过水路面涵管桥防洪影响评价及方案优化探讨

彭江鸿

（湖北省荆州市水文水资源勘测局,湖北 荆州 434000）

1 工程概况

某公司投资年产200 万t石灰岩及加工开采项目。矿区位于B河道右侧,B河道左右两岸为山体石灰岩石,居民住宅零星分散,由于B河道右侧无道路通往矿区,根据现场查勘,需在B河道上新建一座过河便道从左岸通往对岸矿区,其河道上游无其他水利工程,下游约800 m处有一座B河桥。河道走势及工程位置见图1、图2,涵管桥所处河道断面为控制断面。涵管桥中心线与河道夹角42°,宽7.5 m,共8孔,孔径1 m,桥顶高程为149.2 m（1985 国家高程）,承雨面积64.2 km2,主河道长度15 km,河道坡降10‰。据洪水调查,2014 年B河道发生一场5 年一遇洪水,水位距B河桥面以下约0.5 m处,已淹没地势偏低的房屋、农田,B河道防洪标准10 年一遇。

图1 河道走势图

图2 流域面积及工程位置示意图

该项目初步设计方案过河便道采用过水路面涵管桥（简称涵管桥）,根据《中华人民共和国防洪法》相关规定,对涵管桥进行防洪影响评价。

2 防洪评价计算

本次洪水计算采用瞬时单位线法、地区经验公式法和推理公式法三种方法。设计洪水频率P分别为95%、50%、20%、10%、5%、2%、1%。

2.1 瞬时单位线法推求设计洪水

2.2.1 设计暴雨

根据涵管桥河段以上流域形心位置查相关图集得出设计点雨量均值H和变差系数Cv。

1 小时：H1=49 mm,Cv=0.48；

6 小时：H6=84 mm,Cv=0.48；

24 小时：H24=122 mm,Cv=0.47。

设计暴雨点雨量Hp点=Hkp,kp查CS=3.5CVP-Ⅲ型曲线。涵管桥河段短历时点暴雨资料Kp值见表1。

表1 涵管桥河段短历时点暴雨资料Kp值

采用点面系数法计算各时段面雨量：

各历时面雨量两两相减,即得各个Δt=1 h的时段面雨量。涵管桥河段设计点面暴雨成果见表2。

表2 涵管桥河段设计点面暴雨成果表

设计净雨按扣除初损和稳损的方法推求[1]。净雨时段Δt为1 小时,与瞬时单位线时段一致,净雨历时tc为12小时。按设计雨型排列后的面雨量过程顺次扣除初损22.5 mm后再扣除稳损,即可求得设计净雨过程,其中稳损计算公式为：

式中：R24为24 h总径流深,mm,R24=H24面-22.5。

2.1.2 工程所处河段汇流计算

①地表径流

地表径流按瞬时单位线法进行产汇流计算,该流域位于水文分区第Ⅶ区,其瞬时单位线参数计算公式为：

式中：F为流域面积,km2；L为主河道长,km；J为主河道比降,‰。

②地下径流

β为退水指数,β=0.133F-0.28；T为地面径流过程底宽。

③设计洪水过程

将地表径流和地下径流叠加即可得出设计洪水过程。

2.2 地区经验公式计算设计洪水

可参考中小流域洪峰流量地区经验公式推算法,计算公式为：

式中：Qm为相应频率的洪峰流量,m3/s；K为与流域面积、形状有关的综合系数,取0.590；β为造峰指数,取1.4 ；Ht为造峰雨量,mm。

2.3 推理公式法计算设计洪水

小流域设计洪峰流量推理公式法计算公式为：

式中：Qm为设计洪峰流量；K1、K2、K3、K4为暴雨递减指数n的函数；s为雨力；m为汇流参数；u为损失参数；为流域特征参数；F为流域面积,km2。

2.4 洪水成果合理性检查

三种方法比较,推理公式法计算结果偏小,瞬时单位线法和经验公式法计算成果接近,2 年一遇设计洪水瞬时单位线法推算结果与小流域地区经验公式法推算结果十分接近。由于地区经验公式法采用24 h点暴雨资料,没有考虑流域坡降,不适合流域汇流特点。综合三种方法比较（表3）,本次推荐采用瞬时单位线法推求的设计值。

表3 控制断面不同计算方法推求洪水成果比较

2.5 壅水分析计算

涵管桥前最大壅水高度采用道不松公式[2]为：

式中：L为壅水曲线长度,m；I为水面比降。

经计算,涵管桥前最大壅水高度1.84 m,最大壅水曲线长度368 m。上游住户较少,因此影响较小。但应注意堆料场的位置,避免被洪水淹没。

2.6 冲刷分析计算

涵管桥河段处河床质为冲洪积卵石土层、风化石。工程建成后,根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTJ 062-2002）,按照非黏性土,一般冲刷深度按公式7.3.1-1 计算,涵管桥局部冲刷按公式7.4.1-8 计算。

经计算,涵管桥一般冲刷最大水深为7.77 m,最大冲坑深为3.2 m,严重侵蚀河床,影响河床稳定,需采取措施保护河床,涵管桥基础应在冲刷线2 m以下。涵管桥处洪水频率为95%、50%、20%、10%、5%、2%、1%的局部冲刷深度分别为0.03 m、0.10 m、0.14 m、0.16 m、0.17 m、0.19 m、0.20 m。相对于主河槽宽达22 m的B河道,来水不会造成明显变化,基本可以防范下游河床的河势摆动。

3 防洪综合评价

3.1 不同工况条件下河道行洪安全

（1）桥面非淹没时涵管桥过流能力验算

此工况涵管按照短洞有压流计算,涵管过流能力计算公式为：

式中：n为涵管数；μc为管道流量系数；A为单孔涵管过水断面面积,m2；∆Z为水头差,m。计算结果Qd=15 m3/s,可见涵管过流能力小于设计洪水频率95%时控制断面流量45 m3/s,极易发生漫水。

（2）桥面淹没时涵管桥过流能力计算

当桥面淹没时,底孔按短洞有压流计算,桥面按宽顶堰流计算公式为：

式中：δc为侧收缩系数；m为自由溢流的流量系数,与堰型、堰高等有关；b为堰顶宽度,即桥面总长,m；H为包括行近流速水头的堰前水头,m；Vo为行近流速水头,m/s。

涵管桥过流能力Qz=Qm+Qd。不同频率条件下涵管桥过流能力及控制断面设计流量见表4,涵管桥过流能力接近50 年一遇洪水。当涵管桥淹没时,控制断面满足河道过流能力。

表4 不同频率条件下涵管桥过流能力及控制断面设计流量

3.2 不同频率洪水条件下生产安全分析

（1）不同频率洪水条件下生产安全

由图3 涵管桥所处河道横断面右岸岸坡高程为149.8 m,左岸进场道路高程为150.8 m。通过洪水分析和壅水计算,2 年一遇洪峰流量为124 m3/s时,水位为150.34 m,已经超过河道右岸岸坡高程,5 年一遇洪峰流量为211 m3/s时,水位为151.18 m,超过左岸道路高程,淹没进场道路,影响生产进度和安全。

（2）影响涵管桥通行天数分析

涵管桥面高程149.2 m,当涵管桥所处河道断面水位达149.5 m时,将会影响涵管桥、人员及车辆通行。因此,影响生产安全的临界水位为149.5 m,临界流量为45.4 m3/s,推算临界雨量为55.7 mm。B河道横断面测量见图3。

图3 B河道横断面测量图

以工程附近一处雨量站为代表站,选取1970 年、1983 年、1991 年、2006 年、2014 年5 年代表年,分析逐日雨量,平均超过临界雨量15 d,丰水年日降雨量超过临界雨量的洪水过程历时约20 d~35 d,可以保证生产天数,建议在洪水过程中暂停施工,进行其它作业和机械维修,尽量不影响生产的进度与安全。

3.3 综合影响分析

当洪水频率超过涵管桥设计洪水标准,将会影响下游B河桥的堵塞和桥墩安全,因此涵管桥的设计标准应该高于B河桥。

洪水壅高增加上游淹没面积和淹没深度,影响沿河房屋农田安全,应该将低水位处居民住宅搬迁,做好相关补偿工作。

涵管桥建成后断面阻水面积增加,流速变大,左岸主槽会以冲刷为主,右岸略有淤积,建议采取相关措施护岸护底。

4 工程影响防治措施

工程建成以后,为防止水流对下游河底及河岸（尤其左岸）局部冲刷,建议在河道两岸严格夯实恢复原貌,采取护岸护底措施,防止过桥水流对两岸坡脚处的冲刷诱发山体滑坡。

由于涵管桥基础结构较大,应该采取相关措施及时清除上游漂浮物及清淤,防止漂浮物对水流的影响。矿区沿河道修建挡砂墙,防止砂土流失淤塞河道。

制定工程施工度汛方案及防洪抢险应急预案,建立完善的管理规章制度和档案,规定规范施工人员的活动范围,确保安全；对弃土、弃渣等要有及时的处置措施。

加强天气预报及水情测报,密切关注B河道上游水雨情信息,保障项目生产安全。同时在工程断面及进出场的路段设置警示标志牌,当水位达到149.5 m,严禁人员和车辆通行。

5 涉河过道方案及探讨

涵管桥易被洪水淹没影响生产天数,由于断面阻水面积较大,易形成壅水和冲刷,必须做好河床防护措施,为减小洪水通过桥面时的影响,提出皮带输送机和漫水桥两种方案以供参考。

（1）跨河皮带输送机

河道两岸各设置一处钢支架,皮带输送机跨B河道,将右岸矿区矿料装入皮带输送机料斗,通过皮带输送机将矿料送至左岸,直接装入运输车辆。皮带输送机底部高程应不低于100 年一遇洪水水位、壅高水位与安全超高三者之和。当洪水较大时,利用皮带传输机输送石料利于生产进度和人员设备的安全,且不受洪水淹没限制,可以更好满足生产时间要求。

（2）漫水桥

漫水桥是建立在河流上的简易桥梁,水位上涨时可以漫过桥面,但相较涵管桥减小了河道阻水面积,利于河道行洪安全,且成本较低[4]。

6 结论

本文对涵管桥进行防洪影响评价,通过验算涵管桥过流能力,分析不同频率洪水条件下的生产安全及影响通行天数,提出工程影响防治措施。建议项目可行性研究及初步设计阶段应综合考虑洪水对涉河过道的影响及涉河过道对行洪的影响,选择最优方案。皮带输送机和漫水桥两种涉河过道方案防洪影响有待进一步研究。