狭窄型河道断面形式及糙率选取的研究

薛文斌

（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450001）

1 引言

在以往的中小河流治理工程中，基本上选取单一综合糙率推求洪水水面线，在防洪设计标准下河道断面往往较大，需要对沿河两岸的居民和企业安置拆迁，狭窄性河道更为突出。因此，如何因地制宜、因势利导地选择河道断面尤其重要，本工程案例按照“以人为本，人水和谐”的建设理念，针对狭窄河道的特点，在满足防洪标准及行洪安全的前提下，提出箱涵结合明渠的断面形式，选取合理的河道糙率推求水面线，同时兼顾了防汛管理道路及两岸居民交通出行需求，利用河道内的基流在中间明渠内形成水面工程，打造水清可观、岸绿可游、街繁可贸的滨水活力特色水街。

2 案例分析

2021 年7 月20 日，河南某市遭遇极端连续强降雨，受特大暴雨影响灾情严重，当地统筹防洪安全、城镇提升、生态修复和产业发展，高标准组织开展灾后重建工作。境内某干流在这次洪水灾害中发挥防洪作用的同时，也遭受了不同程度的损毁，为保障流域内河道继续发挥行洪作用，当地对河道等水利基础设施进行了恢复。某河道作为该干流的一级支流穿镇区而过，沿河有居民、工业厂区等，防洪任务重要，通过现场暴雨洪水调查，根据水面线分析计算成果，因地制宜、结合现状提出对箱涵结合明渠断面的治理方案，全面恢复该河道的泄洪功能。

3 狭窄河道断面形式的确定

目前，河道治理工程采用的断面主要以矩形、梯形和复式断面为代表[1]。矩形断面一般用于规划河宽较小的河段，两岸采用直立式重力式挡墙防护，征地拆迁工作量较小，但亲水性差；梯形断面一般用于开阔河段，两岸采用自然放坡，工程投资较小，但较大的开挖断面带来占地面积大；复式断面一般用于河道宽阔的河段，亲水性好，但占地面积大投资高。

3.1 工程背景

本次研究对象为该河道穿镇区段，长度约0.6 km，现状河道萎缩严重，基本失去原有河道面貌，本次通过开挖护砌措施，恢复河道行洪功能，保护沿河两岸居民的生命财产安全。本段河道现状断面形式为暗涵，尺寸为2 m×2 m，过流能力为5 m3/s，两侧紧邻为乡村道路、临街商铺和民房，若考虑为常规的矩形或梯形断面，一是存在征地拆迁任务重，拆迁建筑面积约20 760 m2；二是两岸居民出行困难。综合考虑，因地制宜创新采用箱涵结合明渠的河道断面形式。根据GB 50201—2014《防洪标准》中规定，防护对象的防洪标准应根据防护对象的重要性、历次洪灾情况及政治、经济影响，并结合防护对象和防洪工程的具体条件来确定。本次河道治理工程河道设计防洪标准为20 年一遇，防洪建筑物级别为4 级。

3.2 河道断面形式设计

根据河道所在位置地形、地质条件，河道断面要素，箱涵顶部道路等级，在满足涵下净空需求的前提下，选择施工工艺简单的断面形式，横断面采用单孔箱涵（5.2 m）+明渠（8 m）+单孔箱涵（5.2 m），明渠采用格宾石笼护底，箱涵采用C30 现浇钢筋混凝土结构。箱涵基础下素土需经夯实处理，地基承载力特征值不小于120 kPa，局部淤泥等不良地质条件采用人工碎石土换填；箱涵施工缝设置在底板以上0.8 m 处，缝中设置镀锌止水钢板。箱涵顶宽5.2 m：3.5 m（单车道）+1.7 m（人行道），人行道临河侧设置混凝土仿木栏杆安全栏杆，桥面横坡设计为双向2%，桥面铺装使用沥青混凝土，厚度为100 mm。箱涵净空：顶板底高于20 年一遇洪水位0.5 m。本次设计的箱涵结合明渠断面形式，在满足设计标准下河道行洪安全的前提下，兼顾了防汛管理道路及两岸居民交通出行需求，再者可利用河道内的基流，在中间明渠内形成水面工程。如图1、图2 所示。

图1 箱涵结合明渠断面形式三维模型

图2 箱涵结合明渠典型断面形式

3.3 结构设计与计算

本次设计行洪箱涵兼顾道路的作用，设计汽车荷载等级为城-B 级，设计安全等级为二级，环境条件Ⅱ类，依据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的规定，结构进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算，得出车辆荷载为40 kN（两个轮），车道均布荷载为7.88 kN/m，集中荷载为202.50 kN。

3.4 抗滑稳定验算

抗滑稳定计算采用承载能力极限状态下的基本组合，作用效应分项系数均为1，抗滑稳定安全系数Kc采用式（1）计算：

式中，f 为箱涵基底面与地基之间的摩擦系数；∑H 为作用在箱涵上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑G 为作用在箱涵上全部平行于基底面的荷载，kN。

经验算，Kc=5.82，箱涵抗滑稳定性满足要求。

3.5 地基承载力验算

地基承载力计算采用式（2）、式（3）计算：

式中，pk为标准组合中基础底面处的平均压力值，kPa；pkmax为标准组合中基础底面边缘的最大压力值，kPa；Fk为标准组合中上部结构传至基础顶面的竖向力，kN；Gk为基础自重和基础上的土重，kN；A 为基础底面面积，m2；fa为修正后的地基承载力特征值，kPa；Mk为标准组合中作用于基础地面的力矩，kN·m；W 为基础底面对于该底面形心的抵抗矩，m3。

经过验算，pk=114 kPa，pkmax=120 kPa，地基承载力满足要求。

4 狭窄河道洪水水面线河道糙率分析

河道糙率是反映河段形态、河床面粗糙程度影响水流流态的阻力系数，对部分天然河段来说，无均匀流条件，因此，糙率分析大多以天然河道单一形态河段为基本点。通常情况下，水文站河段近似符合均匀流公式，计算获得的单断面糙率精度相对较低，缺乏代表性[2]。针对天然河道糙率进行分析和计算的过程中，需要综合考虑河道平面形态、断面几何形式等。

结合本河道平面形态和断面几何形式进行分析，不同过流断面处河道糙率具有较大差异，从而在推求不同流量水面线的过程中，需要选择相适应的糙率。本次河道洪水水面线应用HEC-RAS 软件进行计算分析，结合实际合理设置不同水位断面处的糙率，全面反映出狭窄河道不通过断面位置河道糙率的取值范围。借助伯努利能量方程计算狭窄河道洪水水面线，公式为：

式中，Z上、Z下分别为上、下游断面水位，m；a 为断面动能改正系数；g 为重力加速度，取9.81 m/s2；V下为下游断面平均流速，m/s；hw为上下游断面之间的水头损失，m。

通过计算分析，本次河道治理在不同断面位置处的河道糙率取值范围为0.0125～0.025。选取结果如表2 所示。

表2 箱涵结合明渠断面糙率选取表

河道糙率是有效推求洪水水面线的重要参数，在计算水面线的过程中，选取边界条件参数的过程中，需要最大限度地保证其准确度[3]。对于狭窄河道推求河道水面线的过程中，在平面形态和断面几何形式较均一时，选取河道糙率时，通常可以选择单一综合糙率；当推求河道同一过流断面但存在多种几何形式的洪水水面线的过程中，需要结合河道的衬砌结构类别及特征选取合理的河道糙率，从而进一步保证设计洪水标准下河道水面线的准确性。

5 狭窄型河道治理策略探讨

5.1 选择合理的断面形式

1）满足防洪要求。在河道治理的过程中，防洪是最基本也是最重要的任务，要始终把保障人民生命财产安全放在第一位，河道堤防是防洪的屏障，河道治理就是要筑牢防汛的“生命线”，守好民生的“水位线”。

2）选择稳定性好的护岸结构。坚固的护坡结构可防止行洪时河岸坍塌，也可有效维护河道整治后的成果，防止河道再次被侵占。

3）坚持整体性原则。统筹规划、协调河道治理与城镇规划、生态环境、桥梁、道路等相关工程的关系，科学的规划建设，实现水利工程与环境的协调可持续发展。

5.2 尽量减少征地拆迁

1）充分调查。河道治理不仅是工程治理、水质治理，其主要体现的是“以人为本”，应该加强调查研究，了解工程区周边居民及受益群众的心理需求，治水要实地调查贴合实际，充分调研论证，用民生工程惠民生赢民心。

2）科学严谨。河道治理的目的是修建堤防、稳定河势，确保防洪安全，应严格按照规范要求确定防洪标准，多方案比选优化，结合以往河道治理的经验，制定科学合理的方案。

3）经济最优。拆迁占地是制约中小河道治理工程进度及效果的重要因素之一，设计阶段通过合理确定防洪标准，确定工程红线范围，科学优化河道断面，在保障河道行洪安全的前提下，最大限度地减低工程拆迁占地面积，从而保障工程顺利实施；河道治理也应与周边沿线经济的发展相呼应，把生态资源转化为经济优势，助力乡村振兴。

6 结论

针对狭窄河道，应充分分析其形成的原因，在治理过程中科学合理地选择河道断面形式，准确选取河道糙率，对推求洪水水面线的精度有较大影响，这就要求设计人员在推求水面线的过程中确保选择边界条件参数的准确度。另外，结合工程实际，兼顾周边群众利益和需求，制定相适应的防洪策略是河道治理工程中的重要一环。