山区河道的地区洪水组成法探索与研究_侯凯.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 072山区河道的地区洪水组成法探索与研究侯凯，陈天虹，陈恒吉(贵州省毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节 551700)摘要计算山区河道的设计洪水时，当上游有水库拦蓄洪水，下游流域内的设计洪水应考虑不同的组合情况。以贵州省毕节市七星关区观音河不同河段河道治理为例，考虑区间同频上游相应、区间相应上游同频的两种组合方式进行洪水过程演算，并按所在断面距离水库的远近及集水面积的占比削峰作用，得到下游流域不同断面的组合洪水情况一般性结论，即上游水库对下游河道削峰作用明显的一般采用地区洪水区间相应上游同频的成果，削峰作用弱化的一般采用地区洪水区间同频上游相应的成果，供类似工程借鉴参考。关键词山区河道;地区洪水组成;观音河;相应下泄;区间同频中图分类号P331 1文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0212 02收稿日期2022 12 12作者简介侯凯(1986 )，男，贵州毕节人，高级工程师，主要从事水文及水资源工程及水文规划方面工作。1工程概况观音河是长江流域乌江水系六冲河左岸的二级支流，属于山区性中小河流，总集雨面积 145 km2，主河道总长 28 86km，(其中暗流河道长 1 9 km)，河底平均坡降 10 13，形状呈扇形，总流向为东南，支流呈树枝状分布。在观音河上游距河源 8 45 km 处现已建成一座小(1)型水库利民水库，水库坝址控制集雨面积 20 5 km2，河道平均坡降 18，占总流域面积的 14 1%。以观音河上两段治理河段为例(治理全长 7 km)，第一段起始断面为利民水库坝址下游 760 m，治理河道全长 4 km，起始断面、末端断面以上流域面积分别为 21 6 km2及 41 4 km2;第二段分上游段及下游段，治理全长 2 25 km，其中上游段起始断面为暗流出口约 500 m，至末端治理长 1 3 km，下游段起始断面距上游段末端 1 6 km，至下游段末端治理长 1 7 km。表 1流域内特征断面流域基本特征表主要设计断面流域面积 F/km2主河长 L/km流域平均坡降J/流域形状系数 f几何特征值观音河全流域14528 8610 130 17438 437利民水库20 58 45180 28715 153第一段起始断面21 69 21180 25516 301第一段末端断面41 413 2117 50 23720 059第二段上游段起始断面8122 86130 15532 407第二段上游段末端断面113 324 16120 19432 345第二段下游段起始断面122 225 76120 18433 842第二段下游段末端断面128 927 46110 17136 6442设计洪水计算分析2 1参证站选取观音河属于白甫河一级支流，流域内未设有水文站，邻近的白甫河干流上游有徐花屯水文站、响水滩水文站，白甫河下游大方县境内设有对江水文站，白甫河一级支流大方响水河上设有响水水文站。观音河流域未设相关雨量站及气象站，其邻近流域观测降雨的测站有白山、白龙地、后箐、龙汉雨量站(以上均为徐花屯水文站配套雨量站)、朱昌雨量站、倒天河水库专用站以及毕节市气象站。通过对周边水文测站的分布情况分析可知，徐花屯水文站(104 8 km2)与设计流域相差 2 5 倍，对江水文站(1 944km2)与设计流域相差 15 倍以上，响水滩水文站资料年限太短，响水水文站本身为亏水流域，都不宜选作参证站。毕节市气象站距本次治理河段流域中心直线距离为 8km，观测方法采用自记与人工结合，汛期进行四段制、八段制观测，枯季采用二段制观测，降水及蒸发资料能够从降水变化趋势上反映流域降水特性。该站具有较完整的降水、蒸发观测资料，资料精度高，且毗邻本次设计河段的中部，其所形成的洪水对控制断面影响最直接，可作为本次设计参证站。2 2设计暴雨对毕节市气象站 1951 2016 年最大一日 h 降雨量进行统计，并采用 P 型曲线进行适线，得到毕节市气象站多年平均最大一日暴雨量为 69 mm，变差系数 Cv=0 35，Cs=3 5Cv，将最大一日降雨换算成最大 24 h 暴雨:H24h=1 12 H1d，计算得年最大 24 h 降雨量均值为 77 3 mm。查最新版的贵州省短历时暴雨等值线图 上“贵州省年最大 24 h 点雨量均值等值线图”及“贵州省年最大 24 h 点雨量 Cv 值等值线图”，设计流域年最大 24 h 暴雨均值在 70 mm 左右，变差系数在 0 40 0 45 之间。最终确定设计流域最大 24 h 降水量均值为 77 3 mm，Cv 为 0 43，Cs/Cv 为 3 5。最大 1 h 暴雨采用公式 Sp=24(n 1)H24P(n=0 75)计算最大 1 h 暴雨，通过计算得到设计流域雨量站最大 1 h 暴雨均值为 34 9 mm。查“贵州省年最大 60 min 暴雨均值等值线图”及“贵州省年最大 60 min 暴雨 Cv 等值线图”，其最大 12122023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3h 暴雨均值在 40 mm 左右，本次取 40 mm，变差系数 Cv 在 040 0 45 之间，本次取 0 43，Cs/Cv 为 3 5。表 2工程河段设计暴雨参数计算成果表时段/h均值/mmCvCs/Cv不同设计频率暴雨量/mm1%2%3 33%5%10%20%50%1400 433 597 387 279 773 662 951 835 92477 30 433 5188 1168 6154 0142 2121 6100 269 3图 1毕节市气象站最大 1 日暴雨频率曲线2 3设计洪水结合流域实际情况及参证站选取情况，设计洪水计算采用“雨洪法”计算，按照贵州省暴雨洪水计算实用手册 的相关应用公式有所不同，采用以下公式计算:当 25F 300 km2，且 30，Qp=0 3570 922f0 125J0 082F0 834CKpH241 23当 25F 300 km2，且 30，Qp=0 3570 9221f0 360J0 240F0 716CKpH241 23当 10F 25 km2Qp=0 2540 9221f0 360J0 240F0 819CKpH241 23(修订本 修订 2 式);r 为汇流系数，(流域主要特征山区间山丘，少量岩溶，植被一般，属2 区，取 =0 38(30)，=0 064(30);f 为流域形状系数，f=F/L2;L 为主河道河长;J 为分水岭至出口断面的河道平均比降，m/m;F 为流域面积，km2;C 为洪峰径流系数，(0 756 0 557，P=1%50%);H24为设计最大 24 h 点雨量均值(mm)。地区洪水组成情况，共包含以下两种洪水组合:(1)设计断面、利民水库考虑同频率，利民水库与设计断面区间考虑相应洪水;(2)设计断面、设计断面与利民水库区间考虑同频率洪水，利民水库考虑为相应洪水。利民水库坝址控制集雨面积 20 5 km2，主河长长 8 45km，河道平均坡降 18，大坝为浆砌石拱坝，溢洪道为坝顶开敞式，共设 4 个堰孔，堰顶高程为 1 679 67 m，溢流堰为WES 实用堰，堰流系数 1 977，控制净宽为 22 5 m。将各参数代入以上计算公式，计算得设计断面天然情况下不同频率设计洪水、利民水库和设计断面区间天然情况下不同频率设计洪水。洪水传播时间为 1 h 左右。再考虑不同的洪水组合情况，得设计断面相应不同频率设计洪水，成果见表 3 和表 4。表 3地区洪水洪峰组合一成果m3/s设计断面天然利民水库同频区间相应同频下泄设计洪水天然利民水库同频区间相应同频下泄设计洪水天然利民水库同频区间相应同频下泄设计洪水5%10%20%第一段起始断面94 493 86 358 860 173 472 94 54545 0254 654 23 0733 134 1第一段末端断面13993 85958 8117 810872 946 24591 179 354 234 133 167 1第二段上游段起始断面17593 8121 258 8170 313572 992 24513199 454 269 533 196 3第二段上游段末端断面22993 8176 258 8225 317472 9132 84517213254 2101 133 1129 9第二段下游段起始断面23993 8190 258 823718572 9143 84518314054 2109 133 1137 9第二段下游段末端断面25293 8200 258 8248 319572 9153 84519314454 2115 133 1141 9表 4地区洪水洪峰组合二成果m3/s设计断面天然区间同频利民水库相应相应下泄设计洪水天然区间同频利民水库相应相应下泄设计洪水天然区间同频利民水库相应相应下泄设计洪水5%10%20%第一段起始断面15 778 749 459 873 412 960 536 945 454 61044 42733 631 5第一段末端断面1391083118 7116 810884 223 814 190 77962 716 69 7367 5第二段上游段起始断面1751373828 6152 61351062922 61199977 921 516 187 3第二段上游段末端断面2291993324 8209 91741542718 61601321141914 1121第二段下游段起始断面2392123323 5221 11851642718 21691401211913 7127第二段下游段末端断面2522213326 1230 11951712919 41761441261914 51322 4洪水成果选取从表 3 及表 4 对比洪水组合一、洪水(下转第 216 页)312第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月图 6 给出了不同渗透率下边坡 FS 变化规律，降雨强度为正态分布正常降雨模型。从图 6 可以看出，对于 3 种角度的边坡，低渗透率的边坡，安全系数始终最大。当边坡角度为30时，3 种渗透率下边坡 FS 的差异最大，这意味着渗透效应对 FS 的减少具有重要意义，因为对于不同的渗透率，低渗透率能够减缓雨水通过斜坡的渗透时间，尤其在高降雨量时，渗透的量最小。4边坡加固措施建议为了使边坡的抗滑力下降，安全系数增大，可利用排水利截流方法使水不进入边坡岩体内可以来用粘土水泥砂浆等堵塞边坡岩体中的张裂缝，或者采用减载方法，将边坡上部的岩体挖去部分，回填在坡脚部。此外，局部失稳可用锚杆加固，但锚固点必须是坚硬岩石。同时可采用抗滑桩加固，将滑体分为上下两部分。桩在上部，承担大部分滑动推力，从而减轻对下部挡墙的推力，相应减少下部挡墙圬工数量和受滑体整体下滑威胁而减轻施工困难。最后，建议处理好拉伸裂缝与破碎带。大多数边坡在破坏之前，其顶部就出现了拉伸裂缝，而坡体的破坏面可能从这些拉伸裂缝的根部开始，或者是与之相连。因此，应采取措施防止张拉裂缝出现，采用强力锚杆加固是解决该问题的一种好方法。5结语本文以哈密边坡工程为例，采用非饱和流固耦合理论，基于 Geo studio 软件研究了不同降雨模式下，不同角度的边坡安全系数的变化规律，同时还探讨了渗透率对边坡稳定性的影响。研究结果表明，坡度越陡，坡度的初始安全系数 Fs越小。当降雨发生时，发现在任何类型的降雨模式下，缓坡的 FS 减少量高于陡坡的 FS 减少量。30 的 FS 最小值为2 085，45的 FS 值为 1 883。而对于 60边坡最小的 FS 在后峰型降雨下达到，值为 1 828。此外，对于 3 种角度的边坡，低渗透率的边坡，安全系数始终最大。当边坡角度为 30时，3 种渗透率下边坡 FS 的差异最大，这意味着渗透效应对FS 的减少具有重要意义。参考文献 1陈善雄，陈守义 考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法J 岩土力学 2001(04):447 450 2林鸿州，于玉贞，李广信，等 降雨特性对土质边坡失稳的影响J 岩石力学与工程学报 2009 28(01):198 204 3唐栋，李典庆，周创兵，等 考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析J 岩土力学 2013 34(11):3239 3248 4付宏渊，曾铃，王桂尧，等 降雨入渗条件下软岩边坡稳定性分析J 岩土力学 2012 33(08):2359 2365 5杨正玉，姜啸，李磊，等 暴雨工况下两种不同方法在下蜀土边坡稳定性分析中的应用对比J 地下水 2021 43(06):183 184+208 6魏宁，茜平一，傅旭东 降雨和蒸发对土质边坡稳定性的影响J 岩土力学 2006(05):778 781+786 7赵晨凯，孙怀军，徐小乐 降雨影响下的边坡稳定性及加固研究J 地下水 2021 43(02):131 132+141(上接第 213 页)组合二洪峰成果，组合一比组合二的成果总体偏小，两者相差在 10%以内。结合工程安全性及流域实际情况选择合适的洪水组合作为设计洪水成果。第一段治理河段距离利民水库较近，利民水库面积占末端断面以上面积的 49 52%，对本河段的削峰作用明显，故选取成果较小的洪水组合二作为第一段设计洪水成果;第二段治理河段上游利民水库仅占末端断面面积以上的 15 9%，利民水库对本河段的削峰作用不明显，故选择成果较大的洪水组合一作为设计洪水成果。这是合理的，也是偏安全的。2 5洪水合理性分析(1)选用参证站合理工程流域内无水文、气象及雨量站，毕节市气象站与工程流域属于同一暴雨区，水文、气候及下垫面条件基本一致，且测站高程相差较小，能较好反映工程区的水文、气象特性，具有较好的代表性和可靠性;(2)雨洪法选用了毕节市气象站最大 1 h、最大 24 h 暴雨参数，并结合贵州省短历时暴雨统计参数等值线图，从偏于工程安全角度考虑，综合取值确定了设计流域各短历时暴雨统计参数，计算方法、参数选择合理;(3)第一段下游已治理的何官屯河段起始断面 P=10%洪峰流量为 106 m3/s，其计算方法为利民水库下泄洪水与区间洪水峰峰叠加。末端断面距离何官屯起始断面仅几百米，考虑区间洪水组合后，P=10%洪峰流量为 90 7 m3/s，从成果上分析，能有效衔接何官屯河段;第二段下游已治理的干家沟河段起始断面 P=10%洪峰流量为 209 m3/s，其计算方法为雨洪法，成果为天然设计洪水，未考虑区间洪水组合。本次末端断面距离干家沟河段起始断面仅几百米，考虑区间洪水组合后，P=10%洪峰流量为 193 m3/s，从成果上分析，能有效衔接干家沟河段。3结语(1)本次对地区洪水组合的探索，以贵州省毕节市七星关区的山区河流观音河上、下两段河道治理为例，观音河上上游有小(1)型水库利民水库，两段治理河段的治理末端到利民水库坝址距离分别为 4 76 km 及 19 km，水库坝址以上集水面积分别占两段河道治理末端以上集水面积为 49 5%及 15 9%。(2)设计洪水考虑上游水库的削峰影响，考虑地区洪水组合一及地区洪水组合二两种方法计算设计断面、水库考虑同频率，水库与设计断面区间考虑相应洪水;设计断面、设计断面与水库区间考虑同频率洪水，水库考虑为相应洪水。并选择了合适的洪水成果作为不同河段的设计洪水成果。(3)可知，上游水库对下游河道削峰作用明显的一般采用地区洪水组合二的成果，上游水库对下游河道削峰作用弱化的一般采用地区洪水组合一的成果，可以此作为类似的山区洪水成果借鉴。参考文献 1贵州省暴雨洪水计算实用手册 贵州省水利电力厅 1988 年“修订本”1983 2设计洪水计算规范(SL44 2006)3陈家琦，张恭肃 小流域暴雨洪水计算 北京:水利电力出版社1985612第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月