仑头生物岛隧道工程南便涌改道工程防洪评价.pdf

仑头～生物岛隧道工程南便涌改道工程防洪评价杜涓黄本胜邱静（广东省水利水电科学研究院，广州，510630）摘要：为排除排洪不畅对地区及原有居民造成不利影响，保证南便涌及周围居民生活区的排水畅通，同时又保证仑头～生物岛隧道工程的顺利建设，本研究通过物理模型试验，研究、优化南便涌改道方案，计算、分析南便涌改道后对防洪、排涝的影响，确保南便涌的防洪、排涝安全。关键词：河涌改道防洪排涝水利规划1建设项目基本情况进生物岛隧道工程将是连接广州市海珠区与生物岛交通的重要通道。工程南连岛内路网，北接南部快速干线和科韵路延长线，将岛内路网与广州市交通网连成一体。隧道工程的设计起点位于海珠区仑头村，距离环城高速约300m，中间穿过仑头水道（又称仑头海），设计终点位于生物岛上。南便涌位于广州市海珠区共和围，上游端口位于兜水角，下游出口位于仑头村，汇入仑头水道。河涌呈西北走向，主要功能为X=23399.455排涝、灌溉，在出口处设有南便涌闸，控制Y=48386.038X=23384.286河涌的排灌和阻挡外江的洪水和暴潮。受地Y=48294.467理位置的局限，进生物岛过江隧道在进入地改移南便涌中线X=23369.557改X=23327.517Y=48303.645Ⅰ区下之前的U型槽结构与暗埋段连接处正好与移Y=48358.613南便南便涌相遇，为排除排洪不畅对地区及原有涌X=23336.821中Y=48376.317线X=23332.634Ⅲ区Y=48368.35居民造成不利影响，保证南便涌及周围居民Ⅰ区X=23322.372Y=48328.443生活区的排水畅通，同时又保证仑头~生物Ⅱ区X=23317.746岛工程的顺利建设，拟对原南便涌与隧道进Y=48340.022口相遇这一段进行改道。图1设计改道方案示意图设计改道方案见图1。需要改移的原河涌宽度为10.6m～14.6m，河涌底标高为4.32m～4.5m，改移后的河涌从隧道暗埋段上方通过，河涌宽取11m，涌底标高从4.32m～4.5m接顺。改移后的河涌除在Ⅲ区设计为暗埋段外，其余部分均为明渠。2设计洪水计算南便涌集水区域基本地理参数如下：2集水面积：F=0.92km；干流河长：L=1.24km；Lθ==13.41干流坡降J=0.0008，集水区域特征参数J3。本流域设计暴雨主要依据广东省水文局2003年颁布的《广东省暴雨参数等值线图》进行计算，分别采用两种方法选取点雨量均值和点雨量变差系数进行点雨量计算：方法一：用内插方法查找本工程集水区域所在地的点雨量均值和点雨量变差系数；方法二：直接选取工程所在地所属雨量站点（即广州站点）的点雨量均值和点雨量变差系数。70 利用两种取值方法计算所得各历时设计暴雨特征参数分别采用广东省推理公式法和广东省综合单位线法进行计算，计算比较，设计洪水用综合单位线法计算较推理公式法偏大15%左右，按“综合分析、合理取值”原则，采用综合单位线法计算成果作为本次试验研究的依据。各频率设计洪水计算结果如表1所示：表1各频率设计洪水计算结果3设计洪水(m/s)2取值方法集水面积(km)计算河长(km)Q5%Q10%方法一0.921.2417.2414.83方法二0.921.2416.1313.703根据《广州市海珠区江河（区域）综合规划报告》，南便涌P=5%的设计洪峰流量为13.0m/s，表1的计算成果是根据本次河涌实测断面计算的河涌比降用两种方法进行复核的结果。可见，该次计算结果与《广州市海珠区江河（区域）综合规划报告》的成果相差较大，为安全起见，本研3究分5个流量级Q=18.0、16.5、15.0、13.5、10.0m/s分别进行试验。3物理模型设计模型范围包括河涌改尾道起点段上游河道约8#门350m、改道段约110m、河9#涌改道段终点下游河道约CS3CS27#CS12#500m，全长约960m（见图2）。3#改移南便涌中线1#CS4CS5模型选用λCS11l=50的比6#4#孔1CS10CS95#尺可满足流态相似、场地前CS8孔2池说明：CS1测流断面量水堰水位测点及模型制作条件等因素的图2模型试验范围及水位测点、测流断面位置示意图要求，由此得模型各水力比尺为：几何比尺λl=501/2流速比尺λv=λl=7.0715/2流量比尺λQ=λl=17677.671/6糙率比尺λn=λl=1.9194方案优选根据《珠江流域综合规划报告》，本规划区域的设计防洪标准为：内河涌两岸堤防采用防洪标准为20年一遇暴雨洪水碰多年平均珠江高潮位。根据黄埔水位站多年资料统计，计算南便涌口多年平均年最高潮位为2.00m、多年平均高潮位为0.76m，试验同时也选取南便涌闸关闸水位1.20m进行试验研究。4.1原设计方案试验成果分析原设计改道方案见图1。试验显示，河涌改道前，由于CS1断面上游现有的交通桥桥墩较大，占据了相当的过流断面，对过桥水流的影响较明显，加之桥墩上游河床断面较宽，桥墩下游河床断面缩窄较明显，导致CS1断面流速分布极不均匀，左侧点流速明显偏小，部分工况出现小范围回流区。水流行至CS2断面已经明显得到调整改善，流速分布趋于均匀。河涌改道后，原本直行的河道人为增加了三个急转弯道。根据加入水中的示踪剂和实测的流速测量及流态观察显示：受已有交通桥上、下游河涌断面变化较大及桥墩和桥台的影响，桥墩下游的CS1断面流速分布与改道前相似，呈左边小右边大的分布。改道河涌在CS4断面出现急转弯，71 受上游CS1断面流速的影响和右侧凸岸的约束，加之改道后CS4断面左侧河岸不平顺，存在一个局部回流区，CS4断面的流速呈现为两侧小中间大，受弯道右侧河岸对水流导向的影响，弯道下游的CS5断面呈现凹岸流速大凸岸流速小的分布。水流行至CS6、CS7断面，流速渐趋均匀，但又遇到第二次急转弯，主流从凸岸逐渐过渡至凹岸，弯顶之前凸岸一侧水流流速较大，凹岸一侧流速较小；弯顶以下，凹岸流速增大，凸岸流速减小，CS8断面出现流速左小右大的形态，从而导致Ⅲ区两孔进流不均匀，流速分布也不均匀，1#孔（左侧）流速小，2#孔（右侧）流速大，整个过流断面流速左小右大。水流经过第三个弯道后，凸岸流速小、凹岸流速大的特点依然明显。总体来说，原设计的改道方案，由于弯道棱角分明，使原本受弯道影响就会出现凹岸和凸岸流速分布不均的水流沿程断面分布更不均匀。由于改道后水流沿程断面分布都不均匀，水流无法顺畅下泄，导致上游水位壅高，壅高最大值出现在上游流量较大（Q=18m3/s）、下游水位较低（Z=0.76m）时，1#水位测针位置较改道前壅高0.20m，2#水位测针位置较改道前壅高0.12m，3号水位测针位置较改道前壅高0.06m。水位壅高最小的情况出现在下游水位较高（Z=2.00m）时，也分别有0.01m～0.05m。4.2修改方案试验成果分析为了隧道施工和以后运营的需要，同时受地理条件的限制，改移南便涌的位置是经过与当地相关政府主管部门和仑头村协商确定的，在平面布置上难以作大的改动，但要克服原设计改道方案所出现的问题，必须在原设计的基础上作局部的修改，以使改道河段水流与原河涌的水流衔接顺畅，断面流速分布趋于均匀，减小局部水头损失，从而减小水位壅高值。经过多种修改方案的试验比较，最后选取其中效果最为理想的一个方案作为修改方案进行各组次全面的试验分析。修改方案将改道所造成的新增的三个弯道修改成圆弧形，圆弧半径及圆心坐标见图3所示，说明：修改弯道圆弧半径、圆心坐标为：AB圆心坐标弧段与原设计方案的直半径(m)改移南便涌中线XYA22.423376.21148279.682段平顺连接，直段部分断GEFB19.023365.24048277.562CC12.523338.06148340.466H面形式同原设计改道方DD20.523334.39048339.036E5.023343.97048367.783XYF16.023344.21748367.398案。经与设计方沟通，为G23325.19148354.187H23330.30848363.924利于水流的顺畅下泄，将原Ⅲ区的暗埋段向上游图3改道修改方案示意图平移5m，结构形式不变。修改方案试验显示，由于现有的桥墩占据了较大的过流断面面积，CS1、CS4断面受桥墩阻水影响产生的左侧小范围回流区仍然存在，对CS5断面左侧流速也产生一定影响，CS5断面左侧点流速较小。由于弯道改成弧形，减小了原来棱角分明的形式对水流的阻挡、顶托作用，局部阻力相对原方案小，水流顺圆弧弯道平顺下泄，CS5断面右侧流速分布均匀。同样，水流流经第二个弯道时，断面流速明显较原设计方案分布均匀，暗埋段也能均匀进流。由于暗埋段向上游平移了5m，避免了出孔水流马上遇到弯道，对调整水流也起到了明显的作用，第三个弯道前后各断面流速分布也较均匀。由于该方案将三个弯道均改为圆弧段连接，减小了局部水流阻力，水流下泄明显畅顺，断面流速分布也趋于均匀，水位壅高相对原设计方案有所减小。上游来流量较大（Q=18m3/s）、下游水位较低（Z=0.76m）时，1#水位测针位置较改道前壅高0.09m，2#水位测针位置较改道前壅高0.04m，3号水位测针位置较改道前壅高0.05m。大多数工况下水位壅高在0.01m～0.03m之间。对原河涌影响较小。72 4.3方案比较及推荐改道方案比较各工况试验测得的流速可以发现，CS1断面上游现有交通桥的桥墩对下游流态的影响明显存在于各种方案中，造成桥墩下游附近河道左侧断面存在小范围回流区，影响CS4、CS5断面的流速分布。南便涌的达标整治时应对该桥进行改造。比较原设计改道方案及修改方案，撇开现有桥墩对下游流态的影响，沿程各断面流速分布显示修改方案断面流速较原设计方案均匀。比较两方案对河涌改道段上游造成的水位壅高情况，从表2可以看出，修改方案造成的壅高33值明显小于原设计方案的壅高值，除在较大流量（Q=18.0m/s、Q=16.5m/s）、较低水位（Z=0.76m）时分别达到0.09m和0.07m外，其他各种工况的上游水位较改道前的壅高值均不超过0.05m，大多数情况为0.01m～0.03m。从两种方案改移后的新河涌水位情况来看，由于修改方案情况下水流下泄顺畅，故沿程水位也相对原设计方案较低，部分组词试验水位比较见表2。表2不同方案新建河涌段水位值比较珠基，m水位原设计改道方案修改改道方案修改方案-原设计方案流量测点0.76m1.20m2.00m0.76m1.20m2.00m0.76m1.20m2.00m4#1.251.462.061.241.442.05-0.01-0.02-0.015#1.221.432.041.201.412.04-0.02-0.020.00Q=15.06#1.191.402.041.181.392.03-0.01-0.01-0.013m/s7#1.141.372.021.131.372.01-0.010.00-0.018#1.021.312.011.021.312.010.000.000.004#1.371.542.111.341.532.09-0.03-0.01-0.025#1.331.522.101.311.512.07-0.02-0.01-0.03Q=18.06#1.291.492.081.291.492.060.000.00-0.023m/s7#1.221.452.031.221.432.030.00-0.020.008#1.101.362.021.091.362.02-0.010.000.00综合比较不同方案的试验数据显示，除现有建筑物对河涌水流流态造成的影响之外，修改方案新建河涌对原河涌造成的影响较原设计方案小，沿程断面流速分布较均匀，造成上游的水位壅高值较小，故把修改改道方案作为推荐方案。5防洪影响综合评价河涌是洪水、雨水的主要排放通道，集防洪排涝于一身，所以设计排涝标准与防洪标准之间应尽量一致，确定排涝标准为20年一遇、24小时暴雨不成灾（老城区受客观条件所限制，近期为10年一遇）。根据模型试验研究结果显示，推荐的河涌改道方案，由于人为增加了河涌长度和弯道，对河道的行洪造成了一定的影响，导致上游水位壅高，但水位壅高并不明显，在上游来流量最大、下游水位最低时，改道后相对工程前上游水位壅高最大值为0.09m（各种工况上游水位壅高值比较见表3），一般情况水位壅高值在0.01m～0.03m之间，可以认为河涌改道对行洪影响不大。现南便涌闸运用的限制条件一般为：当下游外江水位大于1.20m时，南便涌闸关闸挡外江水，停止泄洪，此时，流域的暴雨洪水靠河涌的容积调蓄，因此，河涌容积的变化也是影响南便涌防洪、排涝的因素之一。实际运用时，尤其河涌达标后，即使外江水位超过1.2m，只要通过河涌调节后，涌内水位比外江水位高，也需要开闸排洪。通过计算比较可以发现，南便涌改73 表3推荐方案各种工况上游水位壅高值比较单位：m下游水位推荐改道方案流量Z=0.76mZ=1.20mZ=2.00m1#0.020.020.013Q=10.0m/s2#0.020.020.013#0.020.02.011#0.040.020.013Q=13.5m/s2#0.020.020.013#0.030.020.011#0.050.020.013Q=15.0m/s2#0.020.030.013#0.040.030.011#0.070.030.013Q=16.5m/s2#0.030.030.013#0.050.040.011#0.090.030.023Q=18.0m/s2#0.040.030.013#0.050.040.01道段原河涌长度约为122.5m，改道后该段长度约为224m，增加的河涌长度约为101.5m，改道段新河涌长度是原河涌的1.83倍，河涌容积量也较工程前大，不同水位改道段河涌工程前后河涌容积量比较见表4。3表4改道段河涌工程前后容积量比较单位：m水位0.76m1.20m1.30m1.50m2.00m2.10m工程前1820.42424.52566.12795.03600.93755.6工程后2732.13649.83858.44275.55318.35526.8增加百分比50.08%50.54%50.36%52.97%47.69%47.16%不同水位改道段河涌工程前后河涌容积量比较见图4：以上图表显示，该段河)60003涌改道前后河涌容积量变化(m5000较大，工程后改道河涌容积改道前容积量推荐方案改道后量较工程前平均增加约50%，4000这对于防洪、排涝是有利的。3000由于是河涌改道，待改2000道河涌修建完成后再封闭原河涌相应段，因此工程施工1000期间不存在施工时占用河道0问题。改道工程应选在枯水00.511.522.5水位(m)季节施工，设计施工时应充图4工程前后改道段河涌容积量变化比较分结合海珠区江河流域（区域）综合整治规划，根据规划要求，改道河涌两岸堤围的设计、施工均要求达到抵御20年一遇洪水的要求。同时，由于是新开河道，河床也应达到规划的清淤要求，因此，南便涌改道工程与市政总体规划并不矛盾，反而是提前完成了南便涌部分河段的达标加固改建。74 6结论根据河道管理范围内建设项目管理的有关规定，通过现场调研、资料收集和南便涌集水区域的水文分析计算，利用南便涌改道物理模型试验，测量工程前后河涌水位、流速的沿程变化，提出了经修改优化后的推荐改道方案，得到以下结论：模型试验通过多种方案的比较试验，最后选择的推荐方案对原河涌造成的影响较原设计方案小，沿程断面流速分布较均匀，造成上游的水位壅高值较小。推荐的河涌改道方案，由于人为增加了河涌长度和弯道，对河道的行洪造成了一定的影响，导致上游水位壅高，但水位壅高并不明显，在上游来流量最大、下游水位最低时，改道后相对工程前上游水位壅高最大值为0.09m，一般情况水位壅高值在0.01m～0.03m之间，可以认为对南便涌防洪、排涝的影响不大。通过计算比较显示，南便涌改道段原河涌长度约为122.5m，改道后该段长度约为224m，增加的河涌长度约为101.5m，改道段新河涌长度是原河涌的1.83倍，不同水位河涌容积量也较工程前平均增加约50%，这对于防洪、排涝是有利的。改道工程在设计施工时应充分结合海珠区江河流域（区域）综合整治规划，根据规划要求，改道河涌两岸堤围的设计、施工均要求达到抵御20年一遇洪水的要求，同时，河床也应达到规划的清淤要求。施工时应选择枯水季节，同时应在新建河涌修建完成后再封闭原河涌相应段，从而避免施工期占用河道问题。75