廖敏杰

（福州市倉山區(qū)鄉(xiāng)村振興發(fā)展中心，福建 福州 350008）

1 問題的提出

隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各種類型非橋梁涉河建筑物逐步增多，如涵洞、景觀壩、碼頭、管道等，根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目管理的有關(guān)規(guī)定》，凡是涉河的建設(shè)項目，在立項之前應(yīng)進(jìn)行防洪評價，并獲得許可。《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導(dǎo)則（試行）》中明確了防洪評價編制的主要內(nèi)容和要求，關(guān)于這些非橋梁型的涉河建筑物防洪評價中壅水分析進(jìn)行初步探討，并提出相應(yīng)的解決方法。

2 無壓涵洞防洪評價

根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，對低流速的無壓洞、涵、管，在通氣良好的條件下，凈空斷面積一般不要小于涵洞管斷面面積的15%，凈空高度也不要小于40 cm。在保證凈空面積和凈空高度情況下的下泄流量為洞、涵、管的安全泄量。設(shè)計洪峰流量大于安全泄量，則規(guī)模偏小，阻水嚴(yán)重，應(yīng)改擴建。設(shè)計洪峰流量小于安全泄量，其相應(yīng)水位為天然水位，設(shè)計洪峰流量大于安全泄量，其相應(yīng)水位為洞、涵、管前水位，二者之差為洞、涵、管阻水壅高值。二者相應(yīng)流速之差為建洞（涵、管）前后流速增加值。其中，天然情況下過水流量采用下式計算：

而當(dāng)過水?dāng)嗝鏋榫匦螘r，式子改為：

此外，建洞（涵、管）后過流量分為無壓流、半有壓流和有壓流，其計算式如式（3）至（5）所示：

式（1）～（5）中：H0-以隧洞進(jìn)口斷面底板高程起算的上游總水頭；σS-為淹沒系數(shù)；bk-為矩形隧洞過水?dāng)嗝鎸挾?；M-為流量系數(shù)；W-為過流面積，m2；α-為洞高；μ、η-為流量系數(shù)及洞口水流收縮系數(shù)；hp-為隧洞出口斷面水流的平均單位勢能；T0-為上游水面與隧洞出口底板高程差T及上游行近流速水頭之和。以福清某河道建設(shè)的箱涵為例，采用明渠均勻流公式，計算成果如表1所示。

表1 福清某河道箱涵壅高計算成果表

3 景觀壩防洪評價

3.1 橡膠壩

橡膠壩一般枯水期立壩蓄水，形成水面景觀，洪水時期塌壩泄洪。橡膠壩一般在洪水期塌壩運行，可采用分段求和法進(jìn)行壩上游的壅水分析，根據(jù)塌壩水深至上游推算水面線，根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗，大部分情況下，橡膠壩壅水影響較小，可忽略不計，此次不再列舉實例說明。

但有一點值得注意的是橡膠壩在平時是立壩壅水，洪水時是采用全塌泄洪，在橡膠壩壩袋塌壩運行時，可以滿足河道正常泄洪，且不會影響兩岸堤防安全。但在局部會產(chǎn)生少量淤積，對河勢整體穩(wěn)定性及變化沒有太大影響，橡膠壩建壩后僅會引起局部河勢發(fā)生微小變化，但影響范圍極小，可忽略不計。

3.2 漫水壩

漫水壩的壅水分析可根據(jù)《水力計算手冊》（第二版）中的堰流公式計算，壩上壩下水位差即為漫水壩壅高值。其中壩上水位采用的堰流公式計算分為自有流和淹沒流，其中是自由流，且hs/ho＜0.8（寬頂堰）；hs/ho＜0.75（實用堰）時計算公式如下：

而是淹沒流時，且hs/ho≥0.8（寬頂堰）；hs/ho≥0.75（實用堰）時，采用下式計算：

式中：hs-為壩下堰上水深，hs-值為壩下水位與壩頂高程差；h0-為壩上堰上水深，h0-值為壩上水位與壩頂高程差；ε-為側(cè)收縮系數(shù)；B-為水閘總凈寬；m-為流量系數(shù)；σ-為淹沒系數(shù)；g-為重力加速度，g-值為9.81 m/s2。以霞浦某河道新建漫水壩為例，壅高計算成果如表2所示。

表2 漫水壩壩上水位計算成果表

漫水壩建成后，壩身侵占河道，壩址下游斷面流速較原來有所增加，紊動作用增強，但在壩址下游一定距離后，水流流速自增幅最大處向下游逐漸恢復(fù)到正常流速，由于流速的增加，水流對壩址下游河床會產(chǎn)生一定的沖刷。漫水壩的建設(shè)還會使壩址上游河段一定距離內(nèi)洪水位抬高，在壅水影響范圍內(nèi)會造成的一定量的淤積。

3.3 翻板壩

翻板壩閘門的壅水分析較為復(fù)雜，主要是水閘泄洪是不斷變化的過程，其泄流能力與閘門高度、壩高、上下游水位等因素有關(guān)，目前對翻版閘壩壅高計算尚無規(guī)范要求，其閘門泄流能力可分為門頂以上和門頂以下兩部分，其中門頂以上按堰流計算，可采用堰流公式計算，可參考漫水壩中的堰流公式計算，門頂以下按實用堰閘孔出流計算?；径际前凑昭吡鞴接嬎?，其公式如下：

式中：Q-為洪峰流量；μ1-為流量系數(shù)；e-為閘門開啟度；B-為堰寬；H0-為上游總水頭；hs-為下游水位超過堰頂高度。

4 碼頭的防洪評價

碼頭主要是根據(jù)其平面布置、結(jié)構(gòu)形式及堤防與灘地的關(guān)系在防洪評價中對河道防洪及河勢的產(chǎn)生兩方面影響：①對所在河道行洪能力的影響，也就是洪水位的影響。②對河床沖淤變化及對河床兩岸沖刷的影響。

一般在福建省碼頭類壅水分析主要是利用Mike11模型來建立工程所在河段河網(wǎng)模型。MIKE11模型采用河道非恒定漸變流的圣維南（Saint-Venant）方程推求河網(wǎng)水面曲線，圣維南（Saint-Venant）基本方程組包括動力方程和連續(xù)方程來計算。

以閩江北港某碼頭為例，主要是利用MIKE11模型來建立閩江淮安頭～白巖潭段河網(wǎng)模型。模型由河道位置、斷面文件及洪水和入?？诔蔽毁Y料組成。碼頭建設(shè)后，對碼頭附近水位、流場產(chǎn)生一定影響，為了分析碼頭建設(shè)前后水位、流速變化情況，利用MIKE21FM 模型建立二維水動力模型進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 碼頭建設(shè)前后碼頭及上下游斷面平均水位成果表（遇白巖潭高朝位）單位：m

碼頭建設(shè)后，高樁阻水引起碼頭上游斷面水位壅高，在發(fā)生200年一遇洪水并遭遇下游高潮位時，碼頭上游150 m斷面平均水位由5.10 m 壅高至5.12 m，增大了0.02 m；碼頭上游150 m斷面發(fā)生100年、50年一遇遭遇下游高潮位時，設(shè)計洪水位分別由4.94 m、4.74 m 壅高至4.96 m、4.76 m。碼頭中心斷面平均水位基本不變，下游斷面則表現(xiàn)出斷面平均水位略微降低，主要體現(xiàn)在右岸，左岸基本不變。

受碼頭建設(shè)束窄河道的影響，工程與現(xiàn)狀順壩之間區(qū)域的流速增大，工程中部最大流速由1 m/s增大至1.20 m/s，平均流速增大約0.15 m/s，工程最南側(cè)最大流速由1.01 m/s 增大至1.32 m/s，平均流速增大約0.25 m/s。工程建設(shè)一定程度上加劇了順壩右岸的沖刷，但總體上影響程度不大，建議應(yīng)加強河段水流及周邊工程觀測。

5 跨河下穿管道防洪評價

下穿河道的管道主要采用大開挖或者先進(jìn)的非開挖定向穿越技術(shù)穿越河道兩岸，下穿管道的防洪評價主要推出符合規(guī)范和現(xiàn)場實際情況的下穿處河道的設(shè)計流量、流域、洪水位等，進(jìn)而推出河床一般沖刷深度，為下穿管道安全及河道行洪安全提供重要的參考價值。

由于下穿管道一般橫穿河流并且埋在河床底下，必須保證管道的埋深大于發(fā)生一定頻率洪水時集中水流在床面上沖刷后的河槽深度，這樣既能夠保證管道的運行安全，同時保證管道不露出河床上，避免對河道的行洪產(chǎn)生影響和抬高洪水位。以海西天然氣管網(wǎng)漳州段下穿某河道為例，沖刷深度采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》計算方法和lacey經(jīng)驗公式法兩種方法計算。岸坡沖刷深度按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》中附錄D.2.2，順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計算公式：

對于卵石的起動流速，可采用長江科學(xué)院的起動公式：

式中：hs-為局部沖刷深度；Ucp-為近岸垂線平均流速；H0-為沖刷處水深；U-為行近流速；Uc-為泥沙起動流速；η-為水流流速不均勻系數(shù)，查表D.2.2 采用；N-為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取1/4～1/6；γ泥、γ-為泥沙與水的容重（kN/m），分別取19 kN/m、10 kN/m；d50-為床沙的中值粒徑（m）。中粗砂為0.25～0.50 mm，砂卵石層取25 mm。

采用lacey經(jīng)驗公式：

式中：hs-為沖刷深度（m）；Qf-為設(shè)計流量（m3/s）；ks-為系數(shù)，取0.25；Dm-為床沙平均粒徑，取20 mm。

穿越段計算成果：根據(jù)兩種工況進(jìn)行計算沖刷問題，計算結(jié)果見表4。計算成果表明，采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》附錄D.2.2 計算公式計算的一般沖刷深度較采用lacey 經(jīng)驗公式計算值大，從偏安全角度考慮，此工程一般沖刷深度采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》計算的一般沖刷深度成果，具體計算成果如表4。

表4 工程穿越處一般沖刷深度計算成果表

通過表4 計算分析，管道工程在下穿處一般沖刷深度為2.65 m，由于管道工程穿越處河床最低高程為0.70 m，擬定穿越管道埋深距河道最低處高程以下5 m，以保證安全，因此，河床沖刷不會對河道穿越處管道埋設(shè)產(chǎn)生不利影響。

6 結(jié)語

非橋梁的涉河建筑物防洪影響評價，是保證河道行洪和堤防安全以及建筑物本身安全運行的關(guān)鍵，降低工程建設(shè)對河道行洪、河勢穩(wěn)定、水流流態(tài)、沖淤變化等造成的影響，為工程項目的水行政許可提供技術(shù)依據(jù)。對于非橋梁涉河建筑物壅水分析，可以得知，主要都是依靠水力學(xué)計算公式得到，不同的建筑物壅水計算公式不同，都應(yīng)根據(jù)建設(shè)項目實際情況來選擇合適的計算公式進(jìn)行計算，涉河建筑物導(dǎo)致的水位壅高對河道防洪安全較為重要，必要時仍需依靠補救措施來減小一定的影響，不同涉河建筑物的具體防治影響補救措施是什么這也將是筆者下一步的研究方向。