狹窄型河道斷面形式及糙率選取的研究

薛文斌

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001）

1 引言

在以往的中小河流治理工程中，基本上選取單一綜合糙率推求洪水水面線，在防洪設(shè)計標準下河道斷面往往較大，需要對沿河兩岸的居民和企業(yè)安置拆遷，狹窄性河道更為突出。因此，如何因地制宜、因勢利導地選擇河道斷面尤其重要，本工程案例按照“以人為本，人水和諧”的建設(shè)理念，針對狹窄河道的特點，在滿足防洪標準及行洪安全的前提下，提出箱涵結(jié)合明渠的斷面形式，選取合理的河道糙率推求水面線，同時兼顧了防汛管理道路及兩岸居民交通出行需求，利用河道內(nèi)的基流在中間明渠內(nèi)形成水面工程，打造水清可觀、岸綠可游、街繁可貿(mào)的濱水活力特色水街。

2 案例分析

2021 年7 月20 日，河南某市遭遇極端連續(xù)強降雨，受特大暴雨影響災情嚴重，當?shù)亟y(tǒng)籌防洪安全、城鎮(zhèn)提升、生態(tài)修復和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，高標準組織開展災后重建工作。境內(nèi)某干流在這次洪水災害中發(fā)揮防洪作用的同時，也遭受了不同程度的損毀，為保障流域內(nèi)河道繼續(xù)發(fā)揮行洪作用，當?shù)貙拥赖人A(chǔ)設(shè)施進行了恢復。某河道作為該干流的一級支流穿鎮(zhèn)區(qū)而過，沿河有居民、工業(yè)廠區(qū)等，防洪任務(wù)重要，通過現(xiàn)場暴雨洪水調(diào)查，根據(jù)水面線分析計算成果，因地制宜、結(jié)合現(xiàn)狀提出對箱涵結(jié)合明渠斷面的治理方案，全面恢復該河道的泄洪功能。

3 狹窄河道斷面形式的確定

目前，河道治理工程采用的斷面主要以矩形、梯形和復式斷面為代表[1]。矩形斷面一般用于規(guī)劃河寬較小的河段，兩岸采用直立式重力式擋墻防護，征地拆遷工作量較小，但親水性差；梯形斷面一般用于開闊河段，兩岸采用自然放坡，工程投資較小，但較大的開挖斷面帶來占地面積大；復式斷面一般用于河道寬闊的河段，親水性好，但占地面積大投資高。

3.1 工程背景

本次研究對象為該河道穿鎮(zhèn)區(qū)段，長度約0.6 km，現(xiàn)狀河道萎縮嚴重，基本失去原有河道面貌，本次通過開挖護砌措施，恢復河道行洪功能，保護沿河兩岸居民的生命財產(chǎn)安全。本段河道現(xiàn)狀斷面形式為暗涵，尺寸為2 m×2 m，過流能力為5 m3/s，兩側(cè)緊鄰為鄉(xiāng)村道路、臨街商鋪和民房，若考慮為常規(guī)的矩形或梯形斷面，一是存在征地拆遷任務(wù)重，拆遷建筑面積約20 760 m2；二是兩岸居民出行困難。綜合考慮，因地制宜創(chuàng)新采用箱涵結(jié)合明渠的河道斷面形式。根據(jù)GB 50201—2014《防洪標準》中規(guī)定，防護對象的防洪標準應(yīng)根據(jù)防護對象的重要性、歷次洪災情況及政治、經(jīng)濟影響，并結(jié)合防護對象和防洪工程的具體條件來確定。本次河道治理工程河道設(shè)計防洪標準為20 年一遇，防洪建筑物級別為4 級。

3.2 河道斷面形式設(shè)計

根據(jù)河道所在位置地形、地質(zhì)條件，河道斷面要素，箱涵頂部道路等級，在滿足涵下凈空需求的前提下，選擇施工工藝簡單的斷面形式，橫斷面采用單孔箱涵（5.2 m）+明渠（8 m）+單孔箱涵（5.2 m），明渠采用格賓石籠護底，箱涵采用C30 現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。箱涵基礎(chǔ)下素土需經(jīng)夯實處理，地基承載力特征值不小于120 kPa，局部淤泥等不良地質(zhì)條件采用人工碎石土換填；箱涵施工縫設(shè)置在底板以上0.8 m 處，縫中設(shè)置鍍鋅止水鋼板。箱涵頂寬5.2 m：3.5 m（單車道）+1.7 m（人行道），人行道臨河側(cè)設(shè)置混凝土仿木欄桿安全欄桿，橋面橫坡設(shè)計為雙向2%，橋面鋪裝使用瀝青混凝土，厚度為100 mm。箱涵凈空：頂板底高于20 年一遇洪水位0.5 m。本次設(shè)計的箱涵結(jié)合明渠斷面形式，在滿足設(shè)計標準下河道行洪安全的前提下，兼顧了防汛管理道路及兩岸居民交通出行需求，再者可利用河道內(nèi)的基流，在中間明渠內(nèi)形成水面工程。如圖1、圖2 所示。

圖1 箱涵結(jié)合明渠斷面形式三維模型

圖2 箱涵結(jié)合明渠典型斷面形式

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

本次設(shè)計行洪箱涵兼顧道路的作用，設(shè)計汽車荷載等級為城-B 級，設(shè)計安全等級為二級，環(huán)境條件Ⅱ類，依據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，結(jié)構(gòu)進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的計算，得出車輛荷載為40 kN（兩個輪），車道均布荷載為7.88 kN/m，集中荷載為202.50 kN。

3.4 抗滑穩(wěn)定驗算

抗滑穩(wěn)定計算采用承載能力極限狀態(tài)下的基本組合，作用效應(yīng)分項系數(shù)均為1，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc采用式（1）計算：

式中，f 為箱涵基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑H 為作用在箱涵上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑G 為作用在箱涵上全部平行于基底面的荷載，kN。

經(jīng)驗算，Kc=5.82，箱涵抗滑穩(wěn)定性滿足要求。

3.5 地基承載力驗算

地基承載力計算采用式（2）、式（3）計算：

式中，pk為標準組合中基礎(chǔ)底面處的平均壓力值，kPa；pkmax為標準組合中基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力值，kPa；Fk為標準組合中上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力，kN；Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重，kN；A 為基礎(chǔ)底面面積，m2；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；Mk為標準組合中作用于基礎(chǔ)地面的力矩，kN·m；W 為基礎(chǔ)底面對于該底面形心的抵抗矩，m3。

經(jīng)過驗算，pk=114 kPa，pkmax=120 kPa，地基承載力滿足要求。

4 狹窄河道洪水水面線河道糙率分析

河道糙率是反映河段形態(tài)、河床面粗糙程度影響水流流態(tài)的阻力系數(shù)，對部分天然河段來說，無均勻流條件，因此，糙率分析大多以天然河道單一形態(tài)河段為基本點。通常情況下，水文站河段近似符合均勻流公式，計算獲得的單斷面糙率精度相對較低，缺乏代表性[2]。針對天然河道糙率進行分析和計算的過程中，需要綜合考慮河道平面形態(tài)、斷面幾何形式等。

結(jié)合本河道平面形態(tài)和斷面幾何形式進行分析，不同過流斷面處河道糙率具有較大差異，從而在推求不同流量水面線的過程中，需要選擇相適應(yīng)的糙率。本次河道洪水水面線應(yīng)用HEC-RAS 軟件進行計算分析，結(jié)合實際合理設(shè)置不同水位斷面處的糙率，全面反映出狹窄河道不通過斷面位置河道糙率的取值范圍。借助伯努利能量方程計算狹窄河道洪水水面線，公式為：

式中，Z上、Z下分別為上、下游斷面水位，m；a 為斷面動能改正系數(shù)；g 為重力加速度，取9.81 m/s2；V下為下游斷面平均流速，m/s；hw為上下游斷面之間的水頭損失，m。

通過計算分析，本次河道治理在不同斷面位置處的河道糙率取值范圍為0.0125～0.025。選取結(jié)果如表2 所示。

表2 箱涵結(jié)合明渠斷面糙率選取表

河道糙率是有效推求洪水水面線的重要參數(shù)，在計算水面線的過程中，選取邊界條件參數(shù)的過程中，需要最大限度地保證其準確度[3]。對于狹窄河道推求河道水面線的過程中，在平面形態(tài)和斷面幾何形式較均一時，選取河道糙率時，通?？梢赃x擇單一綜合糙率；當推求河道同一過流斷面但存在多種幾何形式的洪水水面線的過程中，需要結(jié)合河道的襯砌結(jié)構(gòu)類別及特征選取合理的河道糙率，從而進一步保證設(shè)計洪水標準下河道水面線的準確性。

5 狹窄型河道治理策略探討

5.1 選擇合理的斷面形式

1）滿足防洪要求。在河道治理的過程中，防洪是最基本也是最重要的任務(wù)，要始終把保障人民生命財產(chǎn)安全放在第一位，河道堤防是防洪的屏障，河道治理就是要筑牢防汛的“生命線”，守好民生的“水位線”。

2）選擇穩(wěn)定性好的護岸結(jié)構(gòu)。堅固的護坡結(jié)構(gòu)可防止行洪時河岸坍塌，也可有效維護河道整治后的成果，防止河道再次被侵占。

3）堅持整體性原則。統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)河道治理與城鎮(zhèn)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境、橋梁、道路等相關(guān)工程的關(guān)系，科學的規(guī)劃建設(shè)，實現(xiàn)水利工程與環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

5.2 盡量減少征地拆遷

1）充分調(diào)查。河道治理不僅是工程治理、水質(zhì)治理，其主要體現(xiàn)的是“以人為本”，應(yīng)該加強調(diào)查研究，了解工程區(qū)周邊居民及受益群眾的心理需求，治水要實地調(diào)查貼合實際，充分調(diào)研論證，用民生工程惠民生贏民心。

2）科學嚴謹。河道治理的目的是修建堤防、穩(wěn)定河勢，確保防洪安全，應(yīng)嚴格按照規(guī)范要求確定防洪標準，多方案比選優(yōu)化，結(jié)合以往河道治理的經(jīng)驗，制定科學合理的方案。

3）經(jīng)濟最優(yōu)。拆遷占地是制約中小河道治理工程進度及效果的重要因素之一，設(shè)計階段通過合理確定防洪標準，確定工程紅線范圍，科學優(yōu)化河道斷面，在保障河道行洪安全的前提下，最大限度地減低工程拆遷占地面積，從而保障工程順利實施；河道治理也應(yīng)與周邊沿線經(jīng)濟的發(fā)展相呼應(yīng)，把生態(tài)資源轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢，助力鄉(xiāng)村振興。

6 結(jié)論

針對狹窄河道，應(yīng)充分分析其形成的原因，在治理過程中科學合理地選擇河道斷面形式，準確選取河道糙率，對推求洪水水面線的精度有較大影響，這就要求設(shè)計人員在推求水面線的過程中確保選擇邊界條件參數(shù)的準確度。另外，結(jié)合工程實際，兼顧周邊群眾利益和需求，制定相適應(yīng)的防洪策略是河道治理工程中的重要一環(huán)。