清异河初设报告.docx
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清异河初设报告.docx
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清异河初设报告
1气象水文
1.1流域概况
1.1.1地理位置、地形、地貌
清异河项目区位于漯河市临颍县东北部,地势由西北向东南方向倾斜,自然坡度为1/3000~1/4000,属平原洼地,地面高程在53.0~61.0m,。
河道河谷地貌发育,河谷形态一般呈半“S”型。
1.1.2河流水系
清异河属淮河支流沙颍河水系,发源于新郑沟草园,流经长葛、许昌,于临颍县东北部的王孟乡娄庄村入境,在三家店乡流入周口地区,临颍县境内全长31.5km,流域面积506.34km2。
清异河是临颍县最大的内涝河道,境内的支流有清异河、外沟河、南马沟、北马沟、九龙渠等。
清异河流域排涝河流基本按照东西走向布局,符合西高东低的自然走向,平均地面比降为1/3500。
1.2河道概况
清异河在1957年进行治理,经过半个世纪的运行,河道严重淤积,过流断面明显减小,堤防残缺高度下降。
清异河现有堤防31.5km,堤顶宽2—2.5m,防洪标准不足10年一遇,现有涵闸8座,桥梁11座,涵闸桥梁大多年久失修,缺乏管理,已不能很好发挥作用。
1.3气象、水文特征
1.3.1气候特征
临颍县属北温带季风型大陆性气候,总的特点是:
四季分明、气候温和、雨量适中。
流域内多年平均气温14.5℃,绝对最低气温-13℃,绝对最高气温43.4℃,全年无霜期225天,多年平均降雨量约741mm,降水年际变幅大,年内分配不均,汛期雨量较为集中,7~9月降雨量占全年的62.8%。
降水年际差异,年最大降雨量为最小降雨量的2.97倍。
多年平均水面蒸发量约为1117mm,陆面蒸发量约为610mm,年平均径流深131.5mm。
冬季受北方大陆气候不断南侵多偏北风,夏季副高压北上多偏南风,年平均风速为2.8m/s,平均值3月份最大为3.3m/s,8月份最小为2.2m/s,瞬间最大风速为25m/s,一般风速不超过3.4m/s。
1.3.2暴雨特征
由于临颍县清异河流域属北温带季风型大陆性气候,冷暖气团交替非常频繁,降水比较充分。
当夏季风的暖气流登陆北上,与北方南下的冷空气相遇时,因为暖空气轻,冷空气重,较轻的暖湿气就会被抬升到冷空气之上,形成了锋面雨。
降水水平范围大,常常形成沿锋而产生大范围的呈带状分布的降水区域。
随着锋面平均位置的季节移动,降水带的位置也移动。
清异河流域降雨时空分布不均,造成流域内涝灾害频繁。
同时,降雨年内分配不均,6~9月占全年降雨的60%以上,降雨年际变化较大,经常出现先旱后涝,涝后又旱,旱涝灾害频繁发生。
1.3.3洪水特性
清异河是临颍县的主要排涝河道,处于临颍县低洼易涝区,由于清异河防涝标准低,在汛期经常处于高水位,排涝河道入清异河时受清异河河水顶托,不仅内涝积水难以排入清异河,而且极易受清异河洪水倒灌,造成更加严重的洪涝灾害。
2003年8月至9月3日,阴雨不断,临颍县形成大面积内涝,其中清异河流域受灾最为严重,该区域内受灾面积达22万亩,其中绝收11.7万亩,到10月份,仍有3.43万亩耕地无法播种,形成荒地。
1.4设计洪水及水位
由于研究区域无实测径流资料,本次设计按照1984年《河南省暴雨参数图集》(以下称《暴雨图集》)及1973年《河南省水利工程水文计算常用图》对清异河水文进行分析计算。
1.4.1设计暴雨
查《暴雨图集》确定各时段年最大降水量均值及离差系数,按Cs=3.5Cv,查PⅢ型曲线得各时段不同频率设计点雨量如表2-1。
表2-1设计点雨量表
河名
历时(h)
参数
不同频率(%)设计点雨量
Cv
Cs/Cv
2
5
10
20
清异河临颍县河段
1
6
24
该研究区域流域面积较小,故无需进行点面折算,直接采用设计点雨量作为设计面雨量。
1.4.2设计洪水
根据河流的产汇流条件,对清异河临颍县河段设计洪水采用平原区排水模数公式进行流量计算。
式中:
Q—设计洪峰,m3/s;
K—峰量系数,取0.035;
F—汇水面积,km2;
R—设计净雨(mm),由暴雨图集查降雨径流相关图获取;
a—综合折减系数。
下垫面条件对汇排水有不同的滞蓄作用,洪水标准越高,洪峰消减越明显,经分析,选用综合折减系数a见表2-2。
表2-2综合折减系数表
重现期(年)
5
10
20
50
a
1.00
0.90
0.80
0.70
(1)研究区域流域面积较小,汇流时间短,经分析,选用最大24小时暴雨进行分析计算较为合理。
经水文计算,得5年一遇设计频率最大24小时暴雨量P=134mm;20年一遇设计频率最大24小时暴雨量P=198mm;
(2)根据5年一遇设计频率查《河南省水利工程水文计算常用图》采用Pa=Im/2=50mm;10年及20年一遇采用Pa=2Im/3=75mm;50年一遇采用Pa=Im=100mm。
(3)径流深R:
根据设计频率、最大24小时暴雨量、前期影响雨量,查《河南省水利工程水文计算常用图》中“降雨径流关系曲线第Ⅳ线型”,查得径流深(查平原区)如表2-3。
表2-3设计最大24小时净雨成果表
重现期
50年
20年
10年
5年
P(mm)
239
198
167
134
Pa(mm)
100
75
75
50
P+Pa(mm)
339
273
242
184
R(mm)
175
140
122
78
根据清异河临颍县河段规划,清异河临颍段防洪标准为20年一遇,排涝标准达到5年一遇。
由于清异河从源头到临颍县河段流域出口断面的沿程流域面积不断增大,汇流能力逐渐增强,所以沿程的流量呈增大的趋势。
故在计算洪峰流量时,每隔5公里选择一断面进行研究。
设计洪水成果见表2-4。
表2-4设计洪峰流量计算成果表
河流控制断面
汇流面积
(km2)
不同重现期(年)设计洪峰流量(m3/s)
50
20
10
5
距出口断面25km
104.48
距出口断面20km
184.85
距出口断面15km
265.23
距出口断面10km
345.60
2.eji\________________________________________________________________________________________________________________________距出口断面5km
425.97
流域出口断面处
506.34
1.4.3施工期设计洪水
清异河流域内径流资料缺乏,施工期设计洪水的推求采用水文比拟法,修正移置附近水文相似区域的水文特征值。
其中:
;
,
——分别为设计流域和参证站集水区域的径流量,m3/s;
,
——分别为设计流域的流域面积和参证站的集水区域,km2;
K——为修正系数。
周庄水文站位于颖河支流汾河下游周庄境内,集水面积1320km2,径流资料齐全,与研究区域同属温带季风气候区,水文气象条件及汇流条件也有很大的相似性。
因此,选取周庄水文站作为参证站,进行施工期设计洪水的计算。
清异河河道治理工程工期为8个月,从09年9月份至次年4月份,河道主槽疏浚工程工期为3个月,根据工程特性,选定工程施工期中流量较枯的11~2月份为计算期即可满足施工要求,利用周庄水文站计算期内最大径流量作为选取样本(详见表2-5),进行频率分析计算,设计流量成果表详见表2-6。
表2-5周庄水文站计算期内最大径流量表
年度
最大枯期
流量(m3/s)
年度
最大枯期
流量(m3/s)
年度
最大枯期
流量(m3/s)
1979-1980
11.7
1987-1988
3.5
2000-2001
13.9
1980-1981
23.6
1988-1989
26.4
2001-2002
12.9
1981-1982
3.8
1989-1990
30.6
2002-2003
40.8
1982-1983
5.38
1990-1991
55
2003-2004
76
1983-1984
12.6
1991-1992
8.9
2004-2005
74.5
1984-1985
13.5
1992-1993
0
2005-2006
29.3
1985-1986
58
1993-1994
0
2006-2007
15.6
1986-1987
99.7
1994-1995
14.6
表2-6周庄水文站计算期设计流量成果表
参数
不同重现期洪峰流量(m3/s)
Q
Cv
Cs/Cv
20年
10年
5年
3年
经水文比拟法计算,清异河施工期设计洪水成果见表2-7。
表2-7清异河施工期设计洪水
桩号
流域面积
(km2)
不同重现期设计施工期洪水(m3/s)
20年
10年
5年
3年
距出口断面25km
104.48
距出口断面20km
184.85
距出口断面15km
265.23
距出口断面10km
345.60
2.eji\________________________________________________________________________________________________________________________距出口断面5km
425.97
流域出口断面处
506.34
2工程任务与规模任务
2.1工程现状及存在的问题
2.1.1工程现状
清异河在1957年进行治理,经过半个世纪的运行,河道严重淤积,过流断面明显减小,堤防残缺、高度下降。
清异河现有堤防31.5km,堤顶宽2—2.5m,防洪标准不足10年一遇,现有涵闸8座,桥梁11座,涵闸桥梁大多年久失修,缺乏管理,已不能很好发挥作用。
2.1.2存在问题
1、防洪基础设施薄弱、河道萎缩严重
中小河流的特点是源短流急,洪水暴涨暴落。
由于许多中小河流的防洪设施少、标准低,甚至很多处于不设防状态,遇到常遇洪水就可能造成较大洪涝灾害。
一些中小河流流域水土流失严重,加上不合理的采砂以及拦河设障,向河道倾倒垃圾,违章建筑等侵占河道的现象日渐增多,多年未实施大规模清淤,致使河道萎缩严重,行洪能力逐步降低,对县乡的防洪安全构成了严重威胁。
清异河多年来未得到治理,河道窄小,河床淤积严重,堤防损坏严重,除涝和防洪标准偏低,洪涝灾害频发;另外,由于水资源的无序开发和污染物、杂物的堵塞,造成河流基本功能衰退,使流域内居民生命健康受到威胁。
这些问题的存在,不仅直接影响本区域全面建设小康社会和社会主义和谐社会的进程,并且严重影响区域经济的可持续发展。
2、河流规划和前期工作滞后
清异河以前缺乏系统的规划工作,治理项目的前期工作薄弱,基本情况不明,治理目标和任务不明确,同时随着经济发展和人口增加,河流沿岸的城镇规模日益扩大,社会财富日益聚集,粮食生产能力进一步提高,都对防洪保安提出越来越高的要求,现有的前期工作已不能满足河流治理和管理的需要,难以有效指导近期河流的治理和保护。
3、投入严重不足,问题日益突出
长期以来,清异河治理缺乏投资机制和渠道,治理资金严重不足。
近年来,有关“两工”政策取消,群众投劳农田水利投入机制和组织方式发生很大变化,对清异河的治理日趋减少,使清异河面临的问题日益突出。
2.2工程任务
本次规划工作的主要任务为:
1、根据《防洪标准》及现行的《堤防工程设计规范》,本次规划清异河防洪标准为20年一遇,除涝标准达到5年一遇,进行综合治理。
针对清异河存在问题,采取的措施为:
一是对河槽加宽加深;二是对境内清异河堤防进行培堤,加固现有堤防;三是对险工段进行护砌;四是新建排涝涵闸及拆除重建现状涵闸。
2、为促进本县流域经济社会的发展,维护河流健康,加强对清异河临颍段的管理,既要强化相应的建设管理机构,又要多方筹措资金用于河道的养护。
2.3工程规模
通过重点地区中小河流的近期治理,使清异河的防洪能力得到增强、流域所涉及的主要乡镇,基本设施,基本农田等防洪保护对象的防洪标准有较大提高。
本次河道治理范围全长31.5km。
工程内容主要包括:
(1)31.5km长河道疏浚及扩挖工程(桩号0+000~31+500);
(2)31.5Km长堤防加固工程(桩号0+000~31+500);(3)1.5km长险工护岸工程(桩号20+000~21+500);(4)新建5座排涝涵闸,拆除重建7座排涝涵闸,维修加固涵闸1座等。
根据《防洪标准》(GB50201-94)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)和《堤防工程设计规范》(GB50286-98)等有关规范的规定,结合清异河防洪工程现状,依据保护的对象的重要性及经济发展趋势,确定清异河治理防洪标准为20年一遇,排涝标准达到5年一遇。
清异河河道治理工程属三等工程,堤防级别为4级,主要建筑物按3级建筑物设计,次要建筑物按4级建筑物设计,临时建筑物按5级建筑物设计。
3工程设计
3.1工程等别
根据《防洪标准》(GB50201-94)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)和《堤防工程设计规范》(GB50286-98)等有关规范的规定,淸异河河道治理工程属三等工程,堤防级别为4级,主要建筑物按3级建筑物设计,次要建筑物按4级建筑物设计,临时建筑物按5级建筑物设计。
3.2设计依据
3.2.1主要规程规范
1)《防洪标准》(GB50201-94,国家技术监督局、中华人民共和国建设部);
2)《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000,中华人民共和国水利部);
3)《堤防工程设计规范》(GB50286-98,国家技术监督局、中华人民共和国建设部);
4)《堤防工程管理设计规范》(SL171-96);
5)《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002);
6)《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-96);
7)《砌体结构设计规范》(GB50003-2001);
8)《水利水电工程设计工程量计算规定》(SL328-2005);
9)《水闸设计规范》(SL265—2001);
10)其它相关的规范、规程、标准及文件。
3.2.2有关文件和资料
1)《临颍县清异河近期治理建设规划报告》(临颍县水利局,2008年8月);
2)临颍县水利局提供的河道平面图及纵、横断面测量图。
3)其它有关河道管理、规划、设计的资料。
3.3设计原则
根据清异河的特点,本次清异河治理工程应贯彻“全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理”的原则,以防洪除涝为主,兼顾上下游和左右岸关系。
本次设计对严重影响汛期行洪的全段河段进行疏浚治理,对面上积水严重,无法汇入清异河的排水沟新建穿堤排水涵闸,对现状损坏严重的排涝涵闸进行拆除重建。
3.4工程设计
3.4.1堤防工程设计
3.4.1.1堤线布置
清异河河道堤防走向,根据少占地、工程量少,且与城乡建设相一致的原则,尽量利用原有的堤线,以满足河道行洪断面为原则,进行多种方案比选,优化堤线布置,以现状河道天然断面为基础,结合防洪需要进行。
堤型选择:
现状河道开挖土方量较大,因此堤防工程全部采用土回填方进行加高加固,在土质的选用上应优先选用亚粘土,粘粒含量为15~30%,塑性指数为10~20,且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂质。
如果所用土料含水率高且粘粒含量过多,则应采取相应的处理措施。
土料填筑标准为压实度不小于0.92。
3.4.1.2堤防工程设计
根据测量成果资料,清异河沿线大部分河段堤防基本齐全,因此,本次设计原则上不新筑堤防,只对河道两岸现状进行培厚加固,对河道两岸局部没有堤防的位置按设计水位设置堤防。
5.4.1.2.1堤顶超高
河道两岸高程防洪要求,为20年一遇设计洪水位加超高。
超高计算采用《堤防工程设计规范》(GB50286—98)中6.3.1式:
式中Y——堤顶超高(m);
R——设计波浪爬高(m),按莆田实验站公式计算平均爬高;
k△——斜坡的糙率渗透系数,根据护面类型查草皮护坡为0.85~0.90,取0.9;
kw——经验系数,由风速W、坡前水深H、重力加速度组成的无维量,取1.23;
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,汛期多年平均最大风速为15.2m/s,则V=22.8m/s;
F——吹程,最长弯道之间长度500m;
D——平均水深;
β——风向与垂直堤轴线的法线的夹角,β=0;
A——安全超高,按不允许越浪情况取为0.6m。
经计算,清异河堤顶超高为XXXm,设计时取为XXm。
5.4.1.2..2堤顶宽度
左右岸设计堤顶宽度结合交通道路合一的意见,堤顶设计宽度为6m。
5.4.1.2..3内外边坡系数
该段堤防填筑为土沙堤,平台以下及两岸堤防高度均在5m以下,根据上述设定边坡(1:
2),按非粘性土进行边坡稳定计算:
参考已有资料,经验算,堤坡抗滑稳定安全系数均满足规范规定要求,因此堤防设计内外边坡均采用1:
2。
5.4.1.2.4堤防结构设计
根据《堤防工程设计规范》(GB50286—98),本工程为4级堤防,设计堤顶高程为20年一遇洪水位加1.2m超高,堤顶宽6.0m,并向外侧倾斜,坡度为2%,堤防内侧边坡为1:
2.0,外侧边坡为1:
2.0。
3.4.2河道工程设计
河道工程设计主要包括:
(1)31.5Km长堤防加固工程(桩号0+000~31+500);
(2)31.5km长河道疏浚及扩挖工程(桩号0+000~31+500);(3)1.5km长险工护岸工程(左右岸桩号20+000~21+500)。
3.4.2.1河底比降设计
根据临颍县水利局提供的河道测量成果进行分析,在保证河道行洪安全的情况下,以河道不新筑堤防,同时挖方量最小的原则确定河道比降。
经最终分析研究确定清异河的比降如下:
桩号0+000~14+800之间河底比降为1/5000,桩号14+800~31+500之间河底比降为1/4500。
3.4.2.2河道横断面设计
河道横断面设计是河道治理的重要内容,在河道横断面设计时主要考虑满足河道的防洪除涝要求。
为了确定最佳的河道断面,本次进行了三种方案的必选:
方案一、梯形断面。
梯形断面占地较小,结构简单实用,是中小河道常用的断面形式。
在河道两岸保护范围内,设置保护带,防止岸边边坡耕作,便于河道管理,确保堤防安全。
方案二、复式断面。
复式断面适用于河滩较开阔的河道。
枯水期流量小,水流在中槽主河道。
洪水期流量大,允许洪水漫滩,过水断面大,洪水位低,不需要修建高大的防洪堤。
方案三、矩形断面。
矩形断面占地少,挖方量小,是河道使用较多的形式,但由于矩形断面需筑挡土墙,因而投资大,施工相对困难,因而在条件允许的情况下尽量不采用。
通过方案对比,结合清异河的特点推荐采用方案二。
本次设计清异河采用复式断面,桩号0+000~14+800之间河底宽40m,两岸滩地宽35m;桩号14+800~25+000之间河底宽30m,滩地宽40m;桩号25+000~31+500之间河底宽20m,两岸滩地宽45m。
河道两岸边坡均为1:
2.0。
3.4.2.3河道设计过流能力计算
河道过流能力按明渠均匀流进行计算,公式如下:
ν=Q/A
式中Q——设计流量(m3/s);
A——过水断面面积(m2);
C——谢才系数(m2/s);
i——水力坡度;
R——水力半径(m);
b——设计渠底宽度(m);
h——设计水深(m);
χ——湿周(m);
n——渠道糙率,参照《水工设计手册》第一册选取为0.03;
m——边坡系数;
ν——流速(m/s)。
清异河过流能力计算结果见表5-1。
表5-1清异河设计过流能力计算成果表
3.4.2.4河道水面线推求
河道水面线采用水力学中明渠恒定非均匀渐变流水面线计算法计算,公式如下:
f(Zu)=Zu+(α+ξ)Q2/(2gAu2)-ΔSQ2/(2Ku2)
Ψ(Zd)=Zd+(α+ξ)Q2/(2gAd2)+ΔSQ2/(2Kd2)
式中f(Zu)——上游断面水位函数;
Ψ(Zd)——下游断面水位函数;
Zu——上游断面水位;
Zd——下游断面水位;
α——动能修正系数;
ξ——局部水头损失系数;
Q——流量(m3/s);
g——重力加速度;
Au——上游断面面积(m2);
Ad——下游断面面积(m2);
ΔS——断面间距(m);
Ku——上游断面流量系数;
Kd——下游断面流量系数;
Ku、Kd取值:
式中参数含义同明渠均匀流公式。
起始端水位采用临颍县清异河出口处断面作为水面线推算的起始断面。
计算采用《水利水电工程设计计算程序集V3.0》中的D-7明渠恒定非均匀渐变流水面线计算程序。
清异河水力要素见5-2。
表5-2淸异河水利要素表
河名
桩号
除涝断面设计
防洪断面设计
河线距(m)
5年除涝水位(m)
底宽(m)
边坡
河底
比降
设计河底(m)
20年防洪水位(m)
边坡
堤顶宽(m)
清异河
0+000
45.54
14800
40
1:
2
0.0002
1:
2
14+800
48.50
10200
30
1:
2
0.00022
1:
2
25+000
50.77
6500
20
1:
2
0.00022
1:
2
31+500
52.22
不同控制点水位计算结果详见表5-3。
表5-3清异河水力要素设计成果
桩号
桩号
设计河底
5年除涝水位
20年除涝水位
0
+
0
0
45.54
0
+
200
200
45.58
0
+
400
400
45.62
0
+
600
600
45.66
0
+
800
800
45.70
1
+
0
1000
45.74
1
+
200
1200
45.78
1
+
400
1400
45.82
1
+
600
1600
45.86
1
+
800
1800
45.90
2
+
0
2000
45.94
2
+
200
2200
45.98
2
+
400
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