李炜轩 陈海涛 黄鑫 张发旺 郭纯青

摘 要：河道理论堤顶高程计算分析是河道治理和管理的重要基础。以汾河流域为例，通过水文水力计算方法，结合河道挡水建筑物的分布，计算设计堤防堤顶高程。分析结果显示：桩号0+800～1+200段进行加固处理；桩号1+400～5+200段对堤防实行严格的管理制度；桩号5+400～7+800段局部现状堤顶高程低于設计堤顶高程，综合考虑，堤防进行加固处理综合效益更高。上述成果解决了无径流资料流域洪水推求的问题，为其他同类河道堤顶高程校核计算提供参考与借鉴。

关键词：河道治理；水文水力计算；冲刷计算；堤顶高程计算；堤顶高程校核；汾河流域

中图分类号：TV871 文献标识码：B DOI：10.11974/nyyjs.20180732028

引言

我国目前对于中小型河流的治理研究还处在初级阶段，中小河流存在的问题很多：防洪基础设施薄弱，河道萎缩严重等[1]。在河道整治和管理上，河道理论堤顶高程计算分析起到了关键性指导作用，流域水文水力计算为堤顶高程校核分析提供了基础的方法[2，3]。堤防顶高程确定方法为：根据河道的断面几何尺寸、河道水力参数、上下游边界控制条件来推求设计流量下的水面线或设计洪水过程下的最高水面线， 再加上一定的风浪爬高和安全超高， 作为河道堤顶设计高程[4-9]。在河道整治、堤防工程设计过程中，需要计算河道洪水水位，推算河道水面线，并对桥位处进行冲刷计算[10-12]。对于缺乏径流资料的小型流域，在进行计算时会遇到阻碍。

本文采用水文水力计算方法作为河道设计堤顶高程计算的前提环节，以漯河召陵区汾河为例，通过水文比拟的方法解决流域无实测径流资料的问题，求得准确的河道水面线成果，为汾河堤顶高程校核提供了设计数据。在水文水力计算方法的基础上，以伍元等的堤防设计高程研究[13]为参考，得到汾河堤防设计高程，对汾河河道堤防整治提出了建设性的意见，为其他类似的堤防工程问题提供了解决方案。

1 流域概况

汾河流域中心点在召陵区中部，河道全长约120.8km，流域面积约1598km2，下游汇入汾泉河水系。汾河发源于河南省漯河市西翟庄乡，流经召陵区中部翟庄、召陵、姬石、万金、邓襄、青年等6个乡镇，长约28.5km，流域总面积210km2，主要支流为幸福河、汾河支流以及西白马沟，见图1。

1.1 控制断面概况

本次计算范围为召陵区汾河全段。汾河流域控制断面有6个，分别为公路桥（桩号21+200）、皇甫店（桩号17+300）、荒庄（桩号12+400）、西白马沟入汾河口（4+900）、汾支入汾河口处（桩号1+200）、幸福河排涝闸处（桩号0+800）。其汇流面积见表1。

1.2 水利建筑物概况

本次所治理的汾河河道中包含5座公路桥，均为板梁式的结构，桥梁的数据整理见表2。

1.3 工程等级及防洪标准

汾河有河堤段为7km，依照《防洪标准（GB50201-94）》中的要求，结合实际了解的受保护区域的重要性，确保区域的可持续发展，现确定汾河的有堤防段（桩号0+800～7+800）按照二十年一遇的防洪标准、五年一遇除涝标准进行设计和治理；无堤防段（桩号7+800～21+200）按照五年一遇除涝标准治理。根据各项标准规范可以确定该流域的堤防等别为4等，河流内建筑物的级别为4级，河流的临时工程为5级。

2 流域水文水力计算

2.1 水文计算

根据规划防洪标准，应计算河道各控制断面的设计洪水、施工期设计洪水。在水文计算中，从暴雨图集中找到汾河流域中心点，查取流域中心24h最大暴雨量，利用等值线内插查取Cv值，得各控制断面不同重现期24h设计点雨量，流域面积小于50km2的设计面雨量可用点雨量代替，大于50km2的用设计面雨量公式计算，从而得到各设计断面不同重现期年最大24h设计面雨量；采用平原区排水模数公式，以周庄水文站为参证站，通过周庄站长系列施工期洪水资料进行频率分析，得周庄站设计洪水流量，运用水文比拟法计算各设计断面不同重现期施工期的设计洪水量。

2.2 水力计算

水力计算为标准设计断面的水力计算，在拟定河道设计断面的前提下，计算各断面正常水深；以概化的实测断面，利用恒定均匀流公式，计算水面线推算的起始水深；利用分段求和法计算汾河水面线；对桥位处进行壅水计算、冲刷计算。

2.2.1 河道断面水力计算

在过流能力以及河道水力要素的计算中，汾河河道均按照明渠均匀流水力计算的基本公式（谢才公式）进行计算。在实际工程中，谢才公式被广泛运用于明渠均匀流甚至是管道的水力计算中，但它是一个经验公式，运用公式时需要计算河道的各项水力要素。

2.2.2 河道水面线推求

2.2.2.1 水面线推求方法

河道水位的推算采用分段求和法，方法以水力计算中的能量方程为理论基础。利用分段求和法计算明渠水面线时，首先应选定控制断面，并确定该断面的控制水深。其次要正确分析水面线的类型。若是急流，控制断面位于上游端，应从上游向下游逐段推算；若是缓流，则控制断面位于下游端，应从下游逆流向逐段推算。

2.2.2.2 起始水位确定

汾河为汾泉河的上游段，水面线的推求应采用下游控制河段水位向上推求。本次计算范围为汾河全段。因此，选取汾河出口处以下800m处较顺直的河段，采用实测断面，用恒定均匀流公式计算其水位，作为水面线推算的起始水位。经过计算，求得起始控制断面（0+800）处五年一遇洪水起始水位为4.285m，二十年一遇洪水起始水位为4.761m。

2.2.2.3 桥位处壅水计算

在推求水面线过程中，河段内的五座桥梁桥位处壅水计算成果见表7。

2.2.2.4 水面线推算成果

按照拟定的控制断面推求水面线，运用分段求和法，从出口处下游800m（桩号0+800）处开始，由下游向上游逐段推算。水面线推求成果表见表8。

2.2.3 冲刷计算

主河道的桥梁等挡水建筑物会对河道产生一般冲刷和局部冲刷。针对不同河段的涉水建筑物情况，进行一般冲刷深度计算和桥墩局部冲刷计算。

2.2.3.1 一般冲刷水深计算

根据汾河河道状况，采用黏性土河床一般冲刷公式计算。

2.2.3.2 桥墩局部冲刷计算

根据汾河河道状况，选取黏性土河床桥墩局部冲刷公式计算。

3 堤防堤顶高程校核计算

汾河现有堤防距离为7km（桩号0+800～7+800）。为了更准确地进行堤防堤顶设计高程的计算与校核，首先进行风浪要素、波浪爬高、风壅高度的计算。

3.1 风浪要素计算

汾河河道风浪要素计算公式如下：

（1）

式中：H—平均的波浪高度，m；T—平均波的周期，s；V—计算风速，m/s；F—风区长度，m；h—平均水深，m；L—平均波长，m。

计算结果见表11。

3. 2 波浪爬高计算

波浪爬高是指河流水面的波浪冲刷护岸的边坡时，在坡上打碎后沿坡向上翻涌爬升的现象。汾河波浪爬高计算公式如下：

（2）

式中：—累积频率为P的波浪爬高，m；—坡面系数；—风速系数；—爬高累积频率换算系数；m—斜坡坡率。

计算结果见表12。

3. 3 风壅高度计算

汾河流域降水和风力受季节影响较大，容易产生强降雨和强风同时出现的现象，风壅高度的计算十分重要。风壅高度的计算公式如下：

（3）

式中：K—综合摩阻系数，取3.6×10-6；v—设计风速，取汛期多年平均最大风速的1.5倍，m/s；F—吹程，取上口宽，m；D—平均水深，m；g—重力加速度，采用9.81m/s2。

通过上述公式计算，风壅高度e=0.0046m。

3.4 堤顶超高计算

堤顶高程的计算为设计洪水位加堤顶超高。堤顶设计高程的左右岸重现期均为20a。堤顶超高计算公式如下：

（4）

式中：—堤顶超高，m；—波浪爬高，m；—风壅高度，m；—安全加高，汾河堤防工程等级为4级，且不允许波浪翻越，安全加高值取0.6m。

通过上述公式计算，左右堤超高为1.0146m。

3.5 现有堤防与设计堤防比较

将所计算的堤顶超高与水面线推求结果表中所计算的水位相加，得到汾河的现有堤防段的设计堤顶高程。汾河现有堤防段的左右堤顶高程与设计堤顶高程数据比较见表13。

4 堤顶高程校核计算成果讨论

对于桩号0+800～1+200段的堤防，左堤顶高程的现状为51.9～52.2m，右堤顶高程的现状为52.3～52.6m。计算的堤顶高程均在堤顶现状的最小值内。所以对于本段的堤防不需要加高，进行加固处理。

对于桩号1+400～5+200段的堤防，左堤顶高程的现状为52.2～53.1m，右堤顶高程的现状为52.6～52.9m，计算的堤顶高程均在堤顶现状的最小值内。本段位于流量较大的河段，所以对于本段堤防需要实行更为严格的管理制度。

对于桩号5+400～7+800段，左堤顶高程的现状为53.1～53.2m，右堤顶高程的现状为52.9～53.9m。现有堤防堤顶高程在该段的上游段部分略高于设计堤顶高程，下游段则全部满足防洪要求。对于局部现状堤顶高于设计堤顶，综合考虑经济因素和施工效率问题，对堤防进行加固处理可以减少工程的开挖量，节约治理成本，综合效益更高。故保持现状堤顶高程不变，不需要对堤顶加高处理。

5 结语

汾河流域的水文站设立极少，基本没有径流资料。在施工期设计洪水的推求上，选取周庄水文站作为参证站，以周庄站长系列施工期洪水资料作为基础经验数据，通过比拟法计算得到汾河流域施工期设计洪水。该计算过程为无实测数据流域的水文计算提供了方法依据。

文中提到的堤顶高程校核计算的方法不仅适用于天然河道，也适用于人工开挖渠道、运河等人工水利设施，适用范围较广，对天然河道和水利工程设施的堤防堤顶校核工作有指导意义。

汾河流域河道堤顶高程校核计算和分析表明，以水文水力计算方法为基础计算的设计堤顶高程更加准确，依据不同河道下垫面的性质选择相应的经验公式，得到的结果对堤顶高程校核工作具有更精准的指导意义，有利于流域堤防治理工作的开展。

参考文献

[1]马涛.水面线推求在中小河流治理中的应用[D].河北农业大学，2013.

[2]刘平，闫江鸿，候睿，等.河道水面线计算方法[J].内蒙古水利，2014（4）：33-34.

[3]刘洋.几种水面线推算方法的比较[J].人民黄河，2011（2）：

51-53.

[4]周斌，王义帮.天然河道水面线计算的一种改进方法[J].广东水利水电，2006（3）：59-60.

[5]杨星，李朝方，刘志龙.桥梁桩群存在条件下的河道水面线计算方法研究[J].华中师范大学学报（自然科学版），2011（1）：

59-62.

[6]高焕芝，秦建平，李婷.工程设计中河道复式断面天然水面线计算[J].内蒙古水利，2014（4）：32-33.

[7]乔涵.明渠的水文水力计算[J].黑龙江交通科技，2010（8）：

26.

[8]吴树煌，华智敏，王文彬.工程设计中天然河道水面线计算[J].内蒙古水利，2008（3）：13-15.

[9]冯汉华.浅谈城防工程防洪堤堤顶超高问题[J].建设科技，2006（11）：110-111.

[10]钱银芳.关于城市防洪堤堤顶高程计算等有关问题的探讨[J].浙江水利科技，2000（1）：42-44.

[11]李晓庆，唐新军.对《堤防工程设计规范》推荐冲刷深度公式的探析[J].水资源与水工程学报，2006，17（2）：50-52.

[12]伍元，范子武，姜树海.河道堤防设计高程的概率设计和风险校核方法[J].中国农村水利水电，2005（4）：14-17.

[13]SL265-2001，水闸设计规范[S].中国水利水电出版社，2004.

[14]JTGC30-2015，公路工程水文勘测设计规范[S].人民交通出版社，2015.

[15]SL171-96，堤防工程管理设计规范[S].中国水利水电出版社，1997.

[16]GB50201-94，中华人民共和国水利部防洪标准[S].中国计划出版社，1994.

[17]武汉水利电力学院水力學教研室.水力学[M].武汉：人民教育出版社，1974.

[18]黄建和，陈肃利，汪洪.水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000编制概要[J].水利技术监督，2000（6）：13-15.

[19]召陵区水利局.召陵区汾河近期治理建设规划报告：JTGC30—2015[R].人民交通出版社，2008.

[20]GB50286-98，中华人民共和国堤防工程设计规范[S].中国水利水电出版社，2004.

[21]徐冬梅，刘晓民.水文水利计算[M].郑州：黄河水利出版社，2013.

作者简介：李炜轩（1992-），男，硕士研究生，研究方向：水利工程；张发旺，研究员，中国地质科学院岩溶地质研究所。