我國(guó)四大水系蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)分析

我國(guó)四大水系蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)分析

在大河和大河流域，雨季流量集中，上游洪水量大，集中排放，這是河流的平均受害者。這段河很難忍受，因?yàn)樘?，破壞了農(nóng)田和建筑物，給國(guó)家和人民帶來(lái)了巨大的損失。因此在這些地區(qū)選擇一些較低洼區(qū)域作為分洪區(qū),把江河超標(biāo)準(zhǔn)洪水暫存在這里,這樣就隨之出現(xiàn)了一些蓄滯洪區(qū)。蓄滯洪區(qū)地形地貌特征,來(lái)水、退水方式,流量、水位等水文特點(diǎn)都十分復(fù)雜;蓄滯洪區(qū)內(nèi)村鎮(zhèn)、地面建筑物、水利設(shè)施密集,人口眾多,大部分蓄滯洪區(qū)靠近重要城市,防洪意義重大。在蓄滯洪區(qū)修建的道路、橋梁建筑物對(duì)滯洪區(qū)排洪影響很大,而蓄滯洪區(qū)公路、橋梁工程設(shè)計(jì)還沒(méi)有相應(yīng)技術(shù)規(guī)范可依,所以,對(duì)蓄滯洪區(qū)公路、橋梁工程設(shè)計(jì)如何減少對(duì)蓄滯洪區(qū)功能的不利影響必須引起高度重視。表1為我國(guó)四大水系蓄滯洪區(qū)基本情況。對(duì)于滯洪區(qū)內(nèi)道路、橋梁設(shè)計(jì)必須采取有效計(jì)算方法和科學(xué)試驗(yàn),合理確定道路設(shè)計(jì)標(biāo)高和泄洪口寬度,確保蓄滯洪區(qū)的原有蓄洪、滯洪、排洪功能?，F(xiàn)行分析方法一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、數(shù)值模擬計(jì)算和水工模型試驗(yàn)等。廊滄高速公路文安洼分洪特大橋長(zhǎng)度確定過(guò)程中即采用了數(shù)值模擬計(jì)算的方法進(jìn)行洪水演進(jìn)分析。洪區(qū)滄州廊滄高速公路廊坊市段起自永清縣東,中間穿越東淀、文安洼蓄滯洪區(qū),止于滄州市界,路線長(zhǎng)度約93km。由于路線跨越東淀、文安洼滯洪區(qū)段水利工程體系,洪水調(diào)度方案復(fù)雜,所以路基設(shè)計(jì)高度、泄洪橋橋長(zhǎng)的確定能否滿足泄洪要求是本工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。該段山脊的水文特征和洪水規(guī)劃文安縣路段線位所經(jīng)滯洪區(qū)蓄滯洪區(qū)在防汛抗洪工作中,起著削峰緩洪、延長(zhǎng)下泄時(shí)間、減輕下游災(zāi)害的重要作用。廊滄高速公路廊坊市段位于東淀、文安洼分洪滯洪區(qū)之內(nèi)。文安洼位于大清河下游,是大清河水系中最大、最主要的蓄滯洪區(qū),也是海河流域最重要的蓄滯洪區(qū)之一,對(duì)保衛(wèi)天津市、津浦鐵路、京九鐵路的安全起著重要的作用。大清河水系規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)以1963年行洪水位為基準(zhǔn),相當(dāng)于50年一遇洪水,文安縣路段線位所經(jīng)滯洪區(qū)主要承泄大清河流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水。目前大清河流域的干流及重要支流河道均未達(dá)到規(guī)劃行洪能力,流域整體防洪標(biāo)準(zhǔn)僅為20年一遇左右,東淀的滯洪標(biāo)準(zhǔn)不足5年一遇,賈口洼或文安洼滯洪標(biāo)準(zhǔn)也僅為10年一遇左右。洪水調(diào)度方案大清河流域位于海河流域中部,西起太行山,東臨渤海灣,北鄰永定河,南界子牙河,流域面積4.31萬(wàn)km2。大部分洪水由新蓋房分洪道入東淀、文安洼、賈口洼。根據(jù)國(guó)務(wù)院防御特大洪水方案要求,當(dāng)東淀、文安洼、賈口洼三洼均已達(dá)到運(yùn)用水位,且繼續(xù)上漲才可扒開(kāi)南運(yùn)河兩堤,向團(tuán)泊洼分洪,而后經(jīng)北大港南側(cè)、子牙新河北側(cè)夾道入海。從大清河流域洪水調(diào)度方案可以看出,廊滄高速文安洼分洪特大橋在大清河下游受到大清河流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水的影響,現(xiàn)狀及規(guī)劃條件下分洪過(guò)程見(jiàn)表2。上述調(diào)洪成果表明:在現(xiàn)狀工程條件下,100年一遇洪水,在東淀、文安洼、賈口洼充分運(yùn)用的條件下,仍需向團(tuán)泊洼分洪,在東淀、文安洼、賈口洼最高水位分別為6.50、6.45、6.41m時(shí),向團(tuán)泊洼最大分洪流量為3340m3/s;300年一遇洪水,在東淀、文安洼、賈口洼最高水位分別為7.26、7.25、7.16m時(shí),向團(tuán)泊洼最大分洪流量為4520m3/s。在規(guī)劃工程條件下,100年一遇洪水,只需利用東淀、文安洼兩個(gè)洼地滯洪,東淀、文安洼最高水位分別為6.48、6.02m;300年一遇洪水,東淀、文安洼、賈口洼均需運(yùn)用滯洪,其最高水位分別為7.04、6.82、6.74m時(shí),向團(tuán)泊洼最大分洪流量為3880m3/s。洪水演進(jìn)數(shù)值模擬計(jì)算大清河流域向文安洼分洪的洪水,在廊滄高速西側(cè)將形成全面漫流之勢(shì),洪水沿程經(jīng)過(guò)各種阻水建筑物,如河流、渠道等過(guò)水建筑物,地形高低起伏,十分復(fù)雜。為了準(zhǔn)確地分析洪水在文安洼內(nèi)的行洪、滯洪、蓄洪特性,分析廊滄高速修建前后對(duì)蓄滯洪水的影響,必須對(duì)滯洪區(qū)洪水進(jìn)行洪水演進(jìn)數(shù)值模擬計(jì)算,以確定公路路基高度及行洪橋梁長(zhǎng)度及位置、孔徑布置尺寸。滿足行洪需要,減少公路建設(shè)后對(duì)防洪規(guī)劃的影響,確保京津地區(qū)防洪安全。二洪水模型及計(jì)算過(guò)程結(jié)合線位處洪水特點(diǎn),本項(xiàng)目采用我國(guó)在洪泛區(qū)洪水分析中推薦使用的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型,對(duì)文安洼分洪特大橋洪水演進(jìn)形勢(shì)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。二維非恒定流基本方程為:動(dòng)量方程中:(1)——加速度項(xiàng);(2)——x方向慣性項(xiàng);(3)——y方向慣性項(xiàng);(4)——水面坡降項(xiàng);(5)——阻力項(xiàng)。將二維非恒定流的基本方程經(jīng)積分變換后可以得到下面三個(gè)離散形式的基本方程:式中:h——積分柱體的平均水深;U、V——分別為X、Y方向的平均流速;M、N——分別為X、Y方向的單寬流量,顯然,M=Uh,N=Vh;H——水面高程;τX(jué)b、τYb——分別為X、Y方向的床面剪切應(yīng)力。上式(5)、(6)中的UM、VM、UN、VN為對(duì)流項(xiàng),是兩微分方程中的非線性項(xiàng),在數(shù)值計(jì)算中常引起計(jì)算的不穩(wěn)定,在泛區(qū)洪水計(jì)算中,上述4項(xiàng)所占比例較小,?？梢允÷?省略后并將上式改寫(xiě)成差分形式,得到差分方程如下:由上式(8)、(9)聯(lián)合求解,可得:及,代入式(7)即可得出:,只要確定了初始的值,再反復(fù)利用上述三式逐時(shí)段求解方程即可模擬出洪水演進(jìn)過(guò)程。模擬范圍及地形剖分。本項(xiàng)目二維非恒定流模型洪水模擬區(qū)西界為孟家務(wù)村東,東至西長(zhǎng)田村西,北部以大柳河新各莊為界,南部邊界為龍街鄉(xiāng)西扣里村,西側(cè)為小白河及趙王新渠,洪水模擬區(qū)域面積為892km2,地形剖分采用正方形網(wǎng)格,網(wǎng)格間距取500m,計(jì)算區(qū)域共3568個(gè)網(wǎng)格。阻水建筑物。區(qū)域內(nèi)的文安洼三排干渠堤防,以及保靜線路基和廊滄高速公路路基均為主要阻水邊界。在模型中堤防按兩種類型處理,一類為可潰決堤防,如河堤等;另一類為非潰決堤防,如公路、鐵路路基。計(jì)算時(shí)將路基高度假定不會(huì)出現(xiàn)漫流的高程輸入模型。過(guò)水建筑物。跨越阻水邊界的過(guò)水建筑物,如公路橋梁、涵洞、倒虹吸等,起到連接阻水邊界上下游水流的作用,過(guò)水建筑物的水流按下列公式計(jì)算:堰流公式:Q=4.43·m·σ·B·H1.5式中:Q——過(guò)水流量;m——堰流系數(shù);σ——淹沒(méi)系數(shù);B——平均過(guò)水寬度;H——堰上水頭。該公式主要用于鐵路、公路橋梁、無(wú)壓過(guò)洪涵洞,以及非潰決堤防的漫頂水流。倒虹吸水流計(jì)算公式:Q=4.43·μ·A·ΔZ0.5式中:Q——過(guò)水流量;μ——流量系數(shù);A——倒虹吸過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;ΔZ——上下游水頭差。廊滄高速穿越文安洼的跨河橋梁、跨線橋梁、涵洞均作為過(guò)水通道考慮,大中橋梁按其實(shí)際設(shè)置位置輸入模型,小橋涵洞由于數(shù)量太多作適當(dāng)簡(jiǎn)化輸入模型。糙率。本計(jì)算區(qū)無(wú)實(shí)際大洪水的實(shí)測(cè)資料,糙率選定按以往經(jīng)驗(yàn)選取,其中:房屋:全網(wǎng)格0.12;河道:0.06;半網(wǎng)格房屋,半網(wǎng)格為農(nóng)田:0.07;樹(shù)木:0.08;樹(shù)木:全網(wǎng)格0.07;河道:0.055;半網(wǎng)格樹(shù)木,半網(wǎng)格為;農(nóng)田:0.065;河道:全網(wǎng)格0.035～0.04;農(nóng)田:全網(wǎng)格0.05～0.06。文安洼滯流區(qū)洪水分析的主要結(jié)論廊冀高速對(duì)行洪影響分析由于大清河近期實(shí)施規(guī)劃泄洪能力的可能性不大,建議廊滄高速按現(xiàn)狀水利工程條件及水利部門要求進(jìn)行洪水設(shè)防。按廊滄高速建設(shè)前、后兩種工程條件分析廊滄高速對(duì)行洪的影響。采用1500m、1000m兩種行洪寬度(即行洪橋長(zhǎng))方案進(jìn)行模擬分析。行洪方案對(duì)廊冀高速濱水景觀的影響分析廊滄高速修建前后,經(jīng)對(duì)100年一遇洪水演進(jìn)形勢(shì)進(jìn)行分析結(jié)果表明:在小白河破堤3km的情況下,文安洼仍可起到緩洪調(diào)蓄作用。廊滄高速修建后,考慮1500m和1000m兩種寬度行洪通道(即行洪橋長(zhǎng))方案,經(jīng)對(duì)100年一遇洪水演進(jìn)形勢(shì)進(jìn)行分析結(jié)果表明:廊滄高速修建后與修建前比較,最高水位、最大水深分布趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明廊滄高速的修建未改變分洪洪水的水流流動(dòng)趨勢(shì)。同時(shí),1500m和1000m兩種不同長(zhǎng)度行洪橋方案對(duì)廊滄高速壅水高度影響差別不大。從節(jié)約工程造價(jià)及水利部門要求綜合考慮,宜采用1000m行洪橋梁長(zhǎng)度。分洪橋橋位選擇原則,一是應(yīng)位于主流區(qū)域;二是應(yīng)選在地勢(shì)低洼易排水處,三是應(yīng)和干渠破堤分洪位置對(duì)應(yīng)。經(jīng)比較,認(rèn)為龍街服務(wù)區(qū)以北曲店村的低洼地區(qū)布設(shè)行洪橋比較合理。根據(jù)排水橋的長(zhǎng)度、直徑和高度確定基本高度的原則健全路基填土最低根據(jù)本項(xiàng)目橋位地質(zhì)勘察成果可知橋位處為軟弱地基,針對(duì)橋位處軟弱地基處理要求,橋頭路基填土最高不宜超過(guò)6m,否則由于軟基沉降引起的工后沉降過(guò)大,造成橋頭跳車嚴(yán)重。路基高度和橋梁高度以下因素即為蓄滯洪區(qū)橋長(zhǎng)、路基高度確定依據(jù)根據(jù)上述洪水演進(jìn)計(jì)算分析結(jié)論,橋長(zhǎng)(即行洪口寬度)不宜小于1000m;考慮最大淹沒(méi)水深為2.8～3.5m,路基高度必須大于4m。波浪侵襲高度是確定路基高度和橋梁高度的主要因素之一,可根據(jù)當(dāng)?shù)匦顪閰^(qū)水文、風(fēng)力資料(不少于20年的風(fēng)力要素資料)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并予以確定。橋前壅水高度計(jì)算橋前壅水高度可根據(jù)規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算,路基高度、橋孔高度確定時(shí)予以考慮。應(yīng)采用的工程措施綜合考慮無(wú)洪水時(shí)橋下通行方便、盡量減少基礎(chǔ)工程量、降低橋梁結(jié)構(gòu)高度和路基高度等因素,本橋孔徑宜采用25～30m跨徑的預(yù)應(yīng)力T型梁結(jié)構(gòu)。工程措施針對(duì)本項(xiàng)目軟土路基高度不宜大于6m的要求,計(jì)入橋前壅水高度、洪水波浪侵襲高度后可能大于6m(軟基控制高度);滯洪區(qū)水深達(dá)4m,滯洪時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)1個(gè)多月。路基這時(shí)宜考慮其它可行的工程措施,如路基應(yīng)選擇合適的材料防止水的長(zhǎng)期浸泡;進(jìn)行鋪砌防護(hù);路基兩側(cè)植樹(shù)防浪侵襲等,保證路基穩(wěn)定和橋梁安全。主要問(wèn)題探討我國(guó)大江大河水系中蓄滯洪區(qū)數(shù)量、面積規(guī)模較大;高速公路及地方道路交錯(cuò)縱橫,穿越蓄滯洪區(qū)道路、橋梁很多;滯洪區(qū)村鎮(zhèn)、人口、水利設(shè)施密布;道