四川省毗河供水一期工程蒋铜渡槽工程行洪论证分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 25 日 作者简介：李深奇（1990），男，山西运城人，工程师，硕士研究生，研究方向为水文及水资源设计工作。-173-四川省毗河供水一期工程蒋铜渡槽工程行洪论证分析 李深奇 游如玥 杨 涛 四川水发勘测设计研究有限公司，四川 成都 610072 摘要：摘要：本文针对蒋铜渡槽的建设可能对金简河行洪产生较大影响的问题，对工程河段采取局部拓宽疏浚的工程措施，以减小工程建设对河道的行洪的影响。通过两种方法计算了工程河段设计洪水，并选取了合理的设计洪水成果。在此基础上对行洪能力进行了分析计算：根据工程建设前后各水力要素变化情况，表明采取拓宽疏浚工程措施可有效减小工程对河道的行洪及河势稳定影响。本次行洪分析为该渡槽工程的实施及毗河供水一期工程的顺利建设提供了强有力的技术支撑，也为类似工程行洪问题提供一定的借鉴经验。关键词：关键词：蒋铜渡槽；行洪；拓宽疏浚 中图分类号：中图分类号：TV122 1 工程概况 毗河供水工程是都江堰丘陵扩灌区之一，工程等别属等，相应灌区工程规模为大（1）型。毗河供水工程以城镇供水和灌溉为主，毗河供水一期工程由引水枢纽、总干渠、干渠、充水渠及灌区渠系工程等组成1。蒋铜渡槽工程为毗河一期工程总干渠重要建筑物，于金堂县平桥乡跨越金简河。蒋铜渡槽设计流量22.0m/s，为简支梁式渡槽，建筑物组成包括：进口连接段、槽身、支承结构和出口连接段。其中槽身段共计5552m，由347跨槽身和348个下部支承结构组成，每跨槽身长 16m，槽身为半径 2.6m 的 U 型槽，设计水深 3.1m，设计流速 1.66m/s。渡槽建筑物级别为 3 级，设计洪水重现期为 30 年，校核洪水重现期为 100 年。由于蒋铜渡槽47#、48#和49#支承位于金简河河槽中，支承结构为重力式马蹄形槽墩，特征尺寸为厚 3.5m，宽 4.5m，将会对现状河道行洪能力产生较大影响。跨河段槽墩结构布置图如图 1 和图 2 所示。图 1 渡槽跨河段平面布置图 图 2 渡槽跨河段横剖面布置图 2 工程措施 为减小蒋铜渡槽 47#、48#和 49#槽墩对河道行洪的影响，本文通过对金简河工程河段采取局部拓宽及疏浚的措施，具体为拓宽金简河位于蒋铜渡槽轴线上下游 17.25m 范围内河道断面，在河道两侧用 6.7m 高C20 砼重力式挡土墙与原河床相接，将河床底高程疏浚至 418m，在河床底部 2m 范围抛填大块石，防止河道冲刷，减小水流对河中槽墩的影响；上下游设计 10mC20砼渐变段，河床抛填 2m 大块石；上游渐变段上游 50m和下游渐变段下游 50m 范围内做 20cmC20 砼护岸与原河道两岸相接，疏浚河道，使原河道和拓宽后河道平顺相接。拓宽疏浚平面布置图及主要剖面如图 3、图 4所示。中国科技期刊数据库 工业 A-174-图 3 拓宽疏浚平面布置图 图 4 拓宽疏浚平面布置图 3 设计洪水 金简河发源于金堂县竹篙镇青松乡文家沟，全流域面积 153.8km，干流全长 39km，河道平均比降1.05，流域多年平均气温 15.716.7，多年平均降水量 746mm1553mm。金简河的洪水主要由暴雨形成，与暴雨出现频率基本相对应，暴雨多发季节也是洪水多发季节。洪水特性与暴雨特性基本一致，具有发生频繁、突发性强和易形成洪灾的特点2。工程跨河断面以上集雨面积 81.4 km，河长 18.1km，河道平均比降 1.33。由于金简河流域内无实测水文资料，经综合分析，工程设计洪水分别采用水文比拟法与推理公式法进行计算，根据计算成果合理采用。3.1 水文比拟法 根据蒋铜渡槽所在位置、金简河及邻近流域各水文站的资料情况分析，油房坝为盆地腹部丘陵区小流域代表站，而蒋铜渡槽断面控制集雨面积较小，本次选择油房坝站作为本工程设计洪水计算的参证站。采用油房坝站19661992年的实测洪水资料进行频率计算，采用数学期望公式计算洪水系列各项的经验频率，以矩法计算统计参数的初值，采用 P型曲线适线，确定统计参数及设计值，成果见 1。表 1 油房坝站设计洪水成果表 均值（m3/s）Cv Cs/Cv 各频率设计值（m3/s）1.00%2.00%3.30%5.00%10%20%50%69.9 0.87 2.5 294 250 218 192 148 105 50 根据油房坝水文站年最大洪峰流量计算成果，按面积比的 2/3 次方计算出蒋铜渡槽的设计洪水。成果见表 2。表 2 蒋铜渡槽断面设计洪水成果表（水文比拟法）均值 各频率设计洪峰流量 Qp（m3/s）1.0%2.0%3.3%5.0%10%20%50%115 482 410 357 315 243 172 81.9 3.2 推理公式法 蒋铜渡槽设计洪水根据四川省中小流域暴雨洪水计算手册，采用推理公式法3进行计算。（1）蒋铜渡槽断面以上流域特征值在 1/50000 航测图上量算，河道比降采用加权平均计算，成果见表 3。表 3 蒋铜渡槽断面以上流域特征值成果表 断面 集雨面积（km2）河长（km）比降（）m 蒋铜渡槽 81.4 18.1 1.33 54.702 1.172624（2）设计洪水计算采用金堂气象站设计暴雨成果，见表 4。流域产流参数和流域汇流参数 m 均按照盆地丘陵进行选取。根据上述流域特征值、设计暴雨成果、产、汇流参数选取成果，按照推理公式法计算设计洪水，计算成果见下表 5：表 4 金堂县气象站设计暴雨成果 站名 年最大 1/6 小时暴雨 年最大 1 小时暴雨 年最大 6 小时暴雨 年最大 24 小时暴雨 均值 Cv 系 列 均值 Cv 系 列 均值 Cv 系 列 均值 Cv 系 列 金堂 16.7 0.32 1973-2011 46.0 0.35 1973-2011 76.8 0.46 1966-2011 109 0.46 1966-2011 表 5 推理公式法计算设计洪水成果表 各频率设计值（m3/s）1.00%2.00%3.30%5.00%10%20%50%519 442 387 343 270 198 106 中国科技期刊数据库 工业 A-175-3.3 设计洪水成果选取 水文比拟法及推理公式法计算结果对比见表 6。表 6 蒋铜渡槽断面设计洪水成果比较表 计算方法 各频率设计洪峰流量 Qp（m3/s）1.0%2.0%3.3%5.0%10%20%50%水文比拟法 482 410 357 315 243 172 81.9 推理公式法（采用）519 442 387 343 270 198 106 由表 6 可以看出，各频率设计洪水，水文比拟法计算的洪峰流量均比推理公式线法成果略小。高升河油房坝水文站为盆地腹部丘陵区的小流域代表站，能够一定程度代表该区域暴雨洪水特性；而推理公式法在无资料地区计算设计洪水应用广泛，精度较高，经综合分析，蒋铜渡槽设计洪水采用推理公式法计算成果。4 工程行洪论证分析 4.1 计算方法 HEC-RAS 模型是由美国陆军工程兵团水资源研究所水文中心开发的河流分析系统，基于一维方法用于模拟河流的水流泥沙、水质等工程问题，可对天然的或人造的河网进行一维恒定流和非恒定流的河道水力推演,在国内外河道水面线推算中已得到广泛的应用4。本次工程河段壅水采用 HEC-RAS 软件进行计算，分析工程建设前后的水位、过水面积、河宽、平均流速等在各分析断面的变化情况。4.2 计算边界条件 计算标准及设计洪水 本次计算防洪标准采用渡槽工程设计标准，其洪水重现期为 30 年一遇，工程河段 30 年一遇设计洪水为 387m3/s。（1）起算断面 蒋铜渡槽轴线下游约 1.4km 有已建的石河堰，堰顶高程约为 421.60m。为了充分考虑下游石河堰蓄水对蒋铜渡槽工程河段水力要素的影响，在此根据拟定的石河堰下游断面水位流量关系曲线及石河堰形态现场测量成果，计算得到石河堰堰顶泄流曲线成果，并以堰前 CS10 断面作为本次水面线计算的下游起算断面，起算断面 30 年一遇设计洪水位为 424.78m。（2）计算河段断面布置 本次壅水分析计算所采用的河道地形及断面资料均为现场实测资料。计算河段全长约 2000m，共布置12个断面，断面平均间距166m。工程建后水面线计算，在局部拓宽疏浚河段采用设计断面。（3）糙率的选择 本次计算主要依据水力学教材中的综合 n 值表5，天然河道计算时，糙率 n 值取值范围为 0.030.042；工程建设后计算时，拓宽疏浚河段糙率为 0.028，其余河段糙率不变。4.3 计算结果及分析 限于篇幅原因，计算结果仅反映起算断面及工程影响段有关成果，并以此为依据对工程建设后对河段行洪的影响进行分析。蒋铜渡槽工程建前建后水力要素对比表见表 7。4.4 对河道行洪的影响 CS8 断面为蒋铜渡槽跨河轴线断面，渡槽 47#、48#和 49#槽墩位于河道中间，占用了天然河道的行洪断面，可能影响工程河段行洪安全。设计通过采用局部拓宽疏浚工程措施减少工程建设对该河段行洪的影响。表 7 蒋铜渡槽工程建前建后水力要素对比表 计算断面 里程（m）设计洪水位(m)设计水面宽(m)过水面积(m2)平均流速(m/s)建 前 建 后 增 加 建 前 建 后 增加 建 前 建 后 增 加 建前 建后 增 加 CS1 0 424.78 424.78 0.00 69.26 69.26 0.00 293.80 293.80 0.00 1.45 1.45 0.00.CS8 1413 425.30 425.40 0.10 94.72 98.87 4.16 309.40 151.30-158.10 1.23 2.53 1.30 CS9 1468 425.34 425.45 0.11 91.15 92.81 1.66 286.80 297.60 10.80 1.35 1.31-0.04 CS10 1578 425.42 425.47 0.05 238.39 239.50 1.11 705.40 731.30 25.90 0.57 0.55-0.02.注：cs8 断面为渡槽轴线断面 中国科技期刊数据库 工业 A-176-从表 1 计算结果可以看出，渡槽工程的建设引起河段水力要素的变化，主要表现在以下几个方面：对河段洪水水位的影响，工程建设前后渡槽轴线CS8 断面以上河段水位壅高范围为 0.050.11m，壅水长度约 165m，工程建设对评价河段洪水水位变化影响较小。对河段行洪宽度的影响，轴线上游河段水面宽增加 1.11m4.16m，工程建设对评价河段内河宽改变幅度较小，增加幅度为 0.47%4.39%。因此渡槽工程建设对河段行洪宽度影响较小。对河段行洪过流面积的影响，除渡槽轴线断面过流面积减小外，其余河段过流面积均有所增大，具体而言，渡槽轴线断面过流面积减小 158.10m2，减小幅度 为 51.1%；其 余 断 面 过 流 面 积 增 大 范 围 为10.8m225.9m2，增大幅度为 3.67%3.77%。因此渡槽工程建设对评价河段内的过水面积影响较小。对河段行洪流速的影响，渡槽轴线断面平均流速增加，由 1.23m/s 增大至 2.53m/s，轴线断面流速有一定变化。轴线上游发生壅水，平均流速有所下降，轴线 上 游 流 速 平 均 降 低0.02m/s0.04m/s，降 幅2.96%3.51%。因此，工程建设对评价河段的平均流速影响较小。4.5 对河势稳定的影响分析 蒋铜渡槽有 3 个槽墩位于河道中间，使得局部流速有所调整，本次通过对渡槽跨河轴线局部河段采取拓宽疏浚、抛填大块石等防冲措施，可以保证未来工程河段河势稳定。渡槽轴线处 30 年一遇设计洪水位为 425.40m，蒋铜渡槽桥底高程为 464.50m，高于 30 年一遇设计洪水位约 39.1m，设计标准下洪水对渡槽的安全无影响。综上，由于渡槽 47#、48#和 49#槽墩位于河道中间，占用了天然河道的行洪断面，可能对河道行洪及河势稳定产生较大影响。本次设计通过采用局部拓宽疏浚等工程措施，减少工程建设对该河段行洪及河势稳定的影响。从计算结果可以看出，工程影响范围长度约 165m，除渡槽轴线断面以外，其余河段水力要素变化幅度均小于 4%，总体变化较小。因此，采取该工程措施可有效减小工程对河道的行洪及河势稳定的影响。5 结论 四川省毗河供水一期工程渠道布置及部分建筑物设计不可避免的需要占用部分现有河道的行洪通道。本文针对蒋铜渡槽设计方案可能引起的行洪问题进行分析研究，通过本次行洪影响分析，在对工程河段采取局部拓宽疏浚工程措施后，河道基本可保持原有过流能力，亦可维持河势稳定，且拟建渡槽工程可满足设计标准 30 年一遇的防洪要求。同时，本文可为蒋铜渡槽工程的实施及毗河供水一期工程的顺利建设提供了强有力的技术支撑，也为类似工程行洪问题提供一定的借鉴经验。参考文献 1杨志宏.四川省都江堰灌区毗河供水一期工程可行性研究报告J.成都：四川省水利水电勘测设计研究院,2011,9(35):6.2杨涛.四川省毗河供水一期蒋铜渡槽工程行洪论证与河势稳定评价报告J.成都：四川省水利水电勘测设计研究院,2018,00(6):7.3四川省中小流域暴雨手册.四川成都J.四川省水利电力厅,1984,9(6):2.4HEC-RAS.模型在密江特大桥防洪评价中的应用J.南水北调与水利科技,2012,10(1):139.5吴持恭.水力学J.北京高等教育出版社,2008,90(6):347.