浅谈河道设计要点分析

浅谈河道设计要点分析

普芹英

  （云南省弥渡县水利管理服务中心，云南  弥渡  675600）

摘要:近年来，国家加大了对中小河流的综合治理，为了能有效地实现城镇建设和乡村振兴，改善水环境，打造美丽河湖，我国各大城市加大了对河道的综合整治力度。对河道设计提出了更高的要求，需设计人员改变以往治河的传统理念，创新新思路，围绕生态、自然、人水和谐的的理念进行河道设计。本文针对河道设计的几个基础重点进行了分析，仅供大家在河道治理工程设计中进行参考。

关键词:河道设计；重点；分析

河流对人类活动的影响十分深远，河流两岸自古以来就是人类繁衍生息之所。它有兴水利的一面，也有水害的一面。如何兴利除害，整治河流，使其达到与人类和谐共处是历朝历代治国安邦的重要课题。随着经济的发展和社会的进步，对河流的治理技术上和合理性上提出了更高的要求，以前只重视河流的防洪安全性功能、灌溉功能，从原始的土堤、竹笼防护、到浆砌石、混凝土、等防护，到目前格槟石笼+植物措施防护等的生态治理。

1 河道治理情况

过去治理河道，主要考虑的是防洪安全功能为主，多半采用浆砌石、混凝土挡墙或型式防护，还强调要直的理念，没有充分认识到河道治理项目是要兼顾河流生态环境而开展的综合性治理项目，没有牢固树立人水和谐理念，河道治理思路、方案没有充分融入生态理念，或根本就没有生态理念，只重防洪安全，忽视生态功能，加之征地拆迁成为河流治理的重要制约因素，治河采用裁弯取直、缩窄河道、挤占河滩方案，改变原有河势的方案，治导线的选择上没有充分保护河流的自然形态，天然河道原有的弯直相间、宽窄交错成了治河必改的地方，灭失了河流生态环境的多样性，将治导线布置成同宽单一的平面形态，渠化河道，未保留天然河道形态，治理河道没有达到既满足防洪要求又尽可能恢复河道功能，维护河流健康，建设人与自然和谐相处的河边生态环境的功能，治理河道采用浆砌石、混凝土的多，采用生态型的少，破坏了河流原有的生态食物链，不利于维护河流原有的生态功能。近年来在治理方案上有了一点点突破，有些河道采用了格槟石笼+植草（植树）、格槟石笼+雷诺护垫+植草（植树）的方式进行了治理，结合城市的发展，在城区段也有采用景观生态方案治理的地段，但大部分河道的治理远远达不到生态河治理的理念和标准，还是局限于为了节约投资、迎合领导层面的考虑而走原来的治理之路。

山区治理过的河流，由于地形的原因，现状河床纵坡陡，雨季洪水中夹杂砂石大，导致部分护坡脚被掏空、固定河床潜坎被冲毁，比如德苴的亩干河，牛街的大沙河治理方案是采用两岸坡浆砌石护砌+河床潜坎固定，都因大量沙石冲入河道，大部分潜坎被冲毁，部分边坡脚被掏空，恢复治理方案只有重新调河床纵坡，增加滚水坝方式降缓坡度，复核抗冲刷深度的方案恢复。毗雄河是坝区河流，治理方案基本和上面两条一致，梯形复式断面+潜坎固定河床，河床纵坡平缓，潜坎运行多年固定河床效果较好，设有取水坝的地方还存在淤积现象。

2 河道的设计要点

从上述可以看出，山区河流和坝区河流治理有不同的治理方式，特别在纵坡的设计上差异很大，在通过一定流量时，纵坡是影响流速的一个重要指标，要尽量考虑到不同的平均流速控制在不冲不淤之间，以保障河床不被冲刷。下面对河道设计时要注意的几个要点作分析，以提供参考。

2.1 基础资料收集

河道治理设计的基础和前提是河道影响区的社会经济、水文气象、地质条件等相关的资料，根据设计阶段的不同收集不同深度的资料信息，收集整理的资料要具备完整性和真实可靠性。

2.2 流域面积、流量的确定

河流的流域面积影响着河道洪峰流量的一个要素，流域面积的是由地形图上分水线所包围的河流集水区流域之间的分水岭，鞍部的连线所形成的面积，也就是集水区的面积。在地形图上绘制出该河流的分水线，主要是找到河流（所有支流）的分水岭、鞍部，将最高点连接起来，运用CAD软件或地图求面积方法计算出分水线围成的区域面积，保证数据的科学性和真实准确性，从而保证流量的合理性，流量是设计河道时确定河断面的要素之一，流量计算方法多样，要设计人员根据水文气象等资料选择不同的方法计算分析得出最合理的数据的。

2.3 河道原断面测量

河道断面测量包括纵断面和横断面测量，测量是河道保护和治理的一项重要工作，对于准确掌握河道的尺寸、形态和流量等参数至关重要，只有提高测量结果的准确性和可靠性，为河道保护和治理工作提供有力保障。

测量横断面间距应控制在40米以内，若遇断面变化较大（如河道缩窄处、弯道较大或支流入汇处、或有跨河建筑等处），应在此处增加测量断面，断面编号从上游起编，若遇过河建筑物（如取水坝、节制闸、桥等），应测量3个断面，即过河建筑物上游断面、过

河建筑物下游断面及过河建筑物本身的横剖面断面，前两个断面参与河道断面编号，过河建筑物单独编号，标明取水坝、节制闸、或桥的名称。若桥梁位于居民集中区，应进行近年来最高洪水痕迹调查，查明最高洪水痕迹发生的时间，并测出洪水痕迹点的高程，洪水痕迹位置也应该测量出断面。若有取水坝或其他控制断面，只需测出控制断面的横断面及其下游处的横断面，使治理河道断面保持连续性。河道带状地图测量应在整治河段范围的基础上纵方向应往上、下游延伸测量100~200范围、横方向应在外河堤脚线往外延伸50米左右。

测量成果应提供测量带状地形图、河道横断面图（含过河建筑物剖面图）、河道纵断面图、河道深洪沟纵断面等相关资料外，还应满足其它勘测工作的需要，如地质勘探工作中的各种比例尺的地形底图，联测钻孔的平面位置和高程，此外还需要为河道治理范围内的各种专用输电线、河堤顶埋设的各类管道、线路等地下构筑物的位置，为以后施工提供参考。在提供以上测量原图时，要根据设计阶段确定好适合的比例尺。

2.4 河床纵坡的确定

河床纵坡是河段沿水流方向两端的河底高程之差与水平距离的比值。纵坡的设计合理直接影响到防洪安全和治理效果，并且对流速有很大的影响，同时影响跨河建筑物取水坝、节制闸、桥梁等冲刷程度和造价。按照近年来治理河道的经验，对于山区河道现状河床较陡的，建议在调坡是增加滚水坝方式减缓，考虑沙石影响因素，按照允许流速来设计，纵坡一般控制在1/50～1/200，有条件处最好控制到1/100左右，以防冲刷；坝区河流地势缓的，大多纵坡在1/500左右，最陡不要超过1/100，陡了必定发生冲刷，也就是把设计纵坡控制在1/100～1/500之间，同时结合不冲不淤流速考虑。

2.5 水面线计算

河道水面线的计算是从某控制断面的已知水位开始，根据有关水文和地形等资料，运用水面曲线基本方程式，逐河段推算其他断面水深的一种水力计算。在推算河道水面曲线时，首先要收集好一些基本资料：设计纵横断面图、设计流量、河道糙率等，治理后的河道是规则的矩形、梯形或复式断面，若沿河有支流汇入、有取水坝，有变坡点，其流速、水深远程总在变化，故属明渠恒定非均匀流，此时就按恒定非均匀流计算水面线；若水流恒定、流量沿骋不变、底坡、糙率不变，且河里无影响水流的建筑物或障碍物，则按明渠恒定均匀流计算。

明渠恒定均匀流是水深、过水断面的形状和大小沿程不变，过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变，水流保持匀速直线运动，水头线、水面线和河底线是平行的，即水力坡度J=水面坡度Js=底坡i分析。绘制水面线时，只要算出正常水深，且流量和糙率越大、底坡越小，正常水深越大，水面线越高，反之则越低。

明渠恒定非均匀流绘制水面曲线时，按照断面比能方程采用分段法进行推求，推求时首先计算出断面的临界水深hk、弗劳德数Fr或断面平均流速v，判断是缓流、临界流或急流流态，应该从下游的控制断面向上游推求。

借用《弥渡县毗雄河河道治理工程可行性研究报告》中推求水面线时主要要点分析，该河治理段全长27.698km，河道内有7道取水坝、21座桥梁、3道节制闸、9处支流汇入，20处弯道，水面曲线的推求按分段进行。设计时，河堤迎水面边坡用浆砌块石护砌，边坡糙率n取0.025，河底面为天然河床，n取0.04，根据不同河宽、水深，按加权平均法求得各段的综合糙率n［2］，治理后的毗雄河是规则的梯形及矩形断面，但沿河有九条支流汇入，有取水坝7座，变坡点10个，其流速、水深远程总在变化，故属明渠恒定非均匀流。

分别在里程0+344（取水坝），0+870（取水坝）、1+696（取水坝）、2+492（取水坝）、2+2875（取水坝）、4+494.5（取水坝）、5+417（取水坝）、9+267、16+795、23+327、27+667.5处设有10个边坡点，设计纵坡分别为i=0.00389、0.00442、0.00277、0.00192、0.00242、0.00228、0.00162、0.00177、0.00179、0.00162。在取水坝处，发生跌水，水面曲线均为b1型降水曲线，水面线从下游（取水坝处）往上游推求，控制水深为临界水深。其它边坡点处，设计纵坡均小于临界坡，河道断面有梯形和矩形两种断面，分别为底宽12m，边坡1:1.5，底宽39m，边坡0.2，底宽13m，边坡1:1.5，三种尺寸，临界坡度算得ik=0.01097、0.0133、0.01077即i﹤ik，为缓坡，此时h﹥hk且h﹥h0，水面曲线为a1型壅水曲线。通过该河道水面线的推求总结出以下几点。

遇到有闸门和堰时，下游会发生水跃，水流会从急流转变为缓流，水面曲线推求时，当i﹤ik，为缓坡时，水面线为c1型壅水曲线，水深逐渐往下游段增大到临界水深hk。水面线可以从下游往上游推求。

遇变坡点时，且i1和i2﹤ik，上下游底坡均为缓坡，且i2﹥i1时，水面曲线为b1型降水曲线，控制水深为上游正常水深h01，变坡点后水深逐渐降落至下断面正常水深h02［2］。当i1﹤ik，i2﹥ik，上游缓坡变陡坡，且i2﹥i1时，上游正常水深大于临界水深，水流为缓流；在变坡点下游正常水深小于临界水深，此时水面会发生降落现象，形成水跌，水面曲线为b1型降水曲线，控制水深为临界水深，变坡点后水深逐渐降落至下断面正常水深h02［2］。当i1﹥ik，i2﹤ik，上游陡坡变缓坡，且i1﹥i2时，上游为急流，正常水深小于临界水深，在变坡点下游为缓流，正常水深大于临界水深，此时水面会发生壅水现象，形成水跃，水面曲线为a1型壅水曲线，控制水深为临界水深，变坡点后水深逐渐达到正常水深h

02［2］

遇跌水时，当上游为缓坡时，水面曲线为b1型降水曲线，上游水深最大，逐步趋近于正常水深h0，下游端水深最小，逐渐趋近于临界水深hk，由于he=（0.67~0.73）hk，可以近似取he=hk作为控制水深来推求水面线。

3 结论

河道工程规划设计的原则和重要性在于基础资料收集、流域面积、流量的确定、河道原断面测量、河床纵坡的确定、水面线推求等。水面线推求时，基本就遇到以上情况，要准确判断水面曲线类型，首先要对应是否是发生以上任何一种的流态，只有精准判断了类型，才能推求合理的水面线，从而设计出合理的断面尺寸，以满足河道应该具备的功能。

参考文献：

［1］《弥渡县毗雄河河道治理工程可行性研究报告》大理白族自治州水利水电勘测设计研究院，2003-11

［2］高等学校教材《水力学》（第二版）上册 成都科技大学水力学教研室编 吴持恭 主编，1982-07

［3］《水力学计算手册》（第二版）武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室 李炜 主编，2006-06