柴河水库下游河道防洪能力分析

王宇明

(中铁北方辽宁总部中铁东北投资发展有限公司，辽宁 沈阳 110003)

近年来由于经济社会的快速发展，对于河道防洪工程的投资建设也在不断加大。虽然客观上来说这些工程措施为河道治理提供了有力条件[1- 2]，但同时受到桥梁、景观公园等建筑物建设、人类采砂活动等因素的影响，原本的河道防洪能力也产生了不同程度的变化[3- 4]。为了准确评判河道的行洪能力，需要根据研究区河道自身的特点对其进行科学的河段划分[5- 7]，选取合适的观测断面，确定准确的特征水位分析[8]，并结合河道上现有的水利工程的控制和调节作用[9]，科学合理地指导防汛抗旱工作。

1 研究区概况

1.1 河道情况

柴河作为辽河的一级支流发源于辽宁省清原县天桥岭，整个流域面积为1441km2，长度为133km，全河比降为1.91‰。历史上柴河曾发生过多次洪涝灾害，为控制柴河洪水、减轻辽河防汛的压力，于1972年在柴河上游熊官屯乡兴隆店修建了柴河水库，控制面积1355km2，占流域面积的94%。水库建成后预计消减设计洪水90%，对水库下游的河道防洪起到了十分明显的作用[10]。水库下游属低丘平原河流，地势平坦。

1.2 工程现状

柴河水库下游治理长度为6.3km，治理型式主要为堤防和护岸。其中柴河大桥下游左岸为铁岭市城区，属辽河回水段，堤防设计标准100a一遇；柴河大桥至柴河橡胶坝属于城郊段，防洪标准为50a一遇；柴河橡胶坝以上为农村段，基本无堤，防洪标准为20a一遇。柴河水库下游跨河桥梁共5座，跨河闸坝共3处。

2 现状河道防洪能力分析

2.1 现状堤防修建情况

柴河水库下游主要为铁岭市，两岸合计治理长度6.3km，其中左岸4.0km，右岸2.3km。其中长大铁路桥下游紧邻辽河大堤，属于柴河入辽河河口段；长大铁路桥至柴河大桥段是铁岭城市防洪辽河100a一遇标准回水段，现状左岸建有堤防，治理长度2.3km，设计标准为辽河100a一遇，右岸紧临长大铁路桥段建有堤防1.0km。柴河大桥至柴河橡胶坝段防护型式主要以墙式护岸或路岸结合为主，两岸总计治理长度3.0km，其中左岸1.7km，右岸1.3km，防洪标准50a一遇；柴河橡胶坝以上河段为铁岭市农村段，防洪标准为20a一遇，但该段无系统建设的堤防或护岸，主要以高地为主。

2.2 计算方法

2.2.1模型采用

由于柴河水库下游缺少历史实测地形等相关资料，且整个下游河道相对顺直，基本未出现水流横向流动情况，因此可采用一维数学模型对河道防洪能力进行分析与研究。

通过一维水力模型计算水面线，河道、桥梁处均采用能量方程进行计算，其计算公式为：

(1)

(2)

式中，Z1，Z2—上下游河道断面的河底高程，m；Y1，Y2—上下游河道断面水深，m；V1，V2—上下游河道断面平均流速，m/s；he—水头损失，m；α1，α2—修正系数；L—河段长度，m；Sf—断面比降；C—收缩系数。

当桥地板高程高于过桥水位且低于上游来水水位时，过水能力方程计算公式为：

(3)

式中，Q—过水流量，m3/s；Cd—压力流流量系数；ABU—过水面积，m2；Y3—桥上游断面的水力深度，m；Z—桥上游下弦到河底的距离，m。

当上游来水过桥时形成淹没出流，桥面以上出现堰流。桥面以下形成全压力流，其计算公式为：

(4)

式中，Q—桥面以下压力流流量，m3/s；C—流量系数；A—过水面积，m2；H—行进流速水深，m。

堰流方程如下：

(5)

式中，Q—过水流量，m3/s；C—堰流流量系数，m3/s；L—过水宽度，m；其余变量含义同前。

2.2.2计算条件

(1)地形资料。本次计算横断面资料主要采用2020年实测地形，柴河水库下游河段计算长度11.4km，计算断面20个；平面图采用2019年航拍图。

(2)起始断面和起点水位。在辽河设计、柴河相应工况下，辽河回水末端在柴河大桥，起始断面长大铁路桥受辽河洪水影响。当辽河发生100a一遇洪水时，辽河设计流量6779m3/s，柴河河口处设计水位62.24m；当辽河发生50a一遇洪水时，辽河设计流量5718m3/s，柴河河口处设计水位61.63m。辽河洪水控制工况下起始断面和起点水位见表1。

表1 辽河洪水控制工况下起始断面和起点水位成果

由表1的水位成果可以看出，辽河100a一遇和50a一遇时的水位均高于长大铁路桥下游柴河灌区拦河闸的坝顶高程60.55m，因此辽河的回水对其上游有一定影响。

在柴河设计、辽河相应工况下，辽河回水末端在柴河灌区拦河坝，起始断面长大铁路桥(位于柴河灌区拦河坝上游)不受辽河洪水影响。该工况主要是为确定柴河大桥上游段河道实际行洪能力，其中城市段防洪标准为50a一遇，农村段防洪标准为20a一遇。根据辽宁省水利水电勘测设计研究院编制完成的《柴河水库除险加固工程初步设计报告》(2006年5月)，柴河水库不同频率洪水调节成果见表2。长大铁路桥下游200m处建有柴河灌区拦河闸，溢流坝长度150m，坝顶高程60.55m，设3孔泄洪闸，闸室净宽8.5m，受其壅水的影响，断面(C2)不同频率的起点水位成果见表3。

表2 柴河水库洪水调节成果

表3 柴河洪水控制工况下起始断面和起点水位成果

2.2.3糙率

柴河水库下游由于缺少实测洪痕资料，本次根据现场查勘并参考《水力学计算手册》，主河槽糙率取值在0.025～0.028之间，滩槽糙率取值在0.032～0.045之间。

2.3 现状行洪能力复核

柴河水库下游段主要流经铁岭市，为现状河道防洪能力分析与研究的重点，分析与研究范围为柴河水库溢洪道入柴河处至长大铁路桥，河道长度11.4km。

2.3.1辽河洪水控制工况

辽河洪水控制工况下，辽河回水影响河段为长大铁路桥至柴河大桥段，该段左岸为铁岭市城区，建设回水堤2.3km，设计防洪标准为辽河100a一遇。右岸为铁岭农村段，防洪标准为50a一遇，该段不受辽河回水影响，因此右岸列入柴河洪水控制工况下进行分析计算。经过计算，现状堤防防洪能力达标情况见表4。

表4 辽河回水段防洪能力达标情况 单位：m

由表4可知，辽河回水段现状堤防高度达标。由于该段堤防为辽河铁岭市城市防洪工程，因此堤防防洪能力参照辽河。

2.3.2柴河洪水控制工况

柴河洪水控制工况下，辽河回水末端在长大铁路桥，长大铁路桥上游河段不受辽河影响。

柴河大桥至柴河橡胶坝(二道坝)为铁岭市城郊，两岸基本建有墙式护岸或岸堤，设计防洪标准为50a一遇；柴河橡胶坝以上是农村段，防洪标准20a一遇，两岸以低丘为主，现状无堤防。

根据河道特征及观测要求，柴河水库下游划分为2段分别进行观测，即溢洪道入柴河处至柴河橡胶坝段，河道长度8.1km，观测断面设在熊官屯大桥处；柴河橡胶坝至长大铁路桥段，河道长度3.3km，观测断面设在柴河大桥处，其中柴河大桥至长大铁路桥左岸为辽河的回水段，堤防保证水位主要受辽河洪水影响，本次按柴河设计，因此只考虑右岸。

熊官屯桥附近的右岸建有企业，且熊官屯乡距右岸岸边只有300m，保护对象比较重要，此处设置观测点比较有代表性，且便于观测。

柴河大桥位于铁岭城区段的中部，上游至柴河橡胶坝段两岸建有护岸，防洪标准为50a一遇，两岸城市配套较好，保护对象重要。柴河大桥下游左岸为辽河回水段。此处设置观测点可以全面反映城区段水情变化情况，代表性强，观测方便。

以2020年实测地形资料计算现状河道的行洪能力，现状行洪能力成果见表5。

表5 柴河水库下游河道现状防洪能力成果

2.4 柴河水库下游段成果分析

柴河橡胶坝下游为铁岭城市段，本次复核考虑的河段包括柴河橡胶坝至柴河大桥段左、右岸和柴河大桥至长大铁路桥段右岸，防洪标准均为50a一遇。其中柴河大桥至长大铁路桥段右岸仅在长大铁路桥上游建有堤防1km，通过复核计算，C4断面位置右岸的过流量为499m3/s，小于50a一遇的防洪设计标准518m3/s，该段过流能力较小的主要原因是随着城市的发展，城市建设不断挤占河道，河道内阻碍防洪建筑物较多，造成行洪断面变小，防洪能力降低。柴河大桥至柴河橡胶坝段防洪标准为50a一遇，主要以墙式护岸和高地为主，基本满足50a一遇标准的洪水过流要求，其中C7断面过流能力最小，左岸保证流量643m3/s，右岸保证流量718m3/s，相对较低的原因是左岸修建滨河公园，右岸城市建设挤占河道。

3 成果分析

柴河大桥观测点主要控制柴河橡胶坝至长大铁路桥段(不含辽河100a一遇洪水回水段左岸)，该段为铁岭市城区，河道长度3.3km，防洪标准50a一遇，相应洪峰流量为518m3/s，左岸最小过流能力断面为C7，保证水位为63.42m，保证流量643m3/s，观测点相应保证水位63.29m；右岸最小过流能力断面为C4断面，保证水位为62.46m，保证流量为499m3/s，观测点相应保证水位62.98m。城区段基本建有防洪工程，警戒流量取287m3/s，观测点相应警戒水位是62.24m。

为保护现状耕地(含滩地内)，计算柴河水库下游旱田保证水位及保证流量，成果见表6。

表6 柴河水库下游旱田保证水位及保证流量

4 结语

(1)部分河段防洪能力不达标。柴河大桥至长大铁路桥段C4断面右岸过流能力为499m3/s，低于50a一遇洪峰流量518m3/s；下肥地乡的左岸保证流量653m3/s，右岸保证流量513m3/s，均低于10a一遇设计洪峰流量742m3/s；上肥地乡的左岸保证流量588m3/s，低于10a一遇设计洪峰流量606m3/s。上述河段汛期应加强防护，做好应急救援预案，对于有堤段应对防护工程进行加固加高。

(2)临河建筑受洪水威胁较大。熊官屯桥上、下游的右岸靠近河道处建有村屯和企业，且距离河道较近，高程较低，当流量达到300m3/s时，村屯就受到威胁，该段汛期应加强巡视，且应修建防护工程，保护村屯和企业的安全。