武陟县共产主义渠河道断面设计分析

（武陟县水利局）

武陟县共产主义渠河道断面设计分析

□赵天生（武陟县水利局）

河道治理工程是关系地方民生的重要水利工程，对于防洪、排涝、农业及经济发展等都发挥着至关重要的作用，河道断面设计是工程建设中的一项重要内容。共产主义渠属于海河水系，卫河支流，武陟县境内长19.70 km，是该县主要排涝河道之一；在武陟与获嘉交界之前有一干排、二干排、隔渗沟等多条支流汇入，河流形态比较复杂，且汇合口上下游设计断面差别较大，上游需满足除涝标准，下游需满足防洪标准，工程对河道断面设计提出较高要求。文章对水利工程河道断面设计进行了简要分析。

共产主义渠；河道断面设计；分析

1 工程概况

共产主义渠属于海河水系，卫河支流，流经武陟县、获嘉县、新乡市，在卫辉市入卫河。全长112.28 km，流域面积6 403.70 km2，其中武陟县境内长19.70 km，流域面积281.50 km2，河道底宽50 m，口宽80 m，深3.50 m，河道平均坡降1/1 500。河道1958年开挖并运行，流经嘉应观、圪垱店、乔庙三个乡镇，是武陟县主要排涝河道之一。由于共产主义渠多年未加治理，河道淤高达2 m左右，堤防残缺不全，沿岸建筑物已毁坏，完全处于停用废弃状态，汛期洪涝水经常漫溢决口，淹没农田，造成大雨大灾、小雨小灾局面，洪涝灾害直接威胁着人民群众的生命财产安全和经济的可持续发展。

2 设计原则

武陟县共产主义渠治理工程，在武陟-获嘉交界之前有一干排、二干排、隔渗沟等多条河流汇入，河流形态比较复杂，且共产主义渠获嘉段和共产主义渠支流二干排已治理完毕，因此本次治理工程设计需在考虑实际地形条件和已治理工程的基础上进行。

在武陟-获嘉交界之前，一干排、二干排、隔渗沟等三条河流几乎在同一位置汇入共产主义渠，形成一个汇合口，汇合口至下游已治理段之间，河道及周围地形较低，河流流量大。

二干排为梯形断面，在汇合口处的底高程为78.92 m，共产主义渠获嘉段为复式断面，起始断面设计主槽底高程为78.65 m，设计滩地高程为81.85 m，河道两侧堤顶高程为83.46 m，3 a一遇的设计除涝水位为81.70 m，20 a一遇设计洪水位为82.63 m。根据实际地形形态及已治理过的二干排和共产主义渠获嘉段的治理情况，提出以下治理原则：第一，汇合口以上部分，由于原河道较宽，根据上游流域内的保护农田范围及设计除涝流量较小的现状，并结合沿河生态景观带的修建需求，故汇合口上游以河道疏浚为主，按照技术可行、经济合理的原则，达到合理规划河道，促进生态平衡，充分发挥河道工程的综合效益。第二，由于二干排和下游获嘉段已治理完毕，汇合口以下至获嘉段主要考虑已治理好河道的连接问题，故本次设计采用复式断面，两岸修筑堤防与下游堤防平顺连接。

3 河道工程设计分析

3.1 河道工程布置

根据本项目区河道现状行洪能力分析成果和现状河道走向，本段河道工程布置原则如下：河道走向基本维持现状，局部河段根据地形、地物情况适当调整，以使河道水流顺畅；基本维持现状河道纵坡，对局部高滩高坎或阻水建筑物进行清除，保持河道纵坡平顺；现状本项目区河段，过水断面窄小，需进行扩挖，以满足除涝和泄洪要求；河道设计水面线低于两岸，以利于涝水自排。

3.2 河道断面设计

本项目区依据实测河道横断面图及数据，本着尽量少挖方或不挖方、使涝水尽量满足自排、河道满足设计行洪的原则，以现状河道沿线纵坡为依据，适当调整，以此确定河道设计河底纵坡和设计河底高程，满足防洪除涝标准。

河道设计底宽与断面型式及设计水深有关。结合河道特性，同时考虑两岸地形情况、河道两岸景观规划，以及工程投资等情况，综合确定河道设计底宽。

汇合口以上流域面积较小，按照5 a一遇排涝标准设计，采用梯形断面；汇合口处由于一干排、二干排、隔渗沟三条支沟汇入，控制流域面积较大，汇合口以下按照20 a一遇防洪、3 a一遇除涝标准设计，采用复式断面。断面设计方案如下：

3.2.1 汇合口上游段断面设计

该设计段断面桩号范围为10+000～19+400，末端底高程同二干排底高程一致。提出以下两种设计方案并比选：

方案一，河底坡降分2段设计，10+000～17+600段设计坡降i=0.0005；17+600～19+400设计坡降i=0.001；河道设计底宽采用25 m，河槽设计边坡1：2.5。

方案二，河底坡降根据地势按1段设计：10+000～19+400段设计坡降i=0.0007；河道设计底宽采用25 m，河槽设计边坡均为1：2.5。

方案比选，根据工程投资、施工便宜性、水流条件等因素综合考虑，选择相对较优方案作为实施方案。方案一与方案二相比，方案一比方案二开挖深度减少约1m，极大的减少了开挖量，节省了工程投资，方案比选表如表1所示。

表1 方案比选表

根据以上因素综合比较，方案一优于方案二，故汇合口以上断面设计采用方案一。

3.2.2 汇合口下游段断面设计

该设计段断面桩号范围为19+500～21+250，起始端底高程同二干排底高程一致，末端底高程同下游已治理段一致。设计方案如下：

汇合口以下河道长度约1.75 km，已治理的获嘉段断面形式采用复式断面，为保证平顺衔接，该段也采用复式断面，设计河底坡降取i=0.00015，经多次试算（试算范围为16～50 m），在满足防洪除涝标准前提下，设计取工程投资最少的主槽底宽为35 m，设计边坡均采用1：2.5。

3.3 河道设计水面线

为了确定共产主义渠本河段的设计水位，采用明渠非均匀流能量法计算公式各控制断面计算水深，各段内采用内插法推算水面线。

3.3.1 控制断面选取

共产主义渠设计治理后，采用棱柱体明渠进行过流能力计算。根据共产主义渠实际情况，采用从下游向上游推算水面线的方法计算河道水面线。本次河道水面线计算时，按明渠非均匀流公式计算控制水深。下游段与共产主义渠获嘉段衔接，以21+250作为控制断面，底高程为78.65 m，3 a除涝水位为81.69 m，20 a防洪水位为82.66 m，经计算，上游治理段末端19+400断面5 a一遇水面高程为81.93 m。

3.3.2 河道水面线推求

根据各控制断面流量，以及分段设计的不同河底宽度和河底坡降，计算河道水面线，具体数据参见计算列表和相关图册。主河槽设计糙率0.03，滩地设计糙率0.04。

因为河道水面曲线的控制断面一般在下游，应从下游向上游推算。河道水面线推算以固定边界、恒定、非均匀流、渐变流的能量方程为理论基础进行计算。

结合河道水流特性，该基本方程如下：

式中：Z2、Z1——计算段上、下游断面水位；

V2、V1——计算段上、下游断面平均流速；

α2、α1——计算段上、下游断面的动能修正系数；

hf、hj——沿程水头损失，局部水头损失。

3.3.2.1 沿程水头损失的计算

非均匀流的水面线用“分段求和法”推求，此法将非均匀流分成很多小段，然后逐段推算，从各小段来看水流则可以近似地认为是“均匀”的，这样非均匀流沿程水头损失就可以采用均匀流沿程水头损失的公式来计算。

如果河槽断面由不同糙率的滩地河主槽组成的复式断面，则应根据糙率的不同，将断面分成多个不同的部分，分别求出各部分的流量模数，并总和求得整个过水断面的流量模数。

3.3.2.2 动能修正系数按下式计算

3.3.2.3 局部水头损失的计算

河道的局部水头损失，因所用糙率既反映河槽本身因素（如河床河壁的粗糙程度、河槽形态等）对水流阻力的影响，又反映水流因素（水位高低、含沙量大小等）对水流阻力的影响。因此，在河道上连续存在某些不显著的局部变化时，其影响已包括在糙率之中，一般是无需考虑的。但在实际工作中发现，河道的宽度有时相差较大，仍有收缩、扩散对水流的影响，故仍以考虑为宜。至于建筑物阻水所产生的收缩、扩散及桥、闸阻力等局部水头损失，自然必须计算。

式中：ξ——河道收缩、扩散水头损失系数。

运用水面线基本方程式，水面线推算即可从下游向上游（缓流段）或从上游向下游（急流段）逐段用试算法进行。将河道划分为适宜的河段后，根据已经输入的各断面测量数据及分段设计数据，给定某方案起始端面的设计流量与起始水位之后，程序自动假设下一断面的水位并按基本方程式求出该断面计算水位，比较假设水位和计算水位的差值，如果差值不满足精度要求，则程序判别后重新假定水位，重复试算，直到满足精度为止；若差值满足精度要求，程序即以此计算水位为已知，继续进行下一断面（断面3）的水位假设和计算，反复试算到本方案合理切实可行。

根据河道断面参数及上述公式计算成果表明，河道经过疏浚开挖、修筑堤防后，汇合口以上满足5 a一遇除涝标准，汇合口以下满足20 a一遇防洪要求。

4 结语

河道治理工程是一项惠民工程，断面设计是其关键环节。武陟县共产主义渠治理工程实施后，将有效解决低洼易涝区25万人、1.33万hm2耕地的汛期排涝问题，对当地防洪、除涝、农业及经济发展起到积极推动作用。

TV851

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：1673-8853（2017）05-0042-02

2017-03-28

编辑：符蕾

赵天生，（1970-），工程师，主要从事河道治理、安全饮水、农田水利等水利工程的研究。