巩义石河道初步设计报告

水文4.1流域概况石河道发源于巩义市西南部山区，流经巩义市新老城区之间，在白沙村入伊 洛河，流域面积约76km2，河道全长20km左右，河道平均比降为0.8%，属于黄 河流域；流域所处地质从外形看，南高北低，岩石产状一般从西南倾向东北。规划 区南山口以上为石山区，山高坡陡，植被不佳，南山口以下为黄土丘陵区。4.2气象巩义市属北温带半干旱季风气候，光照充足，年平均气温146c。流域内多年平均降水量583mm,年内75%的降水集中在汛期，因受季风和地形的影 响，气候的变率和地区性差异较大，气象性灾害较多，尤其干旱危害严重。一般是 冬春干旱，风灾频繁，易遭伏旱，夏末秋初多雨。水资源的年际和季节性变化很 大，可利用水资源不足。4.3水文计算由于石河道无实测径流资料，本次设计依据1/10000地形图，按照河南省 中小流域设计暴雨洪水图集（河南省水利勘测设计院，1984年10月）对石河道 水文进行分析计算。431设计洪水1.321设计暴雨流域内无实测降雨资料，由河南省暴雨参数图集（河南省水文水资源局2005年12月编制出版）查得流域内：年最大24小时点雨量均值H24小时=,氏=;年最大6小时点雨量均值H6小时=，Cv = ；年最大1小时点雨量均值H小时=，Cv=；年最大10分钟点雨量均值He分钟=，Cv=。按Cs=3.5Cv,查P皿型曲线得值，用公式Hp二KpX凡计算出不同频率、 不同历时的设计点雨量。公式中Hp为不同频率、不同历时的设计点雨量，凡为相 应时段点雨量的均值，匕为相应频率下的模比系数，不同频率设计点雨量见下表 2-2。表2-2各频率设计点雨量计算表时段（h）P=1.0%P=2.0%P=5.0%P=10%P=20%KP(mrmlKp(mp)时京）KP时京）KP(min)10,16241.3.2.2 设计面雨量由万分之一地形图上量算出：河道综合坡降为0.8%,控制流域面积为76km2,大于50km2,因此，设计面雨量采用设计点雨量乘以点面折减系数计算。根据流域所在水文分区（皿区），查短历时暴雨时面深（t F-a）关系 图，求得不同历时暴雨的点面折减系数a值，乘以设计点雨量即得设计面雨量。各时段点面折减系数a a=0.876, a=0.898,物=0.920。不同频率、不同历时设计面雨量计算结果见下表2-3。表2-3各频率设计面雨量计算表时段P=1.0%P=2.0%P=5.0%P=10%P=20%(h)aHp (mm)aHp (mm)aHp (mm)aHp (mm)aHp (mm)16241.3.2.3暴雨递减指数暴雨递减指数采用下式计算:nip=1-1.285lgaH n =1-1.285lg 一 a H i p H n3p=1-1661lgH24 p6p式中Hs同一设计频率年最大10分钟点雨量;Hip_同一设计频率年1小时点雨量；H6p _同一设计频率年6小时点雨量；H24p同一设计频率年24小时点雨量；a暴雨点面折减系数。暴雨递减指数计算成果列于表24。查河南省中小流域设计暴雨洪水图集，流域地表特征所属水文分区为V 区。(1) 平均入渗率确定：依据分区数值表5,查得平均入渗率尸5 8mm/h，本次采用尸5mm/h。(2) 汇流参数m值：通过图集中“推理公式汇流参数地区综合m关系图”查算的m值，B计算公式如下：二 LJ3 F4将流域特征值代入上式，得0=33.9，查0-m关系图，得出：m=2.13。4.3.2设计洪峰2.3.3.1设计净雨与洪量24小时净雨量由洪水图集P+巳一R曲线求得，设计前期雨量Pa=lmax。24小时设计洪量W24用下式计算：W24=1000X rXf式中r 设计净雨量，单位为mm；F -流域面积，单位为km2。设计净雨及洪量计算成果列于表2-5。频率24小时净雨概化时程分配见图2-1 5。第12 17小时净雨量二R6pX分布系数。第6 11及第18 23小时净雨量二旧24R6p)X分布系数。2.333设计洪峰流量采用推理公式计算，计算公式为:A0278mJ 3Q4式中：Qm设计洪峰流量;一洪峰径流系数;洪峰汇流时间；F流域面积，F=76km2 ；L设计断面至分水岭的干流长度L=20km；J河道的平均比降，J=o.oo8S -设计最大1小时雨量平均强度；n设计暴雨递减指数；平均入渗率，尸5mm/小时；m 汇流参数。经计算，100年一遇的洪峰流量为m3/s, 50年一遇的洪峰流量为m3/s, 20年 一遇的洪峰流量为m3/s, 10年一遇的洪峰流量为m3/s, 5年一遇的洪峰流量为 m3/s。各频率设计洪峰Qm见表2-8。表2-8设计洪峰计算成果表重现期N （年）1005020105径流系数（勺洪峰流量（Qm）汇流时间（T433成果的选用与合理性分析本次采用2005年图集计算成果与采用84年图集计算成果较小，其原因主要为各时段暴雨均值与离差系数均有所降低，而加上近期人文活动对流域内的影响，本阶段采用的计算成果是合理的，也与当地洪水调查情况符合。5.4河道治理工程设计石河道市区段河道按50年一遇洪水设计标准，防洪工程措施结合综合整 治，利用跌水衔接调整河道纵坡，在河道两岸部分地段新建防洪堤，提高河道过 水能力。541河道断面设计由于在桩号2+600以下河道两岸基本已成型，已经经当地水利部门进行过 整治，两岸均为挡土墙护砌，矩形断面，本次综合治理不再对其护岸形式进行设 计，仅对河道进行疏挖；2+600 5+700依照现状地形和两岸条件合理布设，并结合河道综合治理要求，多方案比较，采用主槽扩挖方 案，并在河槽内通过橡胶坝及溢流堰蓄水，实现生态、环境、防洪等综合整治。541.1河道纵断面设计河道纵断面设计以河道天然坡降为依据、以已建河道交叉的重要建筑物控 制高程为控制因素、以尽量减少挖方量为原则，以河道上下游合理连接为目的。 河道纵断面设计参数见表52。5.4.1.2河道横断面设计一、河道横断面设计原则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首先要满足 河道的防洪除涝要求，其次要兼顾河道的景观要求，因而在横断面设计时遵循以 下两条原则。(1) 河道断面设计必须结合河道的主要功能在河道横断面设计时要与河道景观设计相结合，但要以河道的主要功能即 河道安全为主，河道景观设计为辅。近年来，由于城市建设的发展，在治理贯穿城市的河道时，只考虑河道防 洪、排涝功能已经不能满足社会的需要。这个观点已逐渐被人们所认识。但是，河道设计仍然要以河道主要功能既河道安全为主，河道断面设计 要以满足河道防洪除涝为宗旨。表5-2河道纵断面设计参数表桩号设计河底(m)纵坡备注0-393 0-150104.50 105.000.00120-150105.000-150 2+300105.00 123.000.00670+300109.500+600111.500+900113.331+150115.031+400116.841+700119.021+900120.502+3002+800123.50126.000.052+300123.002+800126.002+800 3+100127.50 130.000.008343+100130.003+100 3+600133.00 135.500.0053+6004+400135.50147.700.015254+400 4+800147.70 150.200.006264+400147.704+8005+700150.20 159.280.011635+582159.285+700159.28河道断面设计要结合河道景观设计每条城市河道都有其自身的特点，在设计时应该因势利导，因地制宜。石河道原 为郊区河道，现已成为新老城区的分界线，已经成为城区河道，因而，在治理的 时候不但要考虑防洪除涝，景观的设计也是不可获缺的，因此，在断面设计上要 与景观设计充分结合，使河道不仅成为防洪除涝的载体，也将成为城市一道靓丽 的风景线。二、河道横断面设计(1) “建成整修段”本段范围为桩号1+900至石河道入伊洛河口，本段河道已渐远市区，并且 已进行了河道治理，河道断面较为规整，不宜进行规模较大的工程改造；另一方 面，石河道入伊洛河口下游500.0m处正在修建橡胶坝，橡胶坝正常蓄水位 109.8m，受橡胶坝回水影响，0+300以下河床将被淹没。考虑以上因素，本段 治理分为两部分，0+300至入伊洛河口段进行简单疏挖，底宽和上游建成段相 同，为50.0m,边坡考虑稳定因素采用1： 3。对于桩号0+300至1+900，由 于河道基本已经成型，不再作大的整修，但考虑到河道景观以及人们的亲水要 求，对河底进行疏挖，并设溢流堰。采取矩形断面和梯形断面进行方案比较。方案一、矩形子槽，边坡采用浆砌石重力式挡土墙。方案二、梯形子槽，边坡采用1： 3,常水位以上采用堆石护坡，常水位 以下采用植草防护。通过对两种方案进行研究分析，矩形断面投资相对较大，而且施工难度也 稍大，但是矩形断面侵占滩地少，有利于景观布置。梯形断面投资小，施工简 单，但是侵占滩地稍多，不利于景观布置，但水面较宽。综合考虑，选用梯形断 面。梯形子槽在设计时按10.0m、15.0m、35.0m等不同底宽从景观上、过流 能力及投资上进行了比较。如果选择10.0m底宽，则在下游设置拦水建筑物时不能形成一定的水面，但滩地大，有利于生态河道布置。如果选择 15.0m底宽，则在下游设置溢流堰时容易形成一定的水面，但水面较小；综合考 虑，为了形成较大的水面，提高本次河道治理的品位，底宽按35.0m左右控 制，水面宽达到40m左右。(2) 静态水面段本段范围为1+900 3+100,根据河道现状治理情况，1+900至2+700段由 于河道基本已经成型，且两岸护砌结构良好。经计算，现状河槽能够满足50年 一遇行洪能力，因而河道断面不再作大的整修，对河道河床进行疏挖，使之保持 行洪通畅，同时为了满足河道的亲水性以及景观的协调性，对较高档土墙高出 3m部分进行拆除；2+700至3+100段，现状河道还未进行治理，因而，河道 断面形式需进行方案比较。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，发展果树、花木等经济林带 或绿化植树，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。方案三、矩形断面。矩形断面占地少，挖方量小，是城市河道使用较多的 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。根据实地踏勘以及结合河道测量图，本段河道大部分为已建成段，采用的 是重力式浆砌石直墙，河道左右岸已修建有滨河公园。为了不影响已建公园用 地，并与已建河道衔接，因此，经过仔细比较，我们推荐采用方案三矩形断面， 矩形断面顶高程为正常蓄水位加0.5m超高，挡土墙外设2.5m马道，马道外按实际地形放坡，坡外地面高程低于设计堤顶高程的按 堤顶高程设堤防，坡外地面高程高于设计堤顶高程的不再对地面高度进行处理， 只按设计坡度进行坡面处理。(3) 景观湖段本段范围桩号为3+100 3+600,根据现场查勘，本段河道处于城市中心 区，河道右岸地势开阔，相对较平坦。根据巩义市城市规划，本段河道右岸已规 划有一处河滨公园，为配合公园建设和完善公园功能，本段治理以突出景观性， 满足市民休闲娱乐为要求进行设计。设计后退右岸堤线，扩大河道水面，形成人 工湖，湖内布置小岛及亭台水榭等硬质景观，岸设游船码头，为市民创造一处亲 水、游水的休闲娱乐去处。由于本段现状河道两岸地面高程均远高于50年设计水位，因而本段河道断面仅根据现状断面进行疏挖，左岸根据现状地形进行整治，右岸结合湖体 及滨河公园进行整治。为保证湖体水面，在桩号3+100处修建橡胶坝，长60.0m，坝高3.0m，正常蓄水位136.0m，考虑到安全问题，湖底 高程控制在135.0m，右岸湖岸在136.5m处设环湖步道，供人们在湖边游玩、 散步。136.0m至136.5m之间设计为沙滩，现状地面沿湖设环湖路，高程为 138.5m，环湖路与环湖步道之间进行消坡处理，边坡控制在1： 4左右。桩号 3+350至桩号3+600右岸现有一处树林，本次设计将其保留，在桩号3+350处 环湖步道与环湖路合二为一，人们游玩到此处，可以到树林中进行休息，这样设 计可以使沿湖风景各具特色，变化多端，给人以美不胜收之感。为减少河道行洪对景观湖区及有关景观建筑的影响，防止因洪水造成河道主槽随意摆动，保证湖区水深的稳定和景观湖的安全，在河道轴线位置设置 了河道主槽，主槽底宽50米，采用梯形断面，并采用浆砌石护砌，厚0.5米。由于本段常年保持蓄水，且水深相对较大，在保持亲水性的同时，更应充 分考虑安全性，因此，河道左岸采浆砌石直墙护岸，并设置栏杆进行保护，岸顶 设步行道，宽2.6米。（4）“动水娱乐段”本段范围桩号为3+600 4+400,河道纵坡较陡，拟设多级跌水，既缓冲了 河道坡降，安全完成上下游衔接，又能创造一处水声潺潺的垂柳水岸社区。根据本段实际地形坡降，同时考虑河道上下游的合理连接，设计河道平均比 降为0.00625。本段河道中间设子糟，深0.95m,宽20m，河道断面设计为梯形 断面，底宽28.6m,河口宽41m，边坡1: 2。设置子槽的目的是在子槽内形成潺 潺的水流，方便形成动水景观，设计子槽内正常水深为0.2m左右。子槽只在日 常上游向下游放水时使用，不参与河道行洪。河道行洪断面进行了宽槽搭配斜 坡、窄槽搭配大缓坡和窄槽搭配直墙三种形式进行了方案比选：方案一（宽槽搭配斜坡方案）：梯形断面，底宽28.6m,子槽宽20m,槽外 侧结合设计河底布置亲水平台，宽3m,预制卵石砼块护砌，河口宽41m，边坡1: 2,采用20cmx 20cm现浇砼框格护砌，框格梁间距1.5m,内植草 皮。方案二（窄槽搭配大缓坡方案）：梯形断面，设计上宽50m,边坡1： 4, C15混凝土框格护滩。方案三（窄槽搭配直墙方案）：矩形断面，设计上口宽35m,下部2m为浆 砌石挡墙，上部按照1： 2边坡与设计堤顶相连。C15混凝土框格护 滩。对三个方案从以下角度进行比较： 从工程占地的角度分析，比较方案二因加宽河槽，需要占用大面积土地 地，方案三则不占用大面积占地，方案一占地面积适中； 从河道行洪流态分析，由于该段河道比降较陡，水流流速大，为了防止 河道冲刷，必须进行护砌，方案一较方案二及方案三抗冲刷能力强； 从工程量角度分析，方案一较方案二及方案三工程量小，投资少。 从景观效果上来看，方案一水面较宽，景观视觉效果好。综合分析，我们推荐方案一，即宽槽搭配斜坡方案方案。（5）“生态湖段”本段范围桩号为4+400 4+800。由于本段河道处于城市上游，受城市污 水影响小，水质相对较好，本段拟以“自然生态”为主题进行综合治理。本段河道两岸边坡陡峭，两岸地面距河底8.0 10.0m，地面高程均远高于 50年设计水位，因而本段河道断面仅根据现状断面进行疏挖，左岸根据现状地 形进行整治，右岸结合湖体进行整治。为保证湖体水面，在桩号4+400处修建 橡胶坝，拦蓄上游来水，为了减少河道挖方以及增加景观效果，在河道右侧湖体 范围内修建两个小岛，沿湖修建临水观光步道，步道高程为常水位加0.5m，步 道以外进行消坡处理，边坡1： 3。同样为减少河道行洪对生态湖区及有关景观建筑的影响，防止因洪水造成河道主槽随意摆动，保证湖区水深的稳定和景观湖的安全，在河道轴线位置 设置了河道主槽，主槽底宽50米，采用梯形断面，并采用浆砌石护砌，厚0.5 米。(6) “疏浚整治段”本段范围桩号为4+800 5+700。本段处于工程治理的最上游，河道两岸陡峭，本次治理仅对其进行疏挖，保证河道行洪通畅。设计疏挖宽度40m,梯形断面，由于河道坡度陡，水流速大，因此，采用1m高矮浆砌石挡土墙护脚，边坡设计为1:2，采用20cmx 20cm现浇砼框格护砌，框格梁间距1.5m，内植草皮。河底不护砌，但为防止冲刷，沿河轴线，每50m设置 0.5mx 0.5m浆砌石防冲齿墙。三、河道水面线计算根据前述分析，本次河道工程设计采用50年一遇洪水标准，但石河道下游 受伊洛洪水影响及两岸地势限制，应按现状进行防洪能力推算。洪水标准水面线分段采用天然河道恒定非均匀流方法推求。计算公式如下:(G+ V上2(G+ V下 Q2式中：Z上、Z下一Z 上2g Z 下2gK2 2L匕下断面洪水位，m;V上、V下_上、下断面平均流速，m/s;Q-设计流量，ma/s;-上、下断面间距，m;a-动能校正系数；-平均局部阻力系数；K -上、下断面平均流量模数，通过下式计算:1-11+1K2 一 2(K下 K 上各断面流量模数由主槽和滩地流量模数相加而得，其中3n式中：n河床糙率；3 过水断面面积，m2;R-过水断面水力半径，m。根据河道纵横断面变化及建筑物的布置，对河道水面线采用逐段计算。河道分段及选用参数见表5-3。各河段糙率根据边坡衬砌材料及河底情况不同采用加权平均法计算综合糙率。计算公式如下：- niX1 n 2X2属式中：m -护砌边坡糙率，浆砌石护坡采用0.03,草皮护坡采用0.035;xi护坡衬砌湿周长度，单位m;n2 -河道底部糙率，未护砌河底采用0.038；x2 -河道底部湿周长度，单位m;橡胶坝位置泄洪按照宽顶堰计算，在水面线的推求过程中，以橡胶坝为控制水深断面，橡胶坝下游做消能工程，堰上水头急变至下游河道正常水深，使水位 顺畅衔接。河道水面线计算成果见表5-4、5-5。表5-3河道分段及参数表桩号横断面河道比降糙率n底宽（m）边坡0-393 0-1405030.00120-140 0+3005030.010+300 1+9005000.00671+900 2+3005000.00672+300 2+8005000.0052+800 3+1005000.008343+100 3+6005030.0053+600 4+40028.620.015254+400 4+8005030.006254+800 5+5824020.01163桩号设计河底周程（m）水面线计算成果流速(m/s)水深（m）50年防洪 水位（m）0-393104.050-300104.820-200104.940-100105.500+000106.500+100107.500+200108.500+300109.500+400110.340+500111.020+590111.500+700112.200+800112.830+900113.331+000114.091 + 100114.721+200115.401+300116.121+400116.841+500117.571+600118.291+643118.801+700119.021+800119.761+900 （下游）120.501+900 （上游）120.502+000121.132+100121.752+200122.382+300 （下游）123.002+300 （上游）123.502+400124.002+500124.502+600125.002+700125.502+800 （下游）126.002+800 （上游）127.502+900128.333+000129.173+100 （下游）130.003+100 （上游）133.00桩号设计河底周程（m）水面线计算成果流速（m（5）水深（m）50年防洪 水位（m）3+200133.503+300134.003+400134.503+500135.003+600135.503+700137.033+800138.553+900140.084+000141.60J4+100143.134+200144.654+300146.184+370147.244+400 （下游）147.704+400 （上游）147.704+500148.334+600148.954+700149.584+800150.204+900151.365+000152.525+100153.695+200154.855+300156.015+400157.175+500158.345+582 （下游）159.075+582 （上游）159.07坎上流速桩号设计河底周程（m）水面线计算成果流速（m/s）水深（m）20年防洪 水位（m）0-393104.050-300104.820-200104.940-100105.500+000106.500+100107.500+200108.500+300109.500+400110.340+500111.020+590111.500+700112.200+800112.830+900113.331+000114.091 + 100114.721+200115.401+300116.121+400116.841+500117.571+600118.291+700119.021+800119.761+900 （下游）120.501+900 （上游）120.502+000121.132+100121.752+200122.382+300 （下游）123.002+300 （上游）123.502+400124.002+500124.502+600125.002+700125.502+800 （下游）126.002+800 （上游）127.502+900128.333+000129.173+100 （下游）130.003+100 （上游）133.003+200133.50桩号设计河底周程（m）水面线计算成果流速(m/s)水深（m）20年防洪 水位（m）3+300134.003+400134.503+500135.003+600135.503+700137.033+800138.553+900140.084+000141.604+100143.134+200144.654+300146.184+370147.244+400 （下游）147.704+400 （上游）147.704+500148.334+600148.954+700149.584+800150.204+900151.365+000152.525+100153.695+200154.855+300156.015+400157.175+500158.345+582 （下游）159.075+582 （上游）159.07坎上流速本次石河道防洪标准按50年一遇设计，结合石河道整治现状，自桩号 1+600上游，河岸两侧地势较高，河道本身只需稍加整治，即可基本满足设计 防洪要求；自桩号1+600下游全桩号0+500,部分河段已基本硬化成型，现状挡 墙状况良好，为节省投资，本次拟在现状河岸两侧增设50cm高混凝土防洪墙， 使之可满足20年一遇设计洪水不出槽；桩号0+500下游，石河道两侧大部属于 伊洛河堤防及滩地范围之内，伊洛河洪水对石河道下泻洪水起顶托作用，并受现 状伊洛河堤防所限，现状不满足石河道两岸20年一遇防洪标准之要求根据以上分析，本次石河道综合治理工程实施后各河段防洪能力设计如 下：第一段：桩号5+700 (治理起点)桩号1+600,防洪标准满足50年一遇； 第二段：桩号1+600桩号 0+500,防洪标准满足20年一遇；第三段：桩号 0+500桩号 0-393 (入伊洛河口)，其防洪能力受伊洛河洪水位顶托和两岸自 然地势限制，不能满足20年一遇洪水行洪要求，建议在下一步伊洛河防洪规划 工程中进行协调处理。5.4.3堤防设计(1) 堤身土料填筑标准本次设计石河道多处处于沟壑之中，基本能够满足河道防洪要求，不用另 外设堤防。但由于河段两岸现状地面高低不平，部分地面高程略低于防洪水位， 需要筑堤，但堤防填筑时要结合生态景观，避免出现机械的梯形断面。堤身填筑时，按照经济实用、就地取材、便于施工，并满足防汛和管理的 要求，选用河道开挖土筑堤。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1020,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。(2) 堤顶局程确定石河道河道治理工程，河道两岸高程按照城市防洪要求，为50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(GB5028698)中6.3.1式，堤顶超高按下式确定：Y 二 R + e + A式中：Y堤顶超高，m；R 设计波浪爬高，m;e -设计风壅水面高，m；A -安全加高，m