董敏龙

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)



中小河流防洪治理河道宽度选择

董敏龙

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

中小河流治理结合城镇化发展成为防洪治理重要方向。因人类历史发展、上游建设水库、近年来雨水偏少等原因，北方地区中小河流下游河道往往断流，河道多被侵占或束窄。随着城镇化发展，中小河流河道治理项目增多，河道宽度的选择就成了防洪设计的难题。采用河相关系式确定防洪治理河道宽度，以满足防洪标准。

中小河流；防洪治理；河项关系式；河道宽度

0 前 言

近年来，随着大江大河防洪治理的逐步完成，中小河流治理结合城镇化的发展，逐步成为防洪治理的主要内容[1-2]。未进行防洪治理的中小河流，主要因为上游修建水库，引起下游河道发生洪水的概率较小；或是因为近年来雨水偏少，洪水发生概率小，因而河道多被侵占或束窄。随着城镇化发展及各种工业园区的建设，居民固定资产增多，城镇附近河流及沟道需进行防洪治理，以确保人民生命财产安全。

笔者参与设计的西安临潼国家旅游休闲度假区韩峪河防洪工程所在的韩峪河，从小峪沟汇入韩峪沟，出沟口后进入平原区，河道比降较小，土地平整，由于当地居民缩河种地，河道变成2 m宽，1 m深的小河道，沿岸地势平坦。原河道现已被沿线数家砖厂或农田侵占，一旦涨水将会泛滥成灾。河床均为土质，在人为因素干扰下，古河道已无痕迹，因此河道治理设计及河道宽度的选择就成了防洪设计的难题，该工程河道宽度采用河相关系式进行确定。

1 河相关系式的由来

冲积河流通过自动调整作用，作为较长时间的平均情况来说，有可能处于相对平衡状态，在断面形态和纵剖面与流域因素之间应该存在某种定量关系，这种关系一般称为河相关系。河相关系[3]有2种不同的类型：一种是反映不同河流之间，或同一条河流上下游之间，由于水流、泥沙和边界不同引起河床形态的变化，称为沿程河相关系式。通过平滩流量和某一频率的流量不同断面或河流的资料统一起来。另一种是研究某个河段或断面在不同流量下断面尺寸和坡降的变化，称为断面河相关系。

在印度和巴基斯坦的北部，气候比较干旱，人们从长期的生产实践中，逐步认识到渠道需要一定的断面尺寸和渠道比降，才能使引自大河的浑水通过渠道，并能保持冲淤平衡，这种平衡被称为“均衡”。1953年，Leopold和T.Maddock把这种经验应用到河流中来，认为天然河流中比降、河宽、水深和流速与流量之间，存在简单的指数关系：

(1)

(2)

(3)

式中：B为河面宽度；h为水深；U为平均流速；Q为流量；α1、α2、α3为系数；β1、β2、β3为指数；同时β1+β1+β1=1。

通常把上面所述的指数关系式称为河流的水力几何形态，被广泛应用。对于断面水力几何形态和沿程水力几何形态关系，(1)、(2)、(3)式中的系数和指数都不一样。根据世界上72条河流和206个断面的资料，可以看出断面水力几何形态和沿程水力几何形态的指数变化范围较大，其原因主要是因为上述公式只是一般化的河相关系式的一种简化，没有考虑流量以外的流域因素的影响。

由于上述关系式中指数不相等，断面宽深比将是流量的函数。这样在对比不同河流的宽浅程度时，必须在相对应的流量(例如造床流量[4])下进行，而流量的确定由于种种因素限制[5]，使用很不方便。为了弥补这方面的缺陷，苏联国立水文研究所根据苏联一些平原河流的资料，建议采用式(4)来代替河流的宽深比。

(4)

式中：B为稳定河宽,m；h为水深,m；ζ为河相系数。对于砾石河床来说，ζ取1.4，一般沙河取2.75，极易冲刷的细沙河床取5.5。

2 采用河相关系式计算河道宽度

韩峪河流域属暖温带半湿润大陆性季风气候，治理区上游就是韩峪水库，自建设韩峪水库以来40多年，仅有一次洪水下泄，大频率洪水基本拦蓄水库内。下游河道小洪水的概率较小，并且水库下游区间产生的洪水经过黄土河床而渗入地下，因此河床小洪水发生的可能性很小。上述原因使选择造床流量比较困难，实际情况与通常的理论选择不是很适合，因此采用河相关系式确定河道宽度。

工程区内河段主流位置基本固定，属蜿蜒型河段。本工程河道设计拟采用生态式混凝土预制块护坡[6-7]、护底，其空格之间将覆土种植植物，为了减少对下游凤凰池的冲刷和淤积，新修建的河道满足河相关系式进行设计。

河相关系式：

(5)

河相系数ζ为与河型、河道土质有关的系数，蜿蜒性河段ζ值较小，游荡性河段ζ值较大。据有关资料统计，山区河流ζ值小于5时，属稳定河段；ζ值在5～30之间时，属变迁河段[8]。本工程所处河道为山区稳定河流，河床主要为黄土，属于极易冲刷的河床，根据《河床演变学》[3]中认为极易冲刷的河床 取值5.5，《水力计算手册》中浑水渠道一般采用6～8[9]，因此选定ζ按4～6控制。保持堤顶基本为直线道路，河道断面为矩形和梯形以及介于两者中间的复合断面，工程河道的设计底坡在0.007～0.009之间，河床糙率均按照0.03进行计算。河床底部及过水断面护坡均为生态护坡(联锁式护坡砖[10])，护坡砖厚度采用10 cm，适用于小于5.0 m/s的流速，若仅采用草皮护坡可抗2.0 m/s的流速，考虑生态护坡和草皮护坡联合作用，底板和护坡的抗冲流速按大于3.0 m/s控制[11-12]。

根据水力学计算成果是否满足河相关系式、底板和护坡的抗冲流速是否满足设计要求以确定河道的宽度。河道宽度和水深分别按照矩形和梯形2种断面进行计算。河底宽度按照15、20、25 m进行计算，水力学计算成果及河道宽度、水深和河相系数计算结果见表1。

控制河相系数为4～6，满足要求的河道最小宽度为20 m。

3 河道宽度的确定

堤距通过经济比较确定，韩峪沟凤凰池以上河段河床宽度初拟20～30 m。河宽采用20、25、30 m三种方案进行比较，相应水深为0.88、0.77、0.70 m。堤防段面按照标准剖面：堤顶宽度为6.0 m、两侧坡比均为1∶3.0，高度为在水深的基础上加1.0 m的加高，河床和水面线以下边坡采用混凝土预制块护坡，水面线以上和背水侧采用草皮护坡，开挖深度按1.0 m考虑。方案比较结论：河床宽度越大，各项工程量越大，堤防占地面积增大，越不经济。各个方案工程量比较见表2。

表1 不同底坡、河宽计算结果表

表2 各个方案工程量比较表

从稳定河宽计算成果，对韩峪沟凤凰池以上河段河道而言，宽度应在20 m以上；从经济比较的成果，20 m宽度为最经济。考虑两方面的因素，确定韩峪沟凤凰池以上河段河床宽度为20 m。

4 结 语

目前防洪工程的设计河道宽度多以历史形成的河道宽度为基础进行改造，对束窄比较严重的河道，多采用较小的河道宽度，通过加大河道底坡或减小河道糙率的方法加大洪水下泄，以达到满足设计洪水标准的要求，这种设计理念在发生超标洪水时可能还是存在一些问题[13]。笔者通过韩峪河防洪工程的设计，结合其它工程的设计经验，在考虑河道防洪与生态景观结合进行设计时，尽可能让治理的河段符合河流的基本规律，且在不会引起工程造价大量增加的情况下，结合景观确定合理的河道设计宽度。

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Selection of River Course Width in Flood Control Harness of Medium/Small Rivers

DONG Minlong

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

The medium/small rivers harness in combination with urbanization development becomes the important trend of flood control harness. As the historic development, reservoirs built at upstream and little rainfall in recent years, water in the downstream river courses of the medium/small rivers in northern China is often interrupted. The river courses are often occupied or narrowed. With the urbanization development, projects of river course harness of the medium/small rivers increase. Selection of the river course width is critical for flood control design. The river phase relationship is applied to finalize the river course width of the river flood control harness to satisfy requirements of the flood control standard.Key words: medium/small rivers; flood control harness; river phase relationship; river course width

1006—2610(2016)05—0035—03

2016-04-25

董敏龙(1971- )，男，陕西省富平县人，高级工程师，主要从事水电枢纽工程设计及河道防洪治理设计.

TV85

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.009