范鐘軼，朱殿芳，李 果，郭志學(xué)

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.成都市政工程設(shè)計研究院，四川 成都 610065)

1 概述

城市內(nèi)河對城市用水、排污、防洪、綠化等都有著重要的影響[1]，隨著城市建設(shè)步伐加快，城市人口迅速增加，城區(qū)用地越來越緊張，大量的居民樓、生產(chǎn)作坊建立在河道兩岸，嚴(yán)重侵占河道有效行洪面積，河道越來越窄，削弱了城市內(nèi)河的防洪功能，洪澇災(zāi)害時有發(fā)生。在一些城區(qū)，這類現(xiàn)象尤為明顯，城區(qū)河道的改造，是許多城區(qū)的重點建設(shè)項目。不少學(xué)者以實際工程為例，針對城市內(nèi)河提出了一些解決思路。

李新芝等提出通過對護(hù)岸、護(hù)坡的整治和優(yōu)化，以此來增大主槽的過流能力[2- 5]?？姶蠛甑戎赋龀菂^(qū)河道現(xiàn)狀存在的主要問題是防洪范圍小、標(biāo)準(zhǔn)低、局部地區(qū)洪澇問題突出，建議從河道總體布局上著手，對堤線進(jìn)行合理地布置，提高河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)，加強河道的監(jiān)督管理工作[6- 8]。以上學(xué)者從不同角度入手提出了城市河道改造的方法，主旨都是以拓寬河道來實現(xiàn)防洪能力的提高，但是兩岸建筑物占用河道過流面積的情況已經(jīng)很嚴(yán)重，如果拓寬河道，會產(chǎn)生兩岸大量的拆遷工作，工程量大且對河道兩岸居民造成較大的困擾。本文針對這種情況，提出了通過改變河床比降、調(diào)整河道縱坡來提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn)的辦法。

2 行洪方案調(diào)整思路

河道改造設(shè)計一般都以拓寬河道為主，以滿足河道防洪標(biāo)準(zhǔn)。但很多城市河道因兩岸居民房屋、生產(chǎn)作坊、綠化景觀等現(xiàn)實問題，往往導(dǎo)致河道無法按照規(guī)劃寬度形成。針對城區(qū)河道改造面臨的這些問題，在上、下游河道已經(jīng)改造完成，上游來流量、控制水位和下游河床高程已經(jīng)確定，且河道寬度受限的情況下，提出行洪方案的調(diào)整思路。

限定一定范圍內(nèi)的不同河道寬度，通過調(diào)整河床比降J可以得到不同的水面線。調(diào)整方案中束窄的河寬B與河床比降J的變化將會引起工程范圍內(nèi)某一斷面的水深變化Δh，同時河床比降的調(diào)整會導(dǎo)致河床高程的變化ΔH。首先要保證調(diào)整方案中工程對上游已改造河段不造成壅水影響，需滿足入口控制斷面水位變化值Δh小于等于比降調(diào)整后河床高程變化值ΔH，水面線與上游段出口斷面水位平順，即滿足：Δhi-ΔHi∝0。其次要保證河道河堤堤頂超高不低于防洪規(guī)劃要求，即擬改造河段考慮河道束窄、比降調(diào)緩影響后的水位高度不超過河堤安全超高要求。

縮窄河寬、增加槽深有利于增加河道的排洪能力。城市內(nèi)河整治中，除了應(yīng)滿足防洪要求，還需要考慮工程量與工程投資等限制因素，城區(qū)河道整改投資主要涉及河道開挖、堤防重建、建筑拆遷、綠化恢復(fù)、清淤維護(hù)等方面。河道清淤是城市內(nèi)河治理內(nèi)容與其它河流的重要區(qū)別之一。城市內(nèi)河的設(shè)計管理中需要考慮設(shè)計方案對后期清淤工程的影響。河床比降調(diào)整同時會引起河床沖淤變化，泥沙在河道淤積會導(dǎo)致河床比降進(jìn)一步變緩，增加水位壅高，既不利于行洪安全，也給河道清淤增加了投資。在滿足行洪要求的同時，通過縮窄河寬，提高河道輸沙能力，使河道在定期清淤的情況下，河床比降能長期保持穩(wěn)定。計算河道淤積的方法主要有斷面法和輸沙率法兩種方法，通過對比河道平均淤積變化，可以選擇安全經(jīng)濟(jì)的調(diào)整方案[9- 10]。

3 錦江城區(qū)河道整治方案

3.1 概況

河段位于四川省成都市世紀(jì)城下游天府新區(qū)核心地段，北起錦江排洪總出口三期工程(天府大道)，南至牧華路，總長約9.6km。起點樁號K00+00至樁號K60+00，規(guī)劃河道堤頂頂寬為116m；樁號K60+00至樁號K83+00，規(guī)劃堤頂頂寬120m；樁號K83+00至工程末端K96+00規(guī)劃頂寬170m。河段上、下游河道已經(jīng)按規(guī)劃實施了改造，預(yù)留河段比降0.8‰。

在規(guī)劃的河道寬度下，工程能夠達(dá)到200年一遇防洪要求，河勢也比較穩(wěn)定。但從起點樁號K00+00至樁號K60+00，現(xiàn)狀條件下堤頂兩側(cè)遍布居民樓、工廠和生產(chǎn)作坊，按規(guī)劃岸頂寬116m實施，拆遷量巨大，實施難度較大。從實地調(diào)查情況來看，這一河段現(xiàn)狀堤頂寬度僅90m，若河道按規(guī)劃縱坡實施，河段兩側(cè)堤防高度普遍超過規(guī)劃條件下的河堤高度，平均都在8.5～9.0m高(規(guī)劃河堤高度僅6.6m左右)。本文根據(jù)這一情況對規(guī)劃方案進(jìn)行了調(diào)整，使河道寬度在小于規(guī)劃寬度的條件下能達(dá)到200年一遇洪水防洪要求，且不對上游產(chǎn)生壅水影響。

3.2 計算原理

本文采用一維恒定流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算。計算范圍為樁號K00+00～K93+00，根據(jù)河段斷面形式及河床比降變化，按河道中線100m間隔布設(shè)斷面，河段平面劃分示意如圖1所示。

圖1 河段斷面劃分示意圖

恒定流能量方程為：

(1)

式中，Z1、Z2—河道底高程；Y1、Y2為斷面水深；V1、V2—斷面平均流速；α1、α2—動能修正系數(shù)；g—重力加速度；he—水頭損失；L—斷面平均距離；Sf—兩斷面間沿程水頭損失坡度；C—收縮或擴散損失系數(shù)。

恒定流動量方程為：

(2)

式中，A1、A2—斷面1和斷面2的過水面積；y1、y2—斷面1和斷面2水面至形心的距離；Lx—斷面1至斷面2距離沿X軸方向的分量；S0—河底比降；β1、β2—動量修正系數(shù)。

3.3 邊界條件

河段位于華陽水位站與正興水文站之間，根據(jù)水文分析成果，工程區(qū)段內(nèi)沿程流量差異較小，為了安全，統(tǒng)一以出口控制斷面洪水流量進(jìn)行水面線推求計算。其中樁號K83+00斷面江安河入?yún)R，由此確定的流量條件為：工程起點K00+00～K83+00河段200年一遇洪水流量為1900m3/s，K83+00～K96+00河段200年一遇洪水流量為2600m3/s。根據(jù)上游錦江總出口三期工程方案，要求其出口(本工程河段起點)斷面河床高程為473.11m，出口斷面接已完成整治的錦江一代工程，河床高程預(yù)留為465.45m。

3.4 方案分析

本文擬采用不同河道寬度與不同河床比降組合的方式，綜合分析河道寬度和河床比降調(diào)整對水位和流速的影響，找到城區(qū)狹窄河道改造優(yōu)化方案。根據(jù)初始條件，控制末端河床高程不變(465.45m)，對上游進(jìn)行河寬和比降調(diào)整，對比規(guī)劃方案。由于本文方案的比降普遍較小，因此在進(jìn)口樁號K00+00處設(shè)一處集中跌水，與上游河床進(jìn)行順接。

各方案在200年一遇洪水流量下，進(jìn)口控制斷面處水位變化情況見表1。對比原規(guī)劃方案，本文各方案中河床比降不變或減小，進(jìn)口斷面水位與原規(guī)劃方案水位相比，表中水位差為正值即表示方案水位比進(jìn)口水位高，即對錦江總出口三期造成壅水影響，表中水位差數(shù)據(jù)為負(fù)值表示方案水位比進(jìn)口水位低。

表1 調(diào)整方案對比表

注：表中水位的變化情況均是基于上游河道按規(guī)劃條件形成后的水位。進(jìn)口水位變化=本方案水位-進(jìn)口水位

河寬一定時，河床比降越小，則進(jìn)口水位越低，對上游壅水影響越??；河床比降一定時，河寬越寬進(jìn)水口水位越低。方案一、二、三對河段上游壅水影響更小，對上游無壅水不利影響，可作為整治方案的比較方案進(jìn)行后續(xù)計算對比。河床比降減小時，可能導(dǎo)致明顯的水跌，為保證上下游水位的平順連接，本文從中選取了方案一、二、三進(jìn)行分析比較，各方案斷面設(shè)計詳見表1。

3.5 水位對比

工程區(qū)間兩岸地面坡降遠(yuǎn)小于規(guī)劃河床比降，為采取調(diào)緩比降增加河堤高度置換河道寬度不足的負(fù)面影響創(chuàng)造了條件。根據(jù)行洪方案調(diào)整思路，調(diào)整方案中河段各斷面處堤頂超高滿足規(guī)范要求，進(jìn)口控制斷面水位等于或略低于規(guī)劃水位，工程區(qū)間水位即均可滿足行洪安全要求。

各方案200年一遇洪水情況下的水面線如圖2所示。按照成都市防洪要求，錦江堤頂超高應(yīng)不低于1m，規(guī)劃方案與本文提出的3種方案總體上均滿足200年一遇洪水防洪要求，僅局部點位因現(xiàn)狀河堤破損、垮塌導(dǎo)致安全超高略有不足，如樁號K31+00處左岸，后期河道實施時河堤重建后，可滿足安全超高要求。

由于河寬束窄，是以各調(diào)整方案工程河段洪水位均高于規(guī)劃方案洪水位，樁號K60+00處由于河道斷面展寬，水位降低；下游河段各調(diào)整方案基本能按照規(guī)劃寬度進(jìn)行實施，水面線與規(guī)劃水面線基本齊平，能與下游已建河段水面線平順連接。

3.6 流速對比

圖2對本文方案與規(guī)劃方案的沿程流速進(jìn)行了對比分析。由于本文各方案樁號K00+00～K60+00河段的河道寬度和河床比降比規(guī)劃方案減小，總體上呈現(xiàn)因河道束窄導(dǎo)致沿程流速增大，在樁號K60+00斷面流速達(dá)到最大；樁號K60+00處河道展寬后流速迅速減小，之后流速趨于平緩。

方案一中樁號K00+00～K60+00河段河寬B1=80m，小于同河段其余方案的河寬，所以雖然方案一比降更平緩，但是水位和流速卻是3種方案中增加最明顯的。方案二流速在河段入口處明顯大于其他方案，但流速沿程變化在調(diào)整方案中最為平緩，對河床和堤角的沖刷影響更小。方案三與規(guī)劃方案相比，樁號K60+00～K96+00河段水位和流速變化最小，對下游河段河勢影響最小。各調(diào)整方案最大壅水位置出現(xiàn)在K60+00處，綜合整個河段流速變化，方案二、方案三對流速和河勢影響更小。

3.7 淤積對比

河道河床比降減小，原則上會導(dǎo)致水流挾沙能力減小，泥沙可能會在河道中淤積下來。但是由于河道寬度受到居民住房和綠化等限制，本文方案在調(diào)整比降同時束窄河寬，樁號K00+00～K60+00河段流速增大，K60+00～K96+00河段流速略有減小，局部河段流速增加，挾沙能力增強。本文擬采用輸沙率法估算河道淤積，圖3中顯示了張紅武挾沙力公式[11]計算的沿程挾沙力變化和沙莫夫公式計算的沿程起動粒徑變化。

圖2 各方案水面線與流速

圖3 沿程淤積計算

可以看出各方案挾沙能力變化趨勢與流速變化趨勢一致，上游河段挾沙能力逐漸增加，下游展寬河段挾沙能力減小，由此導(dǎo)致上游河段河床淤積減弱和下游河段河床淤積增加。方案二挾沙力與起動粒徑沿程變化較小，與其他方案相比顯現(xiàn)出差異。由于方案二樁號K00+00～K60+00段的設(shè)計河寬較寬，同時河段河床比降較大，受河寬與河床比降綜合影響，造床流量(小流量)下沿程流速波動較小，河道沿程輸沙能力波動也較小。輸沙能力的增大可以減小河段淤積對河床比降的調(diào)整影響，更有利于河道穩(wěn)定和行洪安全，是城市內(nèi)河治理追求的方向。

表2根據(jù)輸沙率法計算河道淤積，多年平均流量選用造床流量。與規(guī)劃方案相比，本文方案河道淤積情況與流速變化一致，樁號K00+00～K60+00河段泥沙淤積有所減少，K60+00～K96+00河段泥沙淤積略有增加。河段改造河床形態(tài)簡單，計算結(jié)果的誤差相對較小。本文方案均不會額外增加河道清淤的投資。

表2 河道淤積計算表

4 結(jié)論

本文從城市內(nèi)河道治理現(xiàn)狀出發(fā)，分析了城區(qū)河道治理的影響因素，提出了在有限的空間范圍內(nèi)，優(yōu)化河道設(shè)計方案。

(1)通過調(diào)整河道寬度和河床比降，達(dá)到水面線與上下游水面平順銜接的效果。本文提出的提高河道行洪能力的方法，可為類似問題提供參考。

(2)傳統(tǒng)意義上認(rèn)為減小河道比降，通常會導(dǎo)致床面淤積嚴(yán)重，本文提出了河道寬度變化與比降減小進(jìn)行組合的方案，可提高河道行洪能力且不會加劇床面泥沙淤積。