某圩区设计洪水位计算实例及特点
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摘要：通过工程实例，介绍在平原圩区条件下，采用一定频率的圩区设计水位与破堤水位叠加的计算方法，合理确定沿线的内涝水位和河流的设计流量。
关键词：圩区、内涝水位、顶托
中图分类号：TV文献标识码： A
1、工程概况
皖赣铁路地处安徽省东南部，上行线始建于1958年，1982年通车，上世纪90年代后期芜湖南至宣城段修建复线（下行线）。建设标准为国铁Ｉ级，以货运为主，客运为辅。设计行车速度120km/h，电力牵引。
据调查，芜湖南至湾段（K4+600～K23+800）自解放以来最高内涝洪水位为13.14m（黄海系统，下同），区段内上行线轨顶标高为9.95m，低于内涝洪水位。已发生的主要水害有水淹钢轨、路堤坍塌，水冲护锥、水淹梁底等，常造成铁路慢行。其中1999年洪水造成青弋江宣城端河堤破堤，皖赣线7#桥（上K22+704）宣城侧护锥冲毁，行车中断23小时。拟结合既有线电化工程同步研究水害整治方案。
2、自然条件
2.1地形地貌
铁路自西向东依次穿越芜湖市弋江区城南圩、芜湖县麻风圩、埭南圩、陶辛圩、保太圩等五个圩区，跨越竹港河、荆棘山河、小勘塘河和青弋江等四条河。区域地貌属长江中下游冲积平原，主要由河漫滩构成，水系发达，沟河纵横。
2.2河流水系
该段铁路位于青弋江、水阳江、漳河“二江一河”流域。流域上游为皖南山区天目山、黄山暴雨中心，河道坡降大，洪水汇流迅速。下游水系发育，河道交织，河网复杂，且受长江高水位洪水顶托影响。
青弋江在上游通过资福河、上潮河与漳河相通；在中下游于湾分干流和赵家河两支而下，干流达一支向西从芜湖市宝塔根入长江，另一支向东汇赵家河经青山河从当涂太平口汇入长江，并通过黄池河、姑溪河与水阳江水系相通。支流上潮河与青弋江干流之间有支汊荆山河、竹港河、胡湾河、张子沟、和尚桥河和小勘塘河互通。
水阳江流经汪溪、水东、孙家埠、宣城市区东郊，汇华阳河、宛溪河、郎川河等支流，过新河庄、水阳镇、花津等地，经南漪湖、固城湖和丹阳湖调蓄后由当涂太平口注入长江。
漳河在上游通过资福河、上潮河与青弋江相通，在峨桥有峨溪河汇入，最后由鲁港汇入长江。
2.3 洪水特性
本区洪水主要由暴雨引起，暴雨集中于5～7月份。流域上游为深山区，河流坡度大，缺乏控制性蓄洪工程，河槽调蓄能力小，降雨汇流迅速，所以洪水具有洪峰高、历时短的特点，一次洪水历时一般为3d，多则7d。中下游河道泄洪能力不足，圩区水系紊乱。
形成本区洪水灾害频繁的另一重要原因是长江洪水与本区洪水的频繁遭遇，部分年份流域出口受长江洪水影响，常出现顶托甚至江水倒灌现象，致使本区洪水排泄不畅，洪水位上升，进一步加重本区的洪水灾情。
20世纪90年代，流域内连续发生了1991、1995、1996、1998、1999年五场大洪水，洪涝灾害严重。
2.4 水利工程概况
2.4.1防洪治理标准
青弋江中游万亩以上大圩防御标准取20年一遇；青弋江下游圩区防御标准取20～40年一遇，芜湖市以长江1954年洪水为防御对象。芜湖县埭南圩、陶辛圩为万亩以上圩口，保太圩、罗保圩（小泥圩）为4～5千亩圩口。
2.4.2水库
流域上游青弋江陈村水库1982年完工。陈村水库的泄洪对青弋江中上游河段要考虑错锋、削峰，降低河道洪峰水位，对下游河段除考虑最大泄量外，还要控制泄洪总量。陈村水库建库以来实际发生的最高水位为119.65m（1996年7月2日），最大下泄流量为3630m3/s。
3、水文分析要点
铁路位于“二江一河”流域下游水网区，洪水形成原因复杂，水文要素序列统计分析中的“三性”（代表性、一致性、可靠性）很难得以完全保证，不宜直接采用某一频率洪水进行分析计算，宜参照防洪标准选择洪水代表年进行分析。水利部长江水利委会编制的《水阳江、青弋江、漳河流域防洪规划报告》（2002年修订）确定“三江”下游圩区防御对象为1996年洪水（该报告分析1996年型洪水在“三江”下游水网区重现期约相当于20～40年一遇），芜湖市的防洪标准为以长江1954年洪水为防御对象（该洪水重现期约为百年一遇）。
青弋江及竹丝港、小河口、杨家渡分洪河,实际为埭南圩、陶辛圩、保太圩的外江。青弋江于线路上游西河镇出山后,受长江顶托影响,干流泄洪收到制约,于三条河形成分洪河道,各河又于下游河段再次汇入青弋江,最后流入长江。根据这种情况,属于青弋江干流的各分洪河流水文计算主要以湾青弋江大桥设计洪水位为依据,通过调查得到典型年洪水坡。根据历史洪水坡推得其他三座桥桥址处的设计水位。湾青弋江大桥则移用上游西河镇水文站的百年流量;百年水位则借用西河镇水文站与湾水文站水位相关,推得桥址处的百年一遇是洪水位。其成果以湾水位站的历年实测资料推求的百年一遇水位值进行校核,相差甚微。
同时，各河的堤防分隔形成圩区，堤顶标高低于铁路百年一遇标准；圩区面积小，泄洪蓄洪能力一般。圩区水位受外河和其他圩区洪水影响大。
4、水文分析
4.1 河流的设计流量和设计水位
4.1.1 1954年型洪水
《芜湖市城市防洪规划报告》曾对“两江一河”下游水网区设计洪水进行过较为详细的分析论证，根据建国以来所发生的洪水情况分析，认为下述两种洪水组合情况对城市防洪堤防构成大的威胁。
第1种组合为内河洪水大（特别是青弋江洪水），长江水位也较高，如1983年和1996年洪水。1983年洪水因陈村水库以下区间洪水较大，陈村水库调蓄后西河镇7月5日最大洪峰流量仍达5420m3/s。考虑资福河、上潮河分洪入漳河、西河镇至红杨村附近部分圩区溃口滞蓄后，湾以下流量仍达3000 m3/s，根据各河段的输水能力求得内河有关控制点水位见表4.1-1。
第2种组合为长江水位高，内河洪水相应，如1954年洪水。根据1954年长江与内河洪水遭遇分析成果，当长江干流为1954年修正洪水位时，内河遭遇青弋江西河镇洪峰流量3940 m3/s。按现状河道条件下，西河镇来量有940 m3/s经资福河和上潮河分洪入漳河、3000m3/s经湾沿青弋江干流和赵家河两汊下泄，分流比为2：1。干流来量至清水镇后，又分东、西两支，两支由芜湖入江。由于1954年长江洪水位在长江中下游防洪规划实施后有所提高，故需对1954年型丹阳湖区的实测最高洪水位予以相应修正。根据以上条件，通过洪水演算求得内河有关控制点水位如表4.1-1。
表4.1-1内河有关控制点水位计算成果表单位：m
洪水类型 芜湖站 清水镇 三里埂 当涂太平口站 丹阳湖口
1 10.50 11.19 10.89 9.79 10.41
2 11.49 12.04 11.80 10.78 11.11
从表4.1-1中可以看出，内河有关控制点水位，以组合情况2时为最高，即长江干流按1954年修正洪水位，内河遭遇1954年型洪水的次大洪峰（青弋江西河镇站为3940 m3/s相当于10年一遇洪峰流量）时洪水组合最为不利。
水利部在1992年1月水规〔1991〕56号文《关于芜湖市城市防洪规划报告审批问题的函》中转批了水利水电规划设计总院和长江水利委员会共同审查的审查意见，基本同意以长江最高洪水位与青弋江发生相应洪水，即以弋矶山站水位11.49m和西河镇站1954年次大洪水3940 m3/s，青弋江汇入长江的流量700 m3/s相应的洪水组合。
（1）水位
青弋江、漳河流域下游水网区1954年型洪水相关控制点水位成果见表4.1-2。各河桥址处1954年型洪水水位根据青弋江、漳河流域下游各控制点按距离内插推求，成果见表4.1-3。
表4.1-2 青弋江、漳河流域下游各控制点水位成果表 单位（m）
河口水位类型 内河设计流量 湾址 三埠管 清水 工农窑厂 漳河口 青弋江口
1954年型 3940m³/s 12.99 12.42 12.09 11.96 11.76 11.57
表4.1-3 铁路桥址断面1954年型水位成果表 单位（m）
河口水位类型 内河设计流量 竹港河 荆山河 小勘塘河 青弋江
K7+000 K11+730 K19+550 K22+620
1954年型 3940m³/s 12.54 12.60 12.87 12.99
（2）流量、流速
由于桥址断面无实测水位流量关系，故流量由水位根据河段比降、河道糙率和实测断面资料，应用曼宁公式推求，成果见表4.1-4。
公式为： Q =（1/n）A×R2/3×I1/2 （4.1）
式中 A ―― 断面面积； n ―― 河床糙率；
R ―― 水力半径； I ―― 比降。
表4.1-4 皖赣线K4～K24区段沿途河流桥址断面54型洪水特征表
河 名 水位Z（m） 水面宽B(m) 断面面积A(m2) n R(m) I Q(m3/s) (m/s)
竹港河 12.54 102 683 0.025 6.70 0.000035 616 0.84
荆山河 12.60 67.8 405 0.023 5.97 0.000032 413 0.81
小勘塘河 12.87 94.3 631 0.024 6.69 0.000037 977 0.90
青弋江 12.99 211 1995 0.022 9.45 0.000055 3070 1.51
4.1.2 1996年型洪水
桥址断面1996年型洪水水位采用芜湖大砻坊、清水、三埠管、湾址水文站实测最高水位，根据比降、距离插补推算，水位成果见表4.1-5，应用曼宁公式推求的流量成果见表4.1-6。
表4.1-5 青弋江、漳河流域下游各控制点洪水位表 单位（m）
水位类型 湾址 三埠管 清水 大砻坊
1996年型 12.66 11.61 11.64 10.48
表4.1-6 皖赣线K4～K24区段沿途河流桥址断面96型洪水特征表
河 名 水位Z（m） 水面宽B(m) 断面
面积A(m2) n R(m) I Q(m3/s) (m/s)
竹港河 11.41 98.2 569 0.025 5.79 0.000065 592 1.04
荆山河 11.84 64.7 355.6 0.023 5.50 0.000045 323 0.91
小勘塘河 12.53 93.4 598.7 0.024 6.41 0.000040 544 0.91
青弋江 12.68 209 1929 0.022 9.23 0.000080 3451 1.79
4.2 内涝设计积水位计算
4.2.1 不考虑破堤时圩区内涝水位
圩区内涝设计水位采用方法。选用典型年份,并调查当年的内涝水位,以典型年份降雨量与百年一遇设计雨量之差值,通过分析计算,得到百年一遇内涝水位。为保证拟建工程安全，假定圩区区域与流域大洪水同时发生，排涝涵（站）处于防洪状态，区域产水全部被堵在区域内产生内涝，依据设计净雨计算其产水量，根据绘制出的圩区水位-面积-蓄水量曲线，确定城南圩、埭南圩、陶辛圩、保太圩、罗保圩（小泥圩）内涝水位(P=1%)，依次为8.5m、6.7m、6.5m、7.7m、7.5m。
4.2.2 考虑破圩时内涝水位
经分析,当外江二十年一遇洪水位与圩区百年一遇暴雨遭遇时,青弋江及各分洪河仅在河槽内行洪,不会形成漫堤，圩区百年一遇内涝水位远低于各圩区堤顶标高。当外江百年一遇洪水位与圩区七天暴雨二十年一遇可进行组合时,外江洪水满槽漫堤,加上长江倒灌顶托影响,满溢洪量增加,此时又缝圩区内暴雨降雨,更加剧了圩区内水位上升。当青弋江达到百年一遇设计水位时,对于三个圩区来讲,洪水均已满槽漫堤.采用外江百年一遇洪水与圩区二十年一遇暴雨频率组合分析。选其比例值作为圩区洪水设计值。
分析计算以青弋江上游西河镇水文站洪水过程线为依据,以倍比放大的方法,并参照芜湖水文站（长江干流上）的峰型变化,分别建立青弋江及各分洪河道的百年一遇洪水过程线。同时参照长江水利委员会对长江下游河道安全泄量的方法.按堤顶标高减去2m（含波浪侵袭高外加安全值）得洪水控制泄量确定各河道的安全泄量。通过对洪水过程线与安全泄量的分析,计算出青弋江及各分洪河道百年一遇时的总分洪量。同时计算出圩区二十年一遇暴雨量,根据圩区库容曲线,确定外河百年一遇洪水遭遇二十年一遇暴雨的设计水位。
4.2.2.1青弋江及其支流百年一遇洪水分洪量计算
（1）点绘西河镇水文站1983年洪水过程线,查得洪水量数据：
表4.2-1 西河镇水文站1983年洪水流量 单位：m3/s
日期 6.25 6.26 6.27 6.28 6.29 6.30 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7
流量 1500 2275 3150 4000 4750 5150 4500 1700 1450 2400 5300 4400 1550
（2）青弋江及其支流百年洪水过程线
据1991年资料，各河桥址处的百年一遇流量：
表4.2-2各河桥址处的百年一遇流量单位：m3/s
河流 青弋江大桥 小河口 杨家渡 竹丝港
百年一遇流量 3070 977 413 616
据各桥处百年一遇流量和1983年洪水流量的倍比关系可知:各桥处的洪水流量如下表:
表4.2-3 各桥处的洪水流量 单位：m3/s
日期 6.25 6.26 6.27 6.28 6.29 6.30 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7
青弋江流量 869 1318 1025 2317 2751 2983 2607 985 840 1390 3070 2549 898
小河口流量 277 419 581 737 876 949 830 313 267 442 977 811 286
杨家渡流量 117 177 245 312 370 401 351 132 113 187 413 343 121
竹丝港流量 174 264 366 465 552 599 523 198 169 279 616 511 180
据上表可知各桥位处的洪水过程线。流量与时间的坐标系。
（3）安全泄量的计算
据实测青弋江及其支流处的桥位流量断面,选定的糙率,已知的泄水面标高,可计算得青弋江及各支流的安全泄量，Q2=606.01 m3/s;Q3陶=247.15 m3/s；Q3埭=191.53 m3/s；Q4=352.01 m3/s
（4） 据（2）、（3）结果,可求得青弋江及各支流的百年一遇洪水分洪量。
4.2.2.2 圩区内二十年一遇暴雨量计算
由《安徽省水文手册》、《安徽省暴雨参数等值线图 山丘区 江流分析成果和山丘区中、小面积设计洪水计算办法》可得二十年一遇面暴雨为223.8mm，七天暴雨量为392.43mm。
4.2.2.3 圩区各种组合情况下的内涝水位计算（不考虑长江影响）
表4.2-4 不考虑长江倒灌顶托各圩区洪水位计算汇总表
各种计算组合 埭南圩 陶辛圩 保太圩
确保陶辛、埭南圩，Q100洪峰进入保太圩 16.39
保太圩漫堤，Q100余+Q削进入陶辛圩 7.19 13.14
确保保太圩，Q100洪峰进入陶辛圩 8.72
确保保太、陶辛圩，Q100洪峰进入埭南圩 11.04
Q削洪峰进入埭南圩 6.82
保太圩与陶辛破堤，两圩区水位持平 11.45 11.45
4.2.2.4考虑长江影响时内涝水位计算
表4.2-5 考虑长江倒灌顶托各圩区洪水位计算汇总表
各种计算组合 埭南圩 陶辛圩 保太圩
确保陶辛、埭南圩，Q100洪峰进入保太圩 16.44
保太圩漫堤，Q100余+Q削进入陶辛圩 7.26 13.14
确保保太圩，Q100洪峰进入陶辛圩 9.18
确保保太、陶辛圩，Q100洪峰进入埭南圩 14.45
Q削洪峰进入埭南圩 7.61
保太圩与陶辛破堤，两圩区水位持平 11.68 11.68
埭南圩破堤，与陶辛圩水位持平 9.96 9.96
埭南圩漫堤，Q100余+Q削进入陶辛圩 11.62 7.44
54年长江顶托，破堤水位 11.6
表4.2-6各圩区基本数据表
圩区 保太圩 陶辛圩 埭南圩
地面标高m 5.89 5.39 4.84
堤顶标高m 13.09 13.09 12.29
圩区面积km2 11.5 30 15.7
总库容 8.28e7 23.1e7 11.7e7
20年一遇暴雨 0.451e7 1.18e7 0.616e7
百年分洪量1 m3 21.9e7(Q1) 12e7(Q2)；2.8e7(Q3T) 4.54e7(Q3D)；9.16e7(Q4)
百年分洪量2 m3 21.9e7 1.36e7；0.41e7 1.61e7；1.76e7
百年分洪量3 m3 12.96e7；3.7e7 6.45e7；16.04e7
百年分洪量4 m3 1.45e7；0.59e7 2.18e7；3.12e7
表中1代表不考虑长江顶托影响且不考虑削峰影响的分洪量，青弋江下泄量为3070m³/s；
表中2代表不考虑长江顶托影响但考虑削峰影响的数值，青弋江下泄量为2212m³/s；
表中3代表考虑长江顶托但不考虑削峰影响的分洪量；
表中4代表考虑长江顶托且考虑削峰影响的分洪量；
表4.2-7洪水位计算表
工况 圩区 保太圩 陶辛圩 埭南圩
总进水量m3 洪水位 总进水量m3 洪水位 总进水量m3 洪水位
不考虑长江
的影响 情况1 12.08e7 16.39 9.98e7 8.72 9.74e7 11.04
情况2 8.28e7 13.14 5.39e7 7.19
情况3 18.58e7 11.45
考虑长江
的影响 情况1 12.13e7 16.44 11.36e7 9.18 15.07e7 14.45
情况2 8.28e7 13.14 5.62e7 7.26
情况3 19.061e7 11.68
情况4 5.16e7 7.11 11.7e7 12.44
情况5 16.27e7 9.96
情况1为确保其他两圩区情况下，各圩区单独计算的洪水位；
情况2 为保太圩漫堤后，陶辛圩的洪水位计算；
情况3为保太圩漫堤后，保太圩和陶辛圩的洪水位；
情况4为埭南圩漫堤后，陶辛圩的洪水位
情况5为埭南圩破堤后，埭南圩和陶辛圩的洪水位。
4.2.2.5成果分析
（1）不考虑长江的影响
1）洪水流向为青弋江―小河口―杨家渡―竹丝港，洪水来自青弋江，各圩区洪水位分析：
保太圩遭遇百年一遇洪水时，漫堤破堤均有可能，且圩堤不可能加高到16.39m，故取最不利情况漫堤水位13.14m；陶辛圩在遭遇百年一遇洪水时，洪水位均低于堤顶，取保太圩破堤时的洪水位11.45m；由于洪水来自青弋江，最终流向埭南圩，故埭南圩取人为确保保太圩、陶辛圩的情况，洪水位11.04m。
2）洪水流向为竹丝港―杨家渡―小河口―青弋江，洪水来自长江
由于埭南圩面积＞保太圩，所以对于破堤情况，5低于3.由于埭南圩在单独进水时，不会破圩，所以此时不会出现漫堤情况，即4.
（2）考虑长江的影响
1）洪水流向为青弋江―小河口―杨家渡―竹丝港，洪水来自青弋江，各圩区洪水位分析：
保太圩遭遇百年一遇洪水时，漫堤破堤均有可能，且圩堤不可能加高到16.44m，故取最不利情况漫堤水位13.14m；陶辛圩在遭遇百年一遇洪水时，洪水位均低于堤顶，取保太圩破堤时的洪水位11.68m；由于洪水来自青弋江，最终流向埭南圩，故埭南圩取人为确保保太圩、陶辛圩的情况，洪水位14.45m。
2）洪水流向为竹丝港―杨家渡―小河口―青弋江，洪水来自长江。
保太圩：只有人为确保埭南圩、陶辛圩时的洪水位16.44m，舍弃；陶辛圩在遭遇百年一遇洪水时，洪水位均低于堤顶，单独进水时的9.18m；情况1堤顶加高较多，不可取。在遭遇百年一遇洪水时，埭南圩漫堤破堤均有可能，取最不利12.44。
（3）综合分析
由于洪水既有来自青弋江，也有来自长江的可能，但两者存在错峰时间，即青弋江与长江不可能同时发生百年一遇洪水。计算时未考虑两者叠加，只考虑了以下两种情况：
1、青弋江单独发生百年洪水（不考虑长江影响的情况）；
2、青弋江发生百年洪水的同时，受长江顶托影响。
综上所述：各圩区洪水位：保太圩13.14m，陶辛圩11.68m，埭南圩11.62m。
计算结果表明,三个圩区在遭受青弋江百年一遇洪峰的同时,亦受到长江倒灌顶托的影响,是比较切合实际的.埭南圩曾于1954年长江洪水时破圩,调查到的破低水位为11.6m.而本次计算中通过修正峰值,充分考虑了长江倒灌顶托影响,计算出的洪水位为11.62m,与1954年实测破堤水位基本吻合；根据长江水利委员会分析论证,1954年洪水约为百年一遇.陶辛圩由于圩区面积大,遭受百年一遇洪峰圩区水位仅达9.18m,对其不构成威胁.其不理组合是保太圩、陶辛圩同时破堤,两个圩区除了外江百年一遇洪峰袭击外,还有削峰后的洪峰通过小河口、杨家渡进入。加上圩区内二十年一遇的暴雨量,其洪水位达到11.68m；保太圩由于圩区面积小,又与青弋江相连,圩区抵御洪水能力较低,当遭受青弋江百年一遇洪峰时,势必破堤或漫堤,圩区内洪水将与外江连成一片.故保太圩以青弋江水位13.14m控制路肩标高。
圩内设计水位按外河百年一遇洪水遭遇圩区内20年一遇暴雨分析计算，同时考虑破圩对相邻圩区的影响，是切合实际的。各圩口内涝水位详见表4.2-8。
表4.2-8 铁路沿线圩区内涝水位成果统计表
序 号 里程 圩区名称 防洪标准 不破圩内涝水位(m)(P=1%) 退水时间 破圩内涝水位(m)(P=1%) 备注
1 K0+000～K6+800 芜湖市城南圩 54年型 8.5 2-3天 10.79 1954年破圩调查值11.1m
2 K6+950～K11+750 芜湖县埭南圩 96年型 6.7 3-5天 11.62 1954年破圩调查值11.6 m
3 K11+850～K19+550 芜湖县陶辛圩 96年型 6.5 3-5天 11.68
4 K19+650～K22+560 芜湖县保太圩 96年型 7.7 3-5天 13.14
5、结论
5.1 设计水位采用典型年洪水演算、实测资料、频率计算等方法推算，经与有关水利规划资料对照分析，以及上、下游水位的合理性检查，数值基本一致，其成果是可信的。
5.2 对内涝水位分别考虑不破堤与破堤内涝水位，经分析最终确定采用破堤内涝水位作为路肩控制标高的依据，保证了铁路安全。
参考文献：
1、《桥渡水文》铁道部第三勘测设计院主编 1993年。
2 、有关文件、规划成果
（1）《水阳江、青弋江、漳河流域防洪规划报告》水利部长江水利委员会 2002年3月
（2）《水阳江、青弋江、漳河流域有关防洪规划专题的研究》安徽省水利水电勘测设计院 1982年10月