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        北沙河上游跑水還原及支流戈西河、馬峰河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        2022-07-01 06:51:28尹麗麗
        黑龍江水利科技 2022年5期

        尹麗麗

        (建平縣水資源辦公室,遼寧 建平 122400)

        1 概 述

        太子河發(fā)源于遼寧省新賓縣,太子河遼陽(yáng)以上為上游山區(qū)、半山區(qū)河道,河槽多為“U”字形,河床質(zhì)多為粒徑較粗的卵礫石,區(qū)間左岸有細(xì)河、蘭河和湯河三條較大支流匯入。太子河自遼陽(yáng)以下進(jìn)入沖積平原區(qū),其左側(cè)為千山山前沖積扇,右側(cè)支流北沙河在小林子水文站上游匯入太子河。

        太子河河道蜿蜒曲折。據(jù)1985年1/1萬(wàn)河道地形圖統(tǒng)計(jì),現(xiàn)有大彎道21處,形成遇彎必有險(xiǎn)工的局面,目前太子河干流平均平灘流量為1540m3/s,平灘水深4.95m,主槽寬236m,寬深比1.47-6.88,屬蜿蜒型河道。太子河以主槽泄流為主,灘地流量及流速較小。根據(jù)河道斷面套繪,近年來(lái)除下游略有淤積外,沖淤變化很小。

        北沙河河道全長(zhǎng)117 km,流域面積為1618.27km2,北沙河自陳相屯以上,絕大部分為山地,由陳相屯至沙河堡進(jìn)入丘陵區(qū),自沙河堡以下,特別是過(guò)了長(zhǎng)大鐵路橋以后則進(jìn)入平原區(qū)。戈西河和馬峰河是北沙河的支流。

        錦州-鄭州成品油管道工程遼寧段(撫順-錦州)共穿越大中小型河流29條河流共33處,小型穿越工程12處。29條河流中省管河流12條13處穿越,市管河流中沈陽(yáng)市9條11處穿越,盤錦市河流4條5處穿越,遼陽(yáng)市河流4條4處穿越。其中有戈西河和馬峰河。

        戈西河流經(jīng)遼陽(yáng)燈塔市,在西鋒鎮(zhèn)后戈村匯入北沙河。流域面積128 km2,河長(zhǎng)31.95 km,主槽寬度6-8m,河流比降1.2‰。共有堤防20.97 km,范圍從古城街道石橋村高速路至北沙河口。

        馬峰河河流總長(zhǎng)30.6km。管道穿越位置位于四方臺(tái),兩岸均有堤防。馬峰河管道穿越位置位于四方臺(tái),河流兩岸都是堤防,防洪標(biāo)準(zhǔn)是20a一遇。

        2 水文資料情況

        流域內(nèi)有大東山堡、陳相屯、大堡等水文(水位)站3處,其中大東山堡站資料較長(zhǎng)。另有下海浪、歪頭山、林盛堡、前河洪堡等雨量站11處,從1955年至今共有40多年雨量資料。大東山堡水文站位于北沙河中游的干流上,集水面積1120.38km2。該站設(shè)立于1954年,現(xiàn)有1954年—2002年共48a觀測(cè)資料。陳相屯水文站位于北沙河上游的干流上,集水面積460.32km2,設(shè)立于1952年8月,1963年改為水位站,1992年該站撤消。大堡水文站位于北沙河支流十里河上,集水面積198.74km2,設(shè)立于1975年,1988年該站撤消。北沙河流域主要水文站資料年限見表1。

        表1 北沙河主要站資料年限表

        3 洪水分析

        3.1 上游跑水還原

        大東山堡水文站位于北沙河中游的干流上,現(xiàn)有1954-2002年共48年觀測(cè)資料,水位資料年限較長(zhǎng)。但是由于北沙河自長(zhǎng)大鐵路橋進(jìn)入平原區(qū),大水時(shí)上游兩岸易跑水。在1989年編制《太子河堤防整治》報(bào)告工作中,遼寧省相關(guān)部門檢查流域特征及水文試驗(yàn)、編制和調(diào)查數(shù)據(jù),作為水文計(jì)算的基礎(chǔ)。并對(duì)大東山堡站個(gè)別大水年份上游跑水進(jìn)行了還原。本次在《太子河堤防整治》工作的基礎(chǔ)上,對(duì)重要資料又進(jìn)行了復(fù)核,對(duì)1981年和1995年上游跑水進(jìn)行了還原。

        本次采用降水-徑流關(guān)系、上下游水量平衡等多種方法進(jìn)行了1981年和1995年上游跑水進(jìn)行了還原計(jì)算。大東山堡站各跑水年洪水特性見表2。

        表2 大東山堡站各跑水年洪水特性表

        大東山堡站1962年4-12月該站為水位站,流量資料缺測(cè)。經(jīng)分析大東山堡站年最高洪水位與年最大洪峰流量間相關(guān)關(guān)系較好(見圖1),1962年大東山堡站最高洪水位發(fā)生在7月11日,為99.68m,按次相關(guān)關(guān)系插補(bǔ)洪峰流量為307m3/s,各時(shí)段洪量按峰量關(guān)系插補(bǔ)。大東山堡站峰量關(guān)系較好,見圖2。

        圖1 大東山堡站年最高洪水位與年最大洪峰關(guān)系圖

        圖2 大東山堡站峰量關(guān)系圖

        大東山堡站個(gè)別大水年份跑水,經(jīng)資料審查進(jìn)行了還原計(jì)算,其他年份資料滿足規(guī)范要求。經(jīng)插補(bǔ)、還原后,大東山堡站有1955-2002年48年流量資料,滿足洪水計(jì)算規(guī)范要求。

        陳相屯站現(xiàn)有1953-1962年共10年同步水位水位、流量觀測(cè)資料。本次對(duì)陳相屯站基本水尺斷面進(jìn)行了套繪,從河道斷面可以看出,沖淤變化不大,水位與流速的關(guān)系基本穩(wěn)定。根據(jù)1953-1962年的實(shí)測(cè)資料,繪制了陳相屯站水位與流量的關(guān)系曲線,分析了各年的H-A關(guān)系和H-V關(guān)系,采用史蒂文斯法對(duì)水流流量關(guān)系曲線高水部分進(jìn)行了外延。據(jù)此插補(bǔ)出陳相屯站1963-1992年的最高洪水位對(duì)應(yīng)的洪峰流量序列。

        焊接試驗(yàn):試件按規(guī)定組對(duì)后,用CO2氣體保護(hù)焊焊接拘束焊縫,焊接時(shí)嚴(yán)格控制了試件的角變形。拘束焊縫焊接24h后,完成試驗(yàn)焊縫的焊接。對(duì)板厚32 mm的鋼板不預(yù)熱,對(duì)板厚50mm的鋼板預(yù)熱80℃,分別采用焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

        從陳相屯站1953-1992年的洪峰序列與大東山堡站洪峰系列相關(guān)分析看出,兩站間相關(guān)關(guān)系較好(見圖3),其換算系數(shù)與《太子河堤防整治初設(shè)》中分析成果基本一致,這也說(shuō)明本次采用水流流量關(guān)系法插補(bǔ)的陳相屯洪峰序列成果是合理的。

        圖3 陳相屯-大東山堡站洪峰流量相關(guān)分析

        3.2 歷史洪水

        3.2.1 歷史洪水概況

        北沙河流域首次洪水調(diào)查是在1958年,當(dāng)時(shí)遼寧省水文總站編輯《洪水調(diào)查資料匯編》,附屬的大部分流量站,都做了洪水調(diào)查。1964年6月遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)歷史洪水調(diào)查進(jìn)行了復(fù)查,補(bǔ)充了1960年大水。通過(guò)調(diào)查,北沙河流域大洪水主要有1870年、1888年、1929年和1960年大洪水,陳相屯站1870、1929、1960年洪水洪峰流量分別為3160m3/s、1400m3/s、1400m3/s,大堡站1929、1888、1960年洪水洪峰流量分別為1060m3/s、959立m3/s、859m3/s。

        1995年7月渾、太流域發(fā)生了特大洪水,遼寧省水文局在大水過(guò)后即進(jìn)行了洪水調(diào)查。洪水過(guò)后,遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院也到實(shí)地進(jìn)行了洪水調(diào)查,并對(duì)1995年洪水做了重點(diǎn)分析。通過(guò)對(duì)兩次洪水調(diào)查資料的分析,確定1995年陳相屯站洪峰值為3600m3/s,大堡站洪峰值為1280m3/s,大東山堡站洪峰值為4000-5000m3/s。

        3.2.2 歷史洪水重現(xiàn)期分析

        北沙河流域洪水從量值上看,1995年最大,1870年次之。各站歷史洪水順位情況見表3。

        表3 北沙河大洪水順位表

        北沙河流域特大洪水的重現(xiàn)期可以從以下幾個(gè)方面加以分析:

        1) 北沙河是太子河支流,太子河文獻(xiàn)資料和洪水調(diào)查比較翔實(shí),基本查清了自1810年以來(lái)的大洪水,自1810年以來(lái),北沙河沒(méi)有記載其他有超過(guò)1870年洪水和1995年洪水的年份,故而,可以認(rèn)為1995年洪水是自1810年以來(lái)最大的,其重現(xiàn)期接近200a。

        2)北沙河位于太子河北側(cè),西北側(cè)毗臨渾河,北沙河的特大暴雨洪水與渾河具有地區(qū)上的一致性。自1746年后文獻(xiàn)記載完整無(wú)缺。通過(guò)文獻(xiàn)考證,認(rèn)為1746年、1810年、1870年洪水均≤1888年洪水。與清《東華續(xù)錄光緒朝卷九十》記載1888年洪水“詢之耆老,僉云此洪水實(shí)為百數(shù)年來(lái)所未有”,所述一致。故1995年、1888年洪水至少應(yīng)是1746年以來(lái)的第一、二位洪水,因此確定1995年、1888年洪水分別為250a一遇的第一、二位洪水。該成果已通過(guò)水規(guī)總院的審查。北沙河洪水重現(xiàn)期應(yīng)與渾河基本一致,并考慮自己的實(shí)際情況,為安全計(jì),1995年洪水重現(xiàn)期選定為200a一遇[2-4]。

        由以上幾個(gè)方面分析,1995年洪水洪峰的重現(xiàn)期確定為200a一遇,其他幾場(chǎng)洪水洪峰的重現(xiàn)期分別為200a一遇的第2、3、4位。

        大東山堡站峰量關(guān)系較好,1995年洪水各時(shí)段洪量重現(xiàn)期與洪峰重現(xiàn)期相同,也為200a一遇。陳相屯和大堡站1995年洪水較常年比1d洪量更為集中,但因缺乏考證資料,為安全計(jì),其洪量重現(xiàn)期也確定為200a一遇[2-4]。

        3.3 戈西河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        戈西河是排水河道,區(qū)間排水的洪峰流量,按排水模數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,具體公式如下:

        當(dāng)p≤5%時(shí):

        Qp=Kp×0.66×F0.824

        (1)

        式中:F為面積,km2;Kp為頻率系數(shù);Qp為設(shè)計(jì)流量,m3/s。

        當(dāng)p>5%時(shí):

        Qp=qp×F

        (2)

        式中:F為面積,km2;qp為排水模數(shù);Qp為設(shè)計(jì)流量,m3/s。

        在《北沙河流域防洪規(guī)劃》中,對(duì)戈西河p=2%、p=5%、p=10%、p=20%頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了計(jì)算,本次又補(bǔ)充了p=1%頻率下的設(shè)計(jì)洪水,最后成果見表4。

        3.4 馬峰河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        馬峰河是排水河道,區(qū)間排水的洪峰流量,按排水模數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,具體公式如下:

        當(dāng)p≤5%時(shí):

        Qp=Kp×0.66×F0.824

        (3)

        式中:F為面積,km2;Kp為頻率系數(shù);Qp為設(shè)計(jì)流量,m3/s。

        當(dāng)p>5%時(shí):

        Qp=qp×F

        (4)

        式中:F為面積,km2;qp為排水模數(shù);Qp為設(shè)計(jì)流量,m3/s。

        在《北沙河流域防洪規(guī)劃》中,對(duì)馬峰河p=2%、p=5%、p=10%、p=20%頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了計(jì)算,本次又補(bǔ)充了p=1%頻率下的設(shè)計(jì)洪水,最后成果見表5。

        表5 輸氣管線穿越馬峰河斷面最大組合洪峰流量表

        4 結(jié)論及建議

        4.1 結(jié)論

        根據(jù)水文成果分析及水面線計(jì)算,經(jīng)水文分析和水力計(jì)算,管道工程穿越柳壕河處P=5%設(shè)計(jì)流量為58.5m3/s,對(duì)應(yīng)水位為21.7m;管道工程穿越新開河處P=5%設(shè)計(jì)流量為331.70m3/s,P=10%設(shè)計(jì)流量為331.70m3/s,對(duì)應(yīng)水位分別為40.3m和38.8m;管道工程穿越戈西河處P=5%設(shè)計(jì)流量為46m3/s,對(duì)應(yīng)水位為22.14m;管道工程穿越馬峰河處P=5%設(shè)計(jì)流量為60m3/s,對(duì)應(yīng)水位為21.29m[5-8]。

        4.2 建議

        1)管道采用大開挖方式穿越堤防,破壞了堤防與河道底部的原有防滲層,在洪水期容易形成滲漏通道并進(jìn)而產(chǎn)生管涌,威脅堤防的安全。全部開挖斷面都采用防滲黏土并按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中壓實(shí)度要求回填,同時(shí)為了保護(hù)黏土不被洪水沖刷,黏土表面還需要防沖結(jié)構(gòu)。針對(duì)管線穿越堤防與河道的具體情況,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件,建議對(duì)管線穿越堤防的局部區(qū)域采取防滲措施。在堤防段回填完成后,對(duì)堤防的臨水面修建護(hù)砌與防沖護(hù)腳,要求防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)不低于原堤防的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

        2)對(duì)于現(xiàn)狀無(wú)堤,河道范圍無(wú)明確界限的河流,建議以河槽兩岸高坎外50m為本次管道穿河范圍。

        3)河道內(nèi)管道埋深應(yīng)統(tǒng)一按河道最深點(diǎn)高程減去相應(yīng)河道規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水流量下沖刷深度設(shè)計(jì)以保證管道的安全運(yùn)行??紤]到管道的重要性,最好按20a沖刷深設(shè)計(jì)[9-10]。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        管道采用大開挖法穿越堤防,會(huì)破壞原有的防滲土層,在洪水期容易形成滲漏通道并進(jìn)而產(chǎn)生管涌,威脅堤防的安全。目前戈西河、馬峰河兩岸有堤防,新開河左岸有堤防,管道施工會(huì)給堤防帶來(lái)不利影響。

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