新型河涌整治设计

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【摘要】：随着经济及城市化的发展，居民生活水平不断提高，人们越来越意识到水对人类的生产及生活有密不可分的作用，同时，人们在治水方面也是突破传统模式及观念。提出了河涌整治要体现综合治理的要求，应集防洪、排涝、绿化、景观、休闲、旅游等多功能为一体，充分体现建设生态、环保河涌的理念，体现人与自然的和谐共处。该文以石滩镇塘头村主排涌清淤整治工程为例，对河涌整治设计进行了一些尝试。

1、工程基本情况

石滩镇位于增城市南部，是广州市首批五个示范中心镇之一，处于广州市东部板块东端，北连荔城，南与东莞隔江相望。自改革开放以来，该镇区内经济迅猛发展，但由于之前对水利工程建设重视程度不足，目前区域内的河涌普遍有淤积及水质污染等情况。当发洪水时，其带来的破坏也随着经济的发展不断增大。塘头村主排涌的起点从村内鱼塘边，终点至村前公路，全长985m。该主排涌的功能不仅有排涝、排村内的生活污水，还兼有灌溉任务。由于该主排涌建于上世纪70年代，当时设计的排涝标准较低，且经过多年的运行，河涌淤积已相当严重，目前连基本排涝的需求都很难满足。为确保塘头村经济的发展，保护村民的利益不受损害，同时也配合新农村建设的发展规划，对主排涌进行清淤整治是十分必要的。根据《增城市新塘镇总体规划》的要求，该河涌整治除了需要考虑防洪和排涝的主要功能外还必须结合堤岸、水环境及水景观等方面的建设。

2、设计流量

为提高工程设计的合理性，节省工程投资，避免河涌源头和出口都采用同一断面尺寸的结构形式，本设计根据主排涌不同片区集雨面积不同分段进行设计流量计算。

由于本工程的集雨面积不大，仅为0.97km2，小于10km2，依据《广东省暴雨径流查算图表》规定：除水库工程外，集雨面积小于10km2的其他工程，仍采用广东省洪峰流量经验公式。因此，本工程设计洪水采用广东省洪峰流量经验公式法进行计算。

经验公式法采用：

经经验公式法计算，塘头村主排涌各排涝分区的设计洪峰流量见表1。

表1 各排涝分区设计洪峰流量成果表

3、工程总布置和主要建筑物

本次河涌清淤整治的总布置原则为：利用原有河涌，尽可能少征地、少拆迁。按此原则新河涌基本以原有河道的走向布置，在局部位置进行裁弯、取直处理。另外，当按原渠线走向布置遇有民房时，渠线适当地向内侧的耕地挪，避开民房。

为配合防洪抢险需要及方便当地村民日常耕作要求，需要修建防汛道路。防汛道路的布置原则是：对主排涌旁现有的机耕路堤段可直接对机耕路进行加固拓宽，使其满足防汛公路的要求；而对主排涌旁没有机耕路的堤段可采取堤路结合的方式，即加固后的堤顶可用作防汛公路。另外根据需求此次需新修建2座人行交通桥有及预埋4段涵管。

详见下图

4、主要建筑物设计

断面设计

方案一：主排涌设计采用梯形断面形式，设计河涌断面边坡坡比为1:1，纵坡坡降为0.06%，渠道底宽为2.5m，深为2.1m。渠底及边坡均采用100mm厚C15砼护坡。

方案二：主排涌设计采用梯形断面形式。设计河涌断面边坡坡比为1：1.5，纵坡坡降为0.06%，渠道底宽根据水力计算后对比现状渠道选择确定(暂取第一段河涌底宽为3.06m进行比较)，深为2.13m。边坡采用种植水草护坡。对桩号K0+690~K0+915段靠塘头村侧，按照塘头村的总体规划，此段为塘头村的休闲带。因此，此段设计采用二排松木桩紧密布置进行护坡，桩长4m，尾径不小于80mm。（如下图）

设计方案比较：

在技术条件上分析方案一过水条件好，渠道断面尺寸小且耐冲刷等优点。而方案二有结构及施工简单等有利条件。投资方面详见下表2。

表2投资比较表

注：本表取单位长度为50m的渠道投资比较计算(相同部分没有列出)

通过以上比较可知，在技术条件上方案一优于方案二，而投资方面方案一却比方案二大。根据《增城市新塘镇总体规划》的要求，区域内河涌整治要综合考虑防洪、排涝、堤岸、水环境、水景观等功能。为体现建设生态、环保河涌的理念，体现人与自然的和谐共处，本次设计应尽可能减少圬工类建筑物。另外，方案二虽然渠道断面尺寸相对较大，过水条件及抗冲刷都差于方案一，但考虑本河涌设计对边坡采用种植水草，流量及河涌水流流速较小，水流对河岸影响也很小，且现状河涌断面尺寸也较大，完全不需要另外征地拓宽河道。所以本次设计采用方案二的清水渠设计形式。

防汛公路设计

本次防汛公路设计包括旧堤路加固和新建堤路。堤路面设计宽度为3m，铺100mm厚的石粉，两侧埋200×500mm（厚×高）的路缘石。对于原有的进村石板路（桩号K0+790~ K0+985），此段防汛公路应设计应符合新农村建设的要求，本次设计是在原石板路面上浇注250mm厚砼路面，路面宽为4m，靠鱼塘侧布置一排防护墩，尺寸为500×250×250 mm（L×B×H），间距为300mm。

交通桥设计

交通桥设计为单跨，净跨根据河涌宽度确定，桥宽度为3m，采用现浇钢筋砼梁板结构，桥梁的尺寸为250mm×500mm，板厚为150mm。桥台采用C20埋石砼结构，顶宽0.6m，背坡坡比为1:0.5，前、后趾的高度和宽度都为500mm，支座承台为0.4m。

5、水力计算

断面尺寸计算

由于本渠道分段计算设计流量，桩号K0+000~ K0+450段设计洪峰流量为10.39m3/s，桩号K0+450~ K0+700段设计洪峰流量为9.94m3/s，桩号K0+700~ K0+985段设计洪峰流量为2.53m3/s。

设计渠道底纵坡为0.06%，横断面边坡坡比为1:1.5，糙率n取0.025，计算满足渠道设计流量和不冲不淤前提下的渠道的断面尺寸。

按《水力计算手册》中清水渠断面的水力计算方法进行计算。

――设计流量，m3/s；

――边坡系数；

――糙率；

――渠道坡降；

――水力最优断面水深，m；

――水力最优断面的宽深比；

――水力最优断面渠底宽，m；

――实用经济断面过水面积与水力最优断面过水面积的比值；

――水力最优断面过水面积，m2；

――实用经济断面过水面积，m2；

――水力最优断面的流速，m/s；

――实用经济断面的流速，m/s；

――水力最优断面的水力半径；

――实用经济断面的水力半径；

――不冲流速流速，m/s；

计算：

第三种：设计流量为10.39m3/s的实用经济断面计算结果见表3：

表3主排涌断面尺寸计算表

对比原渠道断面，选择最接近一项，本次选择b=4.63m，相应起始水深为h=1.71m。

第二种：设计流量为9.94m3/s的实用经济断面通过计算，并对比原渠道断面，选择最接近一项，本次选择b=3.95m。

第三种：设计流量为2.53m3/s的实用经济断面通过计算，并对比原渠道断面，选择最接近一项，本次选择b=3.06m。

水面线计算

本次水面线的推算，根据整治后的出口断面和设计洪峰流量，采用明渠均匀流公式计算过流水深，确定出口断面水位（相应起始水深为h=1.71m，以此向中游推算）。

根据《水力计算手册》中渠道糙率表，经查阅本次整治河床糙率拟定为0.025。

水面曲线计算原理：

如图示，根据伯努里方程：

式中：

Z1、V1――断面1的水位和流速；

Z2、V2――断面2的水位和流速；

hW = hy + hj ――断面1到断面2之间的水头损失；

hy = j ×ΔL――沿程水头损失；

j = V2/(C2R)――沿程摩阻坡度；

V，C，R――断面1和断面2的平均流速、平均流速系数、平均水力半径；

ΔL――两断面间的距离；

hj =-ξ(V12/2g-V22/2g)――局部水头损失；

ξ ――河段的局部阻力系数，在顺直河段及收缩河段ξ=0，逐步扩散河段ξ=(0.3~0.5)，急剧扩散河段ξ=(0.5~1.0)。

堤高计算

考虑出根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)中关于4、5级渠道岸顶超高计算可知：

式中：――渠道岸顶超高，m；

――渠道通过加大流量时的水深，m；

――设计渠底高程，m；

――设计渠顶高程，m。

6、评述

作为新一代水利设计工作者，除了需要设计出合格的产品外，还需要有超前意识，打破观传统的模式及观念，遵循科学性、合理性和可操作性的原则，使水生态环境建设与经济社会发展同步，更贴合人们生产、生活的需要，达到以人为本，人水和谐的目标。

目前塘头村主排涌清淤整治整治工程已通过审批并进入下一阶段的设计，我期望其能够尽快实施并发挥作用。（见效果图）

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。