法計(jì)算結(jié)果偏小,瞬時(shí)單位線法和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算成果接近,2 年一遇設(shè)計(jì)洪水瞬時(shí)單位線法推算結(jié)果與小流域地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法推算結(jié)果十分接近。由于地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法采用24 h點(diǎn)暴雨資料,沒(méi)有考慮流域坡降,不適合流域匯流特點(diǎn)。綜合三種方法比較（表3）,本次推薦采用瞬時(shí)單位線法推求的設(shè)計(jì)值。

表3 控制斷面不同計(jì)算方法推求洪水成果比較

2.5 壅水分析計(jì)算

涵管橋前最大壅水高度采用道不松公式[2]為：

式中：L為壅水曲線長(zhǎng)度,m；I為水面比降。

經(jīng)計(jì)算,涵管橋前最大壅水高度1.84 m,最大壅水曲線長(zhǎng)度368 m。上游住戶較少,因此影響較小。但應(yīng)注意堆料場(chǎng)的位置,避免被洪水淹沒(méi)。

2.6 沖刷分析計(jì)算

涵管橋河段處河床質(zhì)為沖洪積卵石土層、風(fēng)化石。工程建成后,根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 062-2002）,按照非黏性土,一般沖刷深度按公式7.3.1-1 計(jì)算,涵管橋局部沖刷按公式7.4.1-8 計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算,涵管橋一般沖刷最大水深為7.77 m,最大沖坑深為3.2 m,嚴(yán)重侵蝕河床,影響河床穩(wěn)定,需采取措施保護(hù)河床,涵管橋基礎(chǔ)應(yīng)在沖刷線2 m以下。涵管橋處洪水頻率為95%、50%、20%、10%、5%、2%、1%的局部沖刷深度分別為0.03 m、0.10 m、0.14 m、0.16 m、0.17 m、0.19 m、0.20 m。相對(duì)于主河槽寬達(dá)22 m的B河道,來(lái)水不會(huì)造成明顯變化,基本可以防范下游河床的河勢(shì)擺動(dòng)。

3 防洪綜合評(píng)價(jià)

3.1 不同工況條件下河道行洪安全

（1）橋面非淹沒(méi)時(shí)涵管橋過(guò)流能力驗(yàn)算

此工況涵管按照短洞有壓流計(jì)算,涵管過(guò)流能力計(jì)算公式為：

式中：n為涵管數(shù)；μc為管道流量系數(shù)；A為單孔涵管過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2；?Z為水頭差,m。計(jì)算結(jié)果Qd=15 m3/s,可見(jiàn)涵管過(guò)流能力小于設(shè)計(jì)洪水頻率95%時(shí)控制斷面流量45 m3/s,極易發(fā)生漫水。

（2）橋面淹沒(méi)時(shí)涵管橋過(guò)流能力計(jì)算

當(dāng)橋面淹沒(méi)時(shí),底孔按短洞有壓流計(jì)算,橋面按寬頂堰流計(jì)算公式為：

式中：δc為側(cè)收縮系數(shù)；m為自由溢流的流量系數(shù),與堰型、堰高等有關(guān)；b為堰頂寬度,即橋面總長(zhǎng),m；H為包括行近流速水頭的堰前水頭,m；Vo為行近流速水頭,m/s。

涵管橋過(guò)流能力Qz=Qm+Qd。不同頻率條件下涵管橋過(guò)流能力及控制斷面設(shè)計(jì)流量見(jiàn)表4,涵管橋過(guò)流能力接近50 年一遇洪水。當(dāng)涵管橋淹沒(méi)時(shí),控制斷面滿足河道過(guò)流能力。

表4 不同頻率條件下涵管橋過(guò)流能力及控制斷面設(shè)計(jì)流量

3.2 不同頻率洪水條件下生產(chǎn)安全分析

（1）不同頻率洪水條件下生產(chǎn)安全

由圖3 涵管橋所處河道橫斷面右岸岸坡高程為149.8 m,左岸進(jìn)場(chǎng)道路高程為150.8 m。通過(guò)洪水分析和壅水計(jì)算,2 年一遇洪峰流量為124 m3/s時(shí),水位為150.34 m,已經(jīng)超過(guò)河道右岸岸坡高程,5 年一遇洪峰流量為211 m3/s時(shí),水位為151.18 m,超過(guò)左岸道路高程,淹沒(méi)進(jìn)場(chǎng)道路,影響生產(chǎn)進(jìn)度和安全。

（2）影響涵管橋通行天數(shù)分析

涵管橋面高程149.2 m,當(dāng)涵管橋所處河道斷面水位達(dá)149.5 m時(shí),將會(huì)影響涵管橋、人員及車(chē)輛通行。因此,影響生產(chǎn)安全的臨界水位為149.5 m,臨界流量為45.4 m3/s,推算臨界雨量為55.7 mm。B河道橫斷面測(cè)量見(jiàn)圖3。

圖3 B河道橫斷面測(cè)量圖

以工程附近一處雨量站為代表站,選取1970 年、1983 年、1991 年、2006 年、2014 年5 年代表年,分析逐日雨量,平均超過(guò)臨界雨量15 d,豐水年日降雨量超過(guò)臨界雨量的洪水過(guò)程歷時(shí)約20 d~35 d,可以保證生產(chǎn)天數(shù),建議在洪水過(guò)程中暫停施工,進(jìn)行其它作業(yè)和機(jī)械維修,盡量不影響生產(chǎn)的進(jìn)度與安全。

3.3 綜合影響分析

當(dāng)洪水頻率超過(guò)涵管橋設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn),將會(huì)影響下游B河橋的堵塞和橋墩安全,因此涵管橋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該高于B河橋。

洪水壅高增加上游淹沒(méi)面積和淹沒(méi)深度,影響沿河房屋農(nóng)田安全,應(yīng)該將低水位處居民住宅搬遷,做好相關(guān)補(bǔ)償工作。

涵管橋建成后斷面阻水面積增加,流速變大,左岸主槽會(huì)以沖刷為主,右岸略有淤積,建議采取相關(guān)措施護(hù)岸護(hù)底。

4 工程影響防治措施

工程建成以后,為防止水流對(duì)下游河底及河岸（尤其左岸）局部沖刷,建議在河道兩岸嚴(yán)格夯實(shí)恢復(fù)原貌,采取護(hù)岸護(hù)底措施,防止過(guò)橋水流對(duì)兩岸坡腳處的沖刷誘發(fā)山體滑坡。

由于涵管橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較大,應(yīng)該采取相關(guān)措施及時(shí)清除上游漂浮物及清淤,防止漂浮物對(duì)水流的影響。礦區(qū)沿河道修建擋砂墻,防止砂土流失淤塞河道。

制定工程施工度汛方案及防洪搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案,建立完善的管理規(guī)章制度和檔案,規(guī)定規(guī)范施工人員的活動(dòng)范圍,確保安全；對(duì)棄土、棄渣等要有及時(shí)的處置措施。

加強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)及水情測(cè)報(bào),密切關(guān)注B河道上游水雨情信息,保障項(xiàng)目生產(chǎn)安全。同時(shí)在工程斷面及進(jìn)出場(chǎng)的路段設(shè)置警示標(biāo)志牌,當(dāng)水位達(dá)到149.5 m,嚴(yán)禁人員和車(chē)輛通行。

5 涉河過(guò)道方案及探討

涵管橋易被洪水淹沒(méi)影響生產(chǎn)天數(shù),由于斷面阻水面積較大,易形成壅水和沖刷,必須做好河床防護(hù)措施,為減小洪水通過(guò)橋面時(shí)的影響,提出皮帶輸送機(jī)和漫水橋兩種方案以供參考。

（1）跨河皮帶輸送機(jī)

河道兩岸各設(shè)置一處鋼支架,皮帶輸送機(jī)跨B河道,將右岸礦區(qū)礦料裝入皮帶輸送機(jī)料斗,通過(guò)皮帶輸送機(jī)將礦料送至左岸,直接裝入運(yùn)輸車(chē)輛。皮帶輸送機(jī)底部高程應(yīng)不低于100 年一遇洪水水位、壅高水位與安全超高三者之和。當(dāng)洪水較大時(shí),利用皮帶傳輸機(jī)輸送石料利于生產(chǎn)進(jìn)度和人員設(shè)備的安全,且不受洪水淹沒(méi)限制,可以更好滿足生產(chǎn)時(shí)間要求。

（2）漫水橋

漫水橋是建立在河流上的簡(jiǎn)易橋梁,水位上漲時(shí)可以漫過(guò)橋面,但相較涵管橋減小了河道阻水面積,利于河道行洪安全,且成本較低[4]。

6 結(jié)論

本文對(duì)涵管橋進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià),通過(guò)驗(yàn)算涵管橋過(guò)流能力,分析不同頻率洪水條件下的生產(chǎn)安全及影響通行天數(shù),提出工程影響防治措施。建議項(xiàng)目可行性研究及初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)綜合考慮洪水對(duì)涉河過(guò)道的影響及涉河過(guò)道對(duì)行洪的影響,選擇最優(yōu)方案。皮帶輸送機(jī)和漫水橋兩種涉河過(guò)道方案防洪影響有待進(jìn)一步研究。