伊吾河淖毛湖段堤防提升改造工程设计洪水计算分析_吉呈祥.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 085伊吾河淖毛湖段堤防提升改造工程设计洪水计算分析吉呈祥(新疆哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000)摘要以新疆伊吾河淖毛湖段堤防提升改造工程为例，对设计洪水进行计算是保证工程实施的基础水文依据。在对工程以上的伊吾河流域洪水成因类型进行分析的基础上，对研究区提升改造堤防工程起点、红淖三铁路南侧及红淖三铁路北侧设计洪水进行计算，结果可知:影响堤防提升改造工程的主要洪水是伊吾河流域产生的混合型洪水和暴雨型洪水，计算成果可为工程优化设计施工、防汛预警和调度管理提供科学依据。关键词设计洪水;计算分析;堤防提升改造工程;淖毛湖;伊吾河中图分类号TV122+3文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0247 04收稿日期2022 12 28作者简介吉呈祥(1972 )，男，山西曲沃人，高级工程师，主要从事水文勘测方面工作。1概述淖毛湖位于莫钦乌拉山北坡，洪水主要来源于喀尔里克山北坡和莫钦乌拉山北坡，在出苇子峡后穿越苇子峡至淖毛湖间的山前戈壁直抵淖毛湖镇和十三师淖毛湖农场，给下游的人民生命财产造成直接威胁。该河段右岸原有已修建的8 1 km 的堤防，但该堤防长度不够，只对上游向东的洪水进行了阻挡，部分减小了洪水的威胁，但洪水过了堤防末端后有一部分洪水还是对下游东侧的人民生命财产造成一定的威胁，通过实施伊吾河淖毛湖段堤防提升改造工程，可将上游的洪水全部拦截进入铁路 14 号桥涵及以西的桥涵进行下泄，14 号桥涵下泄的洪水经由已建成的防洪堤导向下游的隔壁区域，保护 14 号桥涵下游及东侧的工业园区免遭洪水的危害。提升改造段堤防起点以上流域集水面积 1 139 km2，提升改 造 堤 防 工 程 起 点 位 置(GCJ 02 坐 标)东 经 94 5548 1，北纬 433754 6，末端位于红淖三铁路北侧右岸，位置(GCJ 02 坐标)东经 94555 8，北纬 434244，堤防长度 9 18 km。2伊吾河流域洪水成因及类型淖毛湖堤防提升改造工程以上流域的洪水主要来自伊吾河，该河是伊吾县的一条最大河流，其多年平均年径流量8 000万 m3左右(伊吾水文站)。在苇子峡水文站以上流域集水面积 1 057 km2，年径流量 7 000 万 m3左右。实测最大洪峰流量伊吾水文站 241 m3/s(2018 年)，苇子峡水文站 788 m3/s(2007 年)。伊吾河流域洪水主要属于混合型(雨水与融冰)洪水和暴雨型洪水，纯的融雪型洪水在伊吾河不太明显，这是因为伊吾河山区水量在出山口后，游荡于布拉里克洼地，由于洼地第四系松散的沉积层较厚，大量地表水渗入地下，在布拉立克洼地尾端的干沟、泉脑、小白杨沟一带，受到基岩隔水带的阻挡，抬高水位而以泉水出露成地表水，伊吾河穿越峡沟后在峡沟出山口至苇子峡间冲积扇，河床变宽，大量地表水又第二次渗入地下，又于苇子峡峡口再次溢出。如此经两次沿程“地下水库”的调蓄，致使伊吾河水呈“明流变潜流，潜流变明流”的多次变化，形成了伊吾河独特的水文现象。融雪水本来就洪峰不高，经洼地和山前冲积扇的下渗作用，春洪在伊吾河表现不明显。影响堤防提升改造工程的主要洪水是混合型洪水、暴雨型洪水。3设计洪水计算分析3 1提升改造堤防工程起点设计洪水计算堤防起点以上流域总集水面积 1 139 km2，洪水来源主要包括伊吾河苇子峡水文站断面洪水经苇子峡水文站出山口后到达提升改造堤防工程的起点、莫钦乌拉山北侧的部分洪水和苇子峡出山口至提升改造堤防工程起点的戈壁洪水，其中苇子峡水文站以上集水面积 1 057 km，莫钦乌拉山北侧及山前戈壁区 域 面 积 82 km。铁 路 桥 涵 以 上 流 域 集 水 面 积1 177 km，防洪堤起点到 14 号铁路桥涵的距离 7 91 km，14号铁路桥涵到提升改造防洪堤终点的距离 1 27 km。苇子峡水文站到防洪堤起点的距离为 16 3 km。图 1苇子峡水文站最大洪峰流量频率曲线图3 1 1苇子峡水文站断面设计洪峰流量用实测洪峰流量资料计算设计洪峰流量:苇子峡有 32 a的实测洪水系列，按照峡沟水库水文计算报告中给出的，峡7422023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3沟的最大洪水经 30 km 流淌后到达苇子峡水文站，洪峰流量衰减 30%38%，按此衰减系数将伊吾水文站 2011 2021年的实测洪水计算到苇子峡水文站断面，这样苇子峡水文站断面的洪水系列就可延长到 1976 2021 年，共有 46 a 的长系列，建立 P型洪峰流量曲线1，见图 1。计算出苇子峡水文站断面设计洪峰流量，计算成果见表 1。表 1苇子峡水文站设计洪峰流量m3/s项目频率/%0 10 20 33123 3351020设计洪峰流量18316214711595 781 570 652 635 83 1 2苇子峡水文站断面设计洪峰流量到达堤防工程起点的设计洪峰流量苇子峡水文站断面距提升改造段防洪堤起点的距离为16 3 km，设计洪峰流量经衰减后到达提升改造防洪堤起点。由于苇子峡断面设计洪峰流量出山口后即进入沟口以下的冲积扇，洪水只有扩散和下渗损失，再不会出露补给到防洪堤提升改造段的起点，随意洪水的衰减再用峡沟到苇子峡段的衰减来计算，本次依据给排水设计手册(城镇防洪)中的洪峰流量传播的折减系数(1 衰减率)，结合其概化公式 =1 040 7e 0 051L(L 为河长)，该公式也较适用于本工程区洪水衰减。用折算系数乘以苇子峡水文站断面的设计洪峰流量就得苇子峡断面设计洪峰流量到达提升改造段起点的设计洪峰流量。=1 040 7e 0 051L=1 040 7 e 0 051 16 3=0 453(1)衰减系数确定，原伊吾河的洪水从伊吾水文站断面衰减到苇子峡水文站断面时的总衰减量是 0 38，此河段长度是35 km，苇子峡断面到堤防工程起点的距离是 12 5 km，且苇子峡断面至堤防工程起点的河段河势相差很大，苇子峡断面出山口后洪水即进原泄洪河道，洪水扩散下渗强烈。而伊吾水文站断面至苇子峡水文站断面间要经过长达 10 km 的峡沟河段，该河段洪水不易扩散和下渗，洪水出峡沟山口后才进入原泄洪河道下泄至苇子峡水文站断面。所以，由于洪水经过的河段差异较大，不宜再采用伊吾水文站断面至苇子峡水文站断面间的洪水衰减系数。哈密水文勘测局对石成子沟口洪峰流量沿原泄洪河道下泄到 312 国道实测的衰减系数，即每公里衰减 0 04，该衰减系数是石城子出山口至 312 国道间的衰减系数。石城子河的洪水出山口后及进入了沟口至 312 国道间的戈壁洪沟，河道形式与苇子峡水文站断面出山口后至堤防工程起点的河道形式相视，经分析，衰减系数采用石成子沟口洪峰流量沿原泄洪河道下泄到 312 国道实测的衰减系数，即每公里衰减0 04，苇子峡水文站至提升改造堤防工程起点距离 12 5 km，计算出苇子峡水文站设计流量到达堤防提升改造工程起点的设计洪峰流量(见表 2)。表 2苇子峡洪水到达堤防工程起点的设计洪峰流量m3/s项目频率/%0 10 20 33123 3351020设计洪峰流量82 973 466 652 143 436 932 023 816 23 1 3苇子峡出山口至堤防提升改造工程起点区间设计洪水计算苇子峡水文站以上集水面积为 1 057 km2，提升改造堤防工程起点以上流域集水面积 1 139 km2，苇子峡出山口至堤防提升改造工程起点间流域集水面积为 82 km2。调蓄经验单位线法计算期间流域面积产生的洪水，根据伊吾气象站和苇子峡水文站最大一日降水资料，经过频率计算，推出不同频率设计最大一日降水量，再将最大一日降雨成果见表 3，再将一日最大降水量转换为 24 h 降雨量，转换系数 1 13，将点雨量换算成面雨量，点面换算系数 1 2632。表 3伊吾气象站最大一日降水量成果表mm站名均值CvCs/Cv各频率设计值 XP0 1%0 2%0 33%1%2%3 33%5 0%10%20%伊吾16 80 658 0119 4103 091 567 152 843 035 925 117 2苇子峡根据新疆中小流域设计暴雨洪水图集 提供的方法，产流期平均损失率 f 与产流期水量 Ptc 的关系图求得净雨过程，进行汇流计算便可求出设计洪峰流量，采用吐哈盆地概化雨型，进行产、汇流计算，雨型分配比见表 4。根据产流查算方法推算出各种不同保证率的净雨量过程，再根据净雨量过程与汇流面积进行汇流计算，计算公式如下。伊吾气象站年最大一日降水频率曲线见图 2。表 4吐哈盆地地区概化雨型日内分配表T/h123456789101112分配比/%00005 53 42 500000T/h131415161718192021222324分配比/%12 915 727 023 92 1007 10000842第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月汇流计算公式如下:b=T0 0 5tT0+0 5t(2)un=(1 b)bn 1(3)I=F3 6t(4)Qi=uiIi(5)式中:T0为示储小时数;t 为汇流计算时段;b 为调蓄单位线的公比;n 为调蓄单位线的涨洪时段数;F 为流域面积;为计算时净雨量;根据流域汇水水面积，用调蓄经验单位线法，计算出堤防提升改造工程以上流域区间设计洪峰流量成果见表 5。图 2伊吾气象站最大一日降水频率曲线表 5堤防提升改造工程区间设计洪峰流量成果表项目频率/%0 10 20 33123 3351020洪峰流量/m3/s16813311168 847 935 327 216 48 533 1 4淖毛湖堤防提升改造工程起点设计洪峰流量淖毛湖堤防该造提升工程起点设计洪峰流量是苇子峡水文站断面设计洪峰流量到达堤防工程起点的设计洪峰流量与堤防提升改造工程区间洪峰流量之和，计算成果见表 6。表 6淖毛湖堤防提升改造工程起点设计洪峰流量成果表m3/s项目频率/%0 10 20 33123 3351020衰减后流量11095 386 567 856 349 041 530 921 5区间洪水16813311168 847 935 327 216 48 53合计27822919713710484 368 747 330 03 2堤防提升改造工程红淖三铁路南侧设计峰流量为完成淖毛湖堤防提升改造工程水文分析计算，哈密水文勘测局技术人员于 2022 年 7 月 5 7 日对堤防提升改造工程段的洪水进行了实地勘查。红淖三铁路于 2013 年建成主体工程，经历了伊吾河 2018 年和 2021 年的大洪水，从铁路桥两侧和桥涵明显看出了洪水流过的痕迹，对铁路桥涵穿过伊吾河洪沟的 20 个桥涵，从东到西进行了桥涵实际过水流量的测量，1 14 号桥涵总过水流量为 20 412 m3/s，1 20号桥涵总过水流量为 45 452 m3/s。按照红淖三测得的过水流量，伊吾河淖毛湖堤防提升改造工程以上流域的洪水到达红淖三铁路南侧的洪峰流量为 45 452 m3/s。依据此数据用地区综合模比系数法计算伊吾河淖毛湖堤防提升改造工程红淖三铁路南侧设计洪峰流量。根据水利水电工程设计洪水计算规范(SL44 2006)规定，即“当设计流域的洪水和暴雨资料短缺时，可利用邻近地区分析计算的洪峰、洪量统计参数或相同频率的洪峰模数等，进行地区综合，用于设计流域”。本次设计洪水计算即依据此规定采用多种方法进行分析，加以论证其合理性。本次采用哈密天山南北坡 4 个具有长系列洪水资料的参证站即:头道沟站(1956 2020 年)实测洪水系列、白吉站(1956 2020 年)实测系列加 1919 年调查洪水、榆树沟站(1979 2020 年)实测系列加 1919 年、1961 年调查洪水，苇子峡站(1976 2010)实测系列加 1935 年调查洪水绘制出地区洪峰流量模比系数综合频率曲线见图 3，根据伊吾河淖毛湖提升改造工程工程红淖三铁路南侧调查到的洪峰流量45 452 m3/s，重现期 102 a 一遇，代入公式(6)，推求出不同频率的设计洪峰流量见表 7。洪峰流量计算公式:Qp=Q调KpK调(6)式中:Qp为设计频率洪峰流量(m3/s);Q调为某一频率的调查洪峰流量(m3/s);Kp、K调分别为设计、调查洪峰流量的模比系数。表 7红淖三铁路南侧堤防工程设计洪峰流量成果表m3/s项目频率/%0 10 20 33123 3351020Kp19 0715 4913 017 955 233 542 431 170 71设计洪峰流量10887 673 645 029 620 013 76 624 013 3堤防提升改造工程红淖三铁路北侧设计峰流量当堤防提升改造工程发挥作用后，红淖三铁路上游以南的洪水都集中在堤防工程的西侧，东侧就减小了洪水的威胁，东侧铁路桥涵 1 14 号的洪水全集中在 14 号铁路桥涵穿过铁路进入北侧的堤防工程。用地区综合模比系数法计算伊吾河淖毛湖堤防提升改造工程红淖三铁路北侧设计洪峰流量，调查洪峰流量 20 412 m3/s，综合频率曲线见图 3，根据计算公式(6)，计算成果见表 8。942第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月表 8红淖三铁路北侧堤防工程设计洪峰流量成果表m3/s项目频率/%0 10 20 33123 3351020Kp19 0715 4913 017 955 233 542 431 170 71设计洪峰流量48 439 333 020 213 38 996 172 971 80表 9淖毛湖堤防提升改造工程起点实测河道大断面m起点距河底高程起点距河底高程起点距河底高程起点距河底高程010907 7342037 2623216 48148 172947 7062046 9713226 66488 2311027 8432087 4513336 53698 1141067 7442167 5573346 221137 7661107 7062187 4243396 431177 9521147 7492307 3623406 702217 8361167 5832347 2733496 709258 0171207 7512377 2423556 623287 9911247 7112417 4393566 383297 81287 7172457 2013606 436338 0691327 6792476 9423646 19378 1611367 5842497 1013656 44418 0791437 7612537 2993736 546458 031447 4452577 3423746 701498 0711467 4822597 5373937 024538 0121478 0162637 4283946 479568 0081517 762677 4563966 37587 741557 5982727 2393976 361607 9331607 7462736 9793996 718647 9811647 7732857 0174097 008687 8931767 8342866 7684117 159747 7751787 6182886 7534197 084797 7791807 6942906 7874217 261807 5531887 6082916 994238 726827 8181917 2062956 859867 8991937 3833076 6453 4堤防提升改造工程起点大断面图和水位流量关系图通过收集 2022 年 7 月期间对伊吾河淖毛湖堤防提升改造工程现场实测数据，并根据测量的大断面数据，绘制地方起点大断面和水位流量关系曲线，实测数据见表 9，曲线图见图 4 和图 5。图 3哈密市洪峰流量模比系数综合频率曲线图图 4伊吾河淖毛湖堤防图 5伊吾河淖毛湖堤防提升提升改造工程起点大断面图改造工程起点水位流量关系图4结语伊吾河淖毛湖段堤防提升改造工程以上的主要河流是伊吾河。淖毛湖堤防提升改造工程以上的流域集水面积主要是伊吾河苇子峡水文站以上流域集水面积、苇子峡沟口西侧(左岸)莫钦乌拉山北坡的部分汇水面积和苇子峡出山口至淖毛湖红淖三铁路以南的戈壁面积，通过对改造工程流域设计洪水进行计算分析，得出的计算成果较合理可靠，可为工程优化设计、防汛预警和调度管理提供科学决策依据。参考文献 1张小龙 托斯呼尔沟水库设计洪水计算分析J 地下水 202143(01):168 171 2程曌 山洪灾害调查评价技术在无资料小流域洪水预警中的应用J 水资源开发与管理 2021(02):73 76(上接第 153 页)3结语(1)采用颚式破碎机将废弃混凝土破碎、筛分，然后经颗粒整形强化处理可以配制出与天然粗骨料各项基本性能相近的再生骨料，通过选用合适的替代率和水泥用量可以保证水工混凝土整体性能符合工程要求。(2)再生骨料与天然骨料混凝土的碳化发展规律基本一致，前期具有较快的碳化速率，这主要与多孔结构的硬化砂浆附着于再生骨料表面有关，可以为外界气体的渗入提供通道。因此，再生骨料相较于天然骨料混凝土抗碳化性稍差。(3)水工混凝土抗碳化性能随着水泥用量的增加以及替代率的减少逐渐增强，400 kg/m3水泥用量混凝土的 28d 碳化深度达到 3 3 mm，与天然骨料混凝土(替代率 0%)28 d 碳化深度 2 1 mm 相比仅提高 1 2 mm，增幅相对较小，说明水泥用量较高时再生骨料对混凝土抗碳化能力影响较低。另外，再生骨料替代率超高 60%会明显增大混凝土的碳化深度，所以实际工程中再生骨料最大替代率应控制在 40%60%范围。参考文献 1欧阳利军，安子文，杨伟涛，等 混凝土界面过渡区(ITZ)微观特性研究进展J 混凝土与水泥制品 2018(2):7 12 2石妍，杨华全，陈霞，等 骨料种类对混凝土孔结构及微观界面的影响J 建筑材料学报 2015(1):133 138052第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月