祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究

'：密级ＴＶ２２每；—中图分类号本校编号：—ＵＤＣ：．｛乂＃Ｉ．續如遠工程硕±学位论文Ａ子＾日．祖房河干流芬家湾至黑城子段防洪治理王程研究伟学号Ｇ１２１０６：＿名＿研究生姓：王爱学校指导麵齡：季曰臣职称；—￣－：冉统罕职称—企业指导教师姓名：建筑与上木工趕申请学位：ｒ程賴名称；２０１５．１２．２０１５１；．卫＿．１论文答辩日期论文提交日期： 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研，除了文中特别加臥标注和致谢之处外究成果，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得聲州巧捕大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献巧已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名表７签字日期年／衣月日拜＜少咬学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了稱兰如杏通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权兰饥巧通大学可从将学位论文的全部或部分内容编入有关数据店进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编供查阅和借闽。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁思。学位（保密论的学位论文在解密后适用本授权说明）签文作者签名：寺如苗导师签名：＞字日期如年八月日签字日期：１？＜巧＇之月日 工程硕士学位论文祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究StudyontheFloodControlEngineeringforSujiawan-HeichengziSectionoftheMainStreamofZuliRiver作者姓名：王爱伟工程领域：建筑与土木工程学号：G12106校内导师：季日臣企业导师：冉统军完成日期：2015.12兰州交通大学LanzhouJiaotongUniversity 兰州交通大学工程硕士学位论文摘要祖厉河为黄河上游一级支流，流域位于甘肃中部，东接宁夏回族自治区，南邻定西市的通渭县，西与兰州市的榆中县毗邻，介于东经104°12′--105°30′，北纬35°17′2--36°34′之间，流域面10653km，祖厉河自南向北纵向流贯会宁全境后，流经靖远县大芦、乌兰两乡镇，于靖远县西滩村河口（西闇门）汇入黄河，干流全长224km。本次治理河段于河流中下游的大芦乡境内，共布置12段，治理河段长21.419km，新建堤防10.429km，其中护坡1.405km，护岸9.024km，保护人口0.95万人，耕地0.813万亩。在保证该段河道行洪宽度的前提下，采取经济合理的工程措施，使治理河段形成具有一定规模的防洪体系，提高整体防洪能力，降低此段河道的冲刷、塌岸破坏和土地淹没损失，减少水土流失，减轻沿岸村镇和耕地在设计洪水标准下的灾害损失。论文依据祖厉河流域三个水文站水文资料，以及堤防工程地址处的地形地貌，对工程处祖厉河河道现状及存在的问题进行分析，并进行河道演变及河相分析计算，对堤防护岸方案进行技术经济比选，通过相关的计算，确定堤防工程的相关技术参数。主要研究内容如下：1.依据祖厉河流域现有水文站的水文资料，进行水文分析；2.依据水文分析成果，进行河床稳定计算，确定造床流量、进行稳定河宽计算进而确定治导线以及堤距；3.依据水文、气象、地质资料结合工程区实际地形地貌，选定河道治理方案暨进行堤防方案比选；4.计算确定堤防建筑物相关技术参数；5.对工程建成后发挥的社会、经济效益进行评价。关键词：祖厉河；水文分析；堤防工程设计；工程经济评价论文类型：工程设计I 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究AbstractZuliRiveristheupperreachesoftheYellowRiverisatributaryofthe,basin,GansuProvinceislocatedinthecentral,EastmeetstheNingxiaHuiAutonomousRegion,SouthsetinTongweiCounty,YuzhongCounty,LanzhouWestandadjacentto,betweeneastlongitude104degrees12"--105degrees30",northlatitude35degrees17"-36degrees34"between,the2area10653km.ZuliRiverfromsouthtoNorthnorth-souththroughouttheHuining,flowsthroughtheJingyuanDaLu,UlantwoXiang,JingyuanCounty,WesttrapdooremptiesintotheYellowRiver,streamlength,224km.TheGovernancesectioninthemiddleandlowerreachesoftheriverinDaluTownship,theterritory,werearranged12segments,administerssegmentlength21.419kmandnewembankment10.429km,theslope1.405km,revetment9.024km,protect0.95millionpopulation,cultivatedland0.813millionmu.Underthepreconditionofensuringthewidthoftheriverflood,takeeconomicandreasonableengineeringmeasures,makegovernanceriverformedwithacertainscaleoffloodcontrolsystem,improvetheoverallcapacityoffloodcontrol,reducetherivererosion,collapseofbankfailureandlandinundationloss,reducesoilerosion,reducethecoastalvillagesandtownsandfarmlandunderthestandardofdesignflooddisasterloss.AccordingtotheZuliRiverBasininthethreehydrologicalstationhydrologicaldata,andleveeengineeringaddresstopography,engineeringZulirivercurrentsituationandexistingproblemsofanalysis,andtheevolutionofriversandriverfaciesanalysiscalculationofLeveeRevetmentschemeoftechnicalandeconomiccomparison,throughcalculatingthecorrelationtodeterminethetechnicalparametersrelatedtodikeengineering.Themainresearchcontentsareasfollows:1accordingtothehydrologicaldataoftheexistinghydrologicalstationsintheriverbasin,thehydrologicalanalysisiscarriedout;2accordingtotheresultsofhydrologicalanalysis,theriverbedstabilityiscalculated,andthecalculationofthebedflow,thestabilityoftheriverandthedeterminationofthetreatmentoftheleadandthedistanceofthebank;3accordingtotheactualtopographyandgeomorphologyofthehydrological,meteorologicalandgeologicaldata,therivermanagementschemeandtheselectionoftheschemeareselected;4Calculationofthetechnicalparametersoftheembankmentbuilding;5evaluationofsocialandeconomicbenefitsafterthecompletionoftheproject.Keywords:ZuLiRiver;hydrologicalanalysis;embankmentengineeringdesign;engineeringeconomicevaluationPapertype:engineeringdesignII 兰州交通大学工程硕士学位论文目录摘要.....................................................................................................................................IAbstract.....................................................................................................................................II1绪论........................................................................................................................................11.1全国中小河流治理情况............................................................................................11.2工程概况....................................................................................................................11.3本文研究的问题........................................................................................................22水文分析................................................................................................................................32.1流域概况....................................................................................................................32.2气象.............................................................................................................................42.3径流.............................................................................................................................52.3.1水文站及基本资料情况................................................................................52.3.2径流计算........................................................................................................72.4洪水.............................................................................................................................72.4.1洪水特性........................................................................................................72.4.2历史洪水........................................................................................................72.4.3历史洪水重现期确定....................................................................................82.4.4设计洪水计算................................................................................................82.4.5设计洪水成果的合理性分析........................................................................92.4.6施工洪水......................................................................................................132.5泥沙...........................................................................................................................132.6冰情..........................................................................................................................142.7工程断面水位～流量关系......................................................................................153工程任务和规模..................................................................................................................193.1区域社会经济...........................................................................................................193.1.1自然条件.......................................................................................................193.1.2社会经济.......................................................................................................193.2河道现状及存在的主要问题...................................................................................193.2.1河道现状.......................................................................................................193.2.2存在的主要问题...........................................................................................203.3工程建设的必要性...................................................................................................223.3.1防洪减灾的需要...........................................................................................22III 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究3.3.2减少水土流失的需要...................................................................................223.3.3完善河道防洪体系的需要...........................................................................233.3.4本地区社会经济发展的需要.......................................................................233.4河道防洪规划概况...................................................................................................233.4.1防洪规划原则...............................................................................................233.4.2防洪规划要求...............................................................................................243.5河道演变及河相分析...............................................................................................243.5.1河床稳定计算...............................................................................................243.5.2造床流量及稳定河宽的确定.......................................................................263.6工程任务和规模.......................................................................................................273.6.1工程建设任务...............................................................................................273.6.2工程规模.......................................................................................................274工程布置及建筑物..............................................................................................................284.1设计依据...................................................................................................................284.1.1工程等别及建筑物级别...............................................................................284.1.2设计依据及基本资料...................................................................................284.1.3设计基本参数...............................................................................................284.2工程总体布置...........................................................................................................294.2.1堤线布置原则...............................................................................................294.2.2堤线布置.......................................................................................................304.3主要建筑物设计.......................................................................................................304.3.1堤防设计原则...............................................................................................304.3.2堤防护岸方案比选.......................................................................................314.3.4堤防工程设计...............................................................................................465经济评价..............................................................................................................................525.1工程概况...................................................................................................................525.2费用计算...................................................................................................................535.3效益计算...................................................................................................................535.3.1洪灾损失调查分析.......................................................................................535.3.2防洪效益分析计算.......................................................................................545.3.3排涝效益分析计算.......................................................................................555.3.4社会效益分析...............................................................................................55IV 兰州交通大学工程硕士学位论文5.3.5总效益...........................................................................................................565.4国民经济评价...........................................................................................................565.5国民经济评价结论...................................................................................................56结论..................................................................................................................................60致谢..................................................................................................................................62参考文献............................................................................................................................63V 兰州交通大学工程硕士学位论文1绪论1.1全国中小河流治理情况我国幅员辽阔，水系发达，径流密布，由于人为活动影响河流综合治理早就是我们所不能忽视的课题。目前来说，我国在治理主要江河流域方面取得成效明显，而对中小河流流域治理有所忽视，致使洪涝灾害频发，对河流沿线的耕地及人口造成极大威胁。就中小河流治理工作国家层面也高度重视，国务院常务会议多次研究中小河流治理问题，制定出台了《关于切实加强中小河流治理和山洪地质灾害防治的若干意见》，2011年中央1号文件和中央水利工作会议中对中小河流治理工作作出了重要部署。中小河流治理是完善防洪减灾体系的迫切需要，成为保障和改善民生的必然要求。通过中小河流综合治理，让水利事业真正的惠泽民生，造福全民。“十二五”期间，我国将完成对5000多条中小河流重点河段的综合治理任务，包含8000多个项目，总共治理的河长多达6万多公里。1.2工程概况祖厉河干流靖远县苏家湾至黑城子段河道防洪建设任务是：在保证该段河道行洪宽度的前提下，采取经济合理的工程措施，使治理河段形成具有一定规模的防洪体系，提高整体防洪能力，降低此段河道的冲刷、塌岸破坏和土地淹没损失，减少水土流失，减轻沿岸村镇和耕地在设计洪水标准下的灾害损失。本次祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程位于甘肃省白银市靖远县城以南的祖厉河干流大芦乡境内。本次治理工程在该段共布置12段，治理河段长21.419km，新建堤防10.429km，其中护坡1.405km，护脚9.024km。0.95万人，耕地0.813万亩。（1）仰斜式护脚设计仰斜式护脚全断面使用C15细粒砼砌块石，其中：迎水面边坡为1:0.5，背水面边坡1:0.3，护脚顶部宽度0.5m，底宽2.38m～3.12m，堤脚设齿齿高1m，齿顶宽1m，防洪堤每10m设1道伸缩缝，采用聚乙烯闭孔泡沫塑料板和聚氯乙烯胶泥填缝，缝宽3cm。仰斜式护岸顶部使用细粒砼砌石封闭，厚度30cm，并深入坎基30～50cm，仰斜式挡墙应贴近岸坎，尽量少清坡和不清坡，避免大的开挖和夯填，对于挡墙与岸坎的较小间隔使用砂砾石填筑，施工中应边填筑边砌筑的方式进行，填筑标准相对密度不应小于0.60。（2）贴坡式护岸设计贴坡式护岸全断面使用现浇C15砼，有腐蚀性地表水及地下水时使用同标号的抗酸砼，护岸衬砌厚度：顶部15cm，底部25cm。堤线紧贴自然岸坡设置，堤身就近使用河1 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究床开挖的碎石土、砂砾石进行填筑，严格按照相关技术规范要求进行堤身填筑，填筑材料相对密度不应小于0.60。根据填筑材料特性确定，迎水面边坡为1:1.5，背水面边坡为1:1.25。防洪堤每5m设1道横向伸缩缝，采用聚乙烯闭孔泡沫塑料板和聚氯乙烯胶泥填缝。当河道天然岸坡比较平缓时，贴坡式护岸堤顶比岸坡顶高时，为了满足方便施工，此时堤顶需做压顶、填筑宽3m的堤顶道路，堤顶路向临水侧放坡3%。1.3本文研究的问题本文主要研究的问题：1.依据现有祖厉河上的会宁水文站、郭城水文站、靖远水文站数据对治理治理河段进行水文分析；2.依据水文分析结果，选定河段造床流量及计算稳定河宽，从而确定治理河宽；3.通过标准断面的选择和依据天然河床水面线的推算结果，进行水面线计算；4.通过地质资料及洪水资料确定堤防的冲刷深度、通过气象资料确定风浪爬高，最终确定堤防的设计高度；对堤防设计方案比选；5.工程建成后的发挥的社会经济效益进行评价。2 兰州交通大学工程硕士学位论文2水文分析2.1流域概况祖厉河是黄河的一级支流，流域全长224km，自南向北流经会宁、靖远两县，流域2总面积1.06万km。流域向东一直延伸至宁夏回族自治区境内，向西至定西境内。入黄33口靖远水文站多年平均流量3.56m/s，年径流量1.12亿m，6～9月径流量占全年77%以上，多年平均年输沙量0.51亿t。祖厉河发源于会宁县华家岭北侧,水源有二：南源厉河属淡水，发源于华家岭北麓，流经中川、丁沟、新添、桃花山等乡镇。东源祖河是苦水,发源于党岘乡砖井村，向北、向西流经党岘、太平、翟所、桃花山等乡镇，祖河和厉河在会宁县城南汇合后，始称祖厉河，在会宁县城南汇合后，北偏西流，向北流经城关、柴门、甘沟、河畔、郭城等乡镇，从腰井进入靖远境内，流经大芦、小芦，在靖远县城西两公里处注入黄河。祖厉河流域大部分属会宁县境内，会宁地处西北黄土高原和青藏高原交接地带，整个地势由东南向西北倾斜，梁峁起伏、沟壑纵横。全县以祖厉河为基干，分布树枝状沟壑，遍布“V”形深谷。总体南高北低，东北角、中西部有海拔2200m的山塬和峰峦。南部、中部为山地，多属黄土堆积侵蚀长梁、梁峁地貌；北部多为川、塬地，为梁峁顶面残塬和河流切割成的沟谷地阶地貌。流域涉及的行政区域包括会宁县、定西县、靖远县以及宁夏的少部分地区，其中会宁县占绝大部分。根据流域地理状况，将祖厉河分上、中、下游三区。会宁县以南为上游，属土石中山，年降水量385mm以上，植被较好。厉河矿化度小于3g/L。会宁县至郭城驿站间为中游，属黄土梁峁沟壑地形，植被差，河流切割至黄土层下的第三纪红层后，矿化度增高。沿途纳入西巩河、甘沟河、土木岘河及关川河等支流，因矿化度大于3g/L，难以利用。郭城驿站以北为下游，地势低平，河床宽浅，年降水量300mm以下，几乎无支流汇入，矿化度大于10g/L，人畜不能饮用，故称苦水河。祖厉河流域沿河两岸经济基本以农、牧业为主，流域内有已建成的大型提黄电灌工程-靖会工程已解决了当地部分农业灌溉和人畜饮水问题。祖厉河干流汇入的支流主要有苦水河与关川河。支流水量较贫小，多年平均径流量不足1.0亿m3。支流上筑有米家峡、新窑、芦岔沟等小型水库8座，灌溉会宁城南、北的农田。祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程位于甘肃省白银市靖远县城以南的祖厉河干流上。本次治理工程在该段共布置12段，新建堤防长约10.43km。祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程位置示意图见图2.1。3 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究图2.1工程布置图2.2气象祖厉河属黄河一级支流，流域地处大陆腹地、陇西黄土高原内部，地势大体是东南高西北低，海拔多在1500～2400m之间，由于河流的长期切割，中部和南部多黄土梁，北部有百草塬（为陇西最大的黄土塬），沟壑多、植被覆盖度差、水土流失较大。属温带半干旱气候，流域气候特点是蒸发量大，多年平均情况达到1600mm以上，太阳辐射强，空气干燥，气象要素变差大。流域内干旱少雨，且年内分配不均，洪枯相差悬殊，而且上下游差异也很大。祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程主要涉及行政区域为靖远县大芦乡，靖远县多年平均降雨量为229.6mm，5～9月降水量占全年的82%，多年平均气温9.2℃，年内七月份平均温度最高，达22.5℃，极端最高气温达39.5℃，极端最低气温为-24.3℃，年日照时数为2709小时，最大积雪深度10cm，最大冻土深度86cm，境内4 兰州交通大学工程硕士学位论文水资源十分贫乏，属于干旱地区。常年平均风速1.2m/s，最大风速可达到19.3m/s，由于流域的地理位置和地形的影响，风向最多为西北风，详细资料见靖远县气象站气象要素统计表2.1。流域内降水年内分配不均，主要集中在5、6、7、8、9五个月，且多以暴雨形式出现，春旱连伏旱灾害经常发生，自然条件恶劣，对农业生产影响很大。流域自上而下气象要素变化明显，上游山区植被相对较好，至下游全部为黄土覆盖，气温呈增加态势，降水量呈现较大递减趋势，上游会宁地区多年平均降雨量为385.6mm，而下游靖远多年平均降雨量为229.6mm。2.3径流2.3.1水文站及基本资料情况祖厉河自上而下上设有基本水文站3个，分别是会宁水文站、郭城驿水文站、靖远水文站。用以观测流量、水位、水温、冰清、含沙量、悬移质输沙率等，各站运行至今控制条件良好，均使用冻结基面高程，用流速仪实测流量。水文站水位资料观测连续完整，洪峰流量测验无漏峰漏谷现象，水文观测资料符合行业规范要求。整编刊印成果质量较好，刊印成果均直接采用。祖厉河防洪治理工程主要在会宁、靖远境内，因此祖厉河干流上会宁水文站、郭城驿水文站、靖远水文站三站是防洪治理工程河段水文分析和洪水计算的主要依据站。祖厉河干流主要水文站一览表见2.2表2.2祖厉河干流主要水文站一览表至河口距离F站名建站日期观测项目2（km）（km）水位、流量、17110411957年1月悬移质输沙率、会宁水文站1993年1月上迁至会176990含沙量、水宁县桃花山乡城关村温、冰情郭城驿水文站8354731957年1月同上靖远水文站3.8106471954年6月同上会宁站处于最上游，设于1957年，地处会宁县柴门乡北十里铺，东经105°00′，5 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究表2.1靖远县多年平均气象要素统计表（1971～2008年）项目单位一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月全年平均气温℃-6.7-24.711.716.720.522.521.2169.41.6-5.19.2平均最高气温℃0.54.912.219.323.827.829.527.722.616.68.11.316.2平均最低气温℃-13.7-9.4-1.54.89.613.116.415.410.33.5-3.7-11.5-13.7极端最高气温℃11.118.827.534.134.53639.536.534.327.322.19.439.5极端最低气温℃-23.8-22.7-13.3-6.3-1.64.98.76.7-0.2-9.8-13.9-24.3-24.3平均相对湿度%58535046515762667068656359最小相对湿度%953058910101110150晴天日数天12.37.54.34.23.93.35.67.55.68.712.915.391.1阴天日数天2.94.99.58.68.68.68.77.78.77.32.71.679.9降水量mm1.82.35.411.628.631.14652.530.716.82.10.8229.6最大日降水量mm6.55.112.517.841.56553.941.12818.38.4365蒸发量mm29.449.5123.4206.4246.6248.2247.4210.9133.991.645.124.71657.1平均风速m/s0.611.51.81.61.51.41.21.10.90.70.51.2最大风速m/s1112.31617.319.317.313.71413.712121119.3地面平均温度℃-6.8-1.17.315.721.926.42825.719.311.42.1-5.412极端最高地面温度℃2436.151.969.465.368.569.467.560.949.237.82369.4极端最低地面温度℃-26.9-28.1-21.9-13.4-8.1-0.34.32.6-4.5-16-18.4-32.2-32.2日照时数h201.5199.9220.1234.3261.9257.2257.1251.5204.5208.7208.1204.12709.1最大积雪深度cm810763000013810最大冻土深度cm83868150000092566866 兰州交通大学工程硕士学位论文2北纬35°43′，流域面积1041km。1993年1月，会宁水文站上迁至会宁县桃花2山乡城关村，东经105°03′，北纬35°41′，流域面积990km。流域面积减2少51km，面积减小小于5%，两站之间仅有一条小支沟汇入，迁站年份两站没有同期观测水文资料，无法建立相关关系进行修正，因此本次统一采用柴门乡北十里铺站址。郭城驿站处于流域中游，1957年设站，处于会宁县郭城驿乡郭城驿，2东经104°53′，北纬36°13′，流域面积5473km。靖远站处于祖厉河入黄口，设于1945年6月，处于靖远县乌兰乡阛门村，东经104°40′，北纬36°33′，2流域面积10647km。收集到祖厉河会宁水文站、郭城驿水文站1957～2010年实测年径流系列资料，靖远水文站1955～2010年年径流系列，各水文站资料由甘肃省水资源勘测局整编刊布，资料精度高。2.3.2径流计算3根据会宁站水文资料计算，会宁站多年平均流量0.43m/s，多年平均径流量3330.14亿m。郭城驿站多年平均流量1.78m/s，多年平均径流量0.56亿m。靖远33站多年平均流量3.56m/s，多年平均径流量1.12亿m。2.4洪水2.4.1洪水特性祖厉河流域地处大陆腹地，属温带半干旱气候，河流的洪水特性与暴雨特性、流域下垫面关系密切。洪水多由暴雨形成，主汛期为6～9月，中游郭城驿站有支流关川河汇入，致使上下游洪水差异大，在洪水分析计算时加以考虑。2.4.2历史洪水根据《甘肃省洪水调查资料》记录，会宁水文站附近调查有1945年、1954年和1959年共三次历史洪水，调查时间为1972年。1954年和1959年洪水洪峰33流量分别为2050m/s和1710m/s，1945洪水无量值记载，但与1959年洪水同级。根据郭城驿水文站附近河段调查，近60～100年中发生过三次较大洪水，按大小顺序排列为：1915年、1954年和1959年，其中1915年洪水，郭城大队十多位老人一致认为最大，但因为河床变化较大，未测算流量。1954年和1959年33洪水洪峰流量分别为1770m/s和1230m/s。靖远水文站河段共做过三次查访，调查到的洪水年份有1919年、1954年、1955年、1959年。以1959年最大，并有实测资料，1919年流量小，未测算流33量。1954年、1955年和1959年洪水洪峰流量分别为1290m/s、1240m/s和7 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究31910m/s。2.4.3历史洪水重现期确定会宁站调查记录：“被访者6人，年龄30～75岁，被访者一致认为1959年洪水较小，1954年洪水最大。75岁老人张德名和张士燕均认为1954年农历七月十八日洪水峰高量大，且历时长”。会宁站、郭城驿站、靖远站是同一条河上下水文站，水文总站组织人员与1972年调查时，三个站都对1954年发生洪水有反映，三个站受访者都认为1954年洪水最大。郭城驿站、靖远站受访者提到在民国八、九年间发过一次洪水（由于调查河段变化较大，没有洪峰流量成果），一致认为水没有入初级社（1954年）那年大。会宁站1954年调查洪水重现期参考《甘肃省洪水调查资料》第三册资料记录中祖厉河郭城驿站、祖厉河靖远站洪水调查时访问记录确定。综合考虑被访者说法，本次1954年洪水重现期按110年处理。郭城驿站调查记录：“调查时间1972年，被访者2人，年龄38～67岁，据调查，近60～100年中发生过三次较大洪水，按大小顺序排列为：1915年、1954年和1959年，其中1915年洪水，郭城大队十多位老人一致认为最大，但因为河床变化较大，未测算流量。”1954年和1959年洪水洪峰流量分别为331770m/s和1230m/s。故以1954年洪水为近百余年最大的洪水，因此，本次综合分析确定1954年洪水重现期为110年处理。根据靖远站调查记录：“调查时间1972年，被访者3人，年龄70～78岁，被访者一致认为1959年洪水最大，为靖远站近百年来最大洪水。”1959年洪水来源于中上游，会宁站则是近百年的第二位洪水，小于1954年洪水。本次分析确定1959年洪水重现期按110年处理”。2.4.4设计洪水计算设计洪水频率计算统计参数的确定，必须考虑祖厉河上下游水文站的地区变化规律，尽量照顾点群的趋势，对考证期的特大洪水要具体分析，不宜机械的通过特大洪水点据，而使曲线脱离点群，也不能因照顾点群趋势使曲线离开特大洪水点据过远，而应在特大洪水的误差范围内调整。根据以上原则对祖厉河上下游站的最大洪峰流量系列进行适线，计算不同频率洪峰流量。采用水文站实测年最大洪峰流量系列，并加入各站历史洪水调查资料进行频率分析计算，得各站设计洪峰流量成果。祖厉河会宁水文站收集到1957～2010年共54年实测最大洪峰流量系列，1954年洪水为调查历史洪水，将1954年洪水作为特大值处理，重现期按110年处理，考虑祖厉河上下游水文站的地区变化规律，通过频率分析计算得Qm=2908 兰州交通大学工程硕士学位论文3m/s、Cv=1.0、Cs/Cv=3.5。祖厉河会宁水文站洪峰流量频率曲线见图2.2。祖厉河郭城驿水文站收集到1957～2010年共54年实测洪峰流量系列资料，加入调查洪水1954年，将1954年洪水作为特大值处理，重现期按110年处理。3通过频率分析计算得Qm=420m/s、Cv=0.78、Cs/Cv=3.5。祖厉河郭城驿水文站洪峰流量频率曲线见图2.3。祖厉河靖远水文站收集到1957～2010年共54年实测洪峰流量系列，加入调查1954、1955年洪水，1959年洪水从连续实测系列提取作为特大值处理，重现3期按110年处理。通过频率分析计算得Qm=490m/s、Cv=0.72、Cs/Cv=3.5。祖厉河靖远水文站洪峰流量频率曲线见图2.4。祖厉河干流防洪治理苏家湾至黑城子河段主要工程断面设计洪水值通过控制站设计洪水按流域面积双对数内插求得，设计洪水成果见表2.4。2.4.5设计洪水成果的合理性分析祖厉河会宁站、郭城驿站、靖远站的设计洪水参数随着流域面积的增加，自上游至下游洪峰流量均值不断加大，而洪峰流量模数则由上游向下游递减，符合一般规律。其中会宁站适线结果与特大值点相距较远，原因是考虑了祖厉河上下游水文站的地区变化规律，将上下游站最大洪峰流量的频率曲线绘在一起，下游站的频率曲线高于上游站，从而最终确定统计参数，否则当会宁站Cv值变大、重现期变化时上下游出现矛盾，最后全局考虑确定统计参数。三站从上游至下游满足变差系数Cv自上游向下游减小，从会宁站到郭城驿站递减幅度较大，而从郭城驿站到靖远站则略有减小，这与祖厉河流域暴雨分布、河流水力特性、以及支流的汇入均有关系。经上述分析，本次祖厉河流域会宁站、郭城驿站、靖远站所分析的洪峰流量设计参数，符合地区规律，设计成果是合理的。表2.3治理河段设计洪水成果表3F统计参数不同频率设计值(m/s)断面均值23(km)(m/sCvCs/Cv2%3.33%5%10%20%50%)郭城驿站54734200.783.5144012401080820575296大芦湾100074830.723.5155013501190920662356靖远站106474900.723.51567136212009306713629 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究1000010002001005020105重现期（）51020501005002000100005000黄河流域祖厉河水系4500会宁站洪峰流量频率曲线4000均值CvCs/Cv290.001.0003.50N=110a=135003n=54l=0(m/s)30002500洪峰流量20001500100050000.010.10.20.512510203040506070809095989999.899.9599.99频率Ｐ（％）图2-4-1会宁站洪峰流量频率曲线图2.2会宁站洪峰流量频率曲线10 兰州交通大学工程硕士学位论文1000010002001005020105重现期（）51020501005002000100005000黄河流域祖厉河水系4500郭城驿站洪峰流量频率曲线4000均值CvCs/Cv420.000.7803.50N=110a=13500n=54l=03(m/s)30002500洪峰流量20001500100050000.010.10.20.512510203040506070809095989999.899.9599.99频率Ｐ（％）图2-4-2郭城驿站洪峰流量频率曲线图2.3郭城驿站洪峰流量频率曲线11 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究1000010002001005020105重现期（）51020501005002000100005000黄河流域祖厉河水系4500靖远站洪峰流量频率曲线4000均值CvCs/Cv490.000.7203.50N=110a=13500n=54l=13(m/s)30002500洪峰流量20001500100050000.010.10.20.512510203040506070809095989999.899.9599.99频率Ｐ（％）图2-4-3靖远站洪峰流量频率曲线图2.4靖远站洪峰流量频率曲线12 兰州交通大学工程硕士学位论文2.4.6施工洪水根据施工组织设计的要求，需要提出治理河道断面分期施工洪水成果。根据祖厉河上中下游会宁站、郭城驿站、靖远站54年连续长系列实测资料统计分析，祖厉河最大洪峰流量发生在6～9月份。根据祖厉河流域的水文特性和年内变化情况，可大致分为10～次年5月为非汛期，主汛期为6～9月。主汛期设计洪水采用上述年最大值设计洪水成果。非汛期洪水计算通过、会宁站、郭城驿站、靖远站54年实测资料逐月按跨期五天选取最大值，使用时不再跨期，用10月至次年5月统计月最大流量进行频率计算，采用经验频率适线，分别计算三个控制站会宁站、郭城驿站、靖远站非汛期施工洪水，治理河段各主要工程断面非汛期施工洪水结果通过控制面积双对数内插法计算，见表2.4。表2.4主要工程断面非汛期（10～次年5月）施工洪水成果表3F统计参数不同频率设计值(m/s)断面2均值(km)3CvCs/Cv2%3.33%5%10%20%(m/s)郭城驿站5473501.33.526021017011058大芦湾10007551.263.528023018012066靖远站10647561.253.5369287190121672.5泥沙流域从现场踏勘情况看，祖厉河会宁站以南为上游，属土石山，年降水量385mm以上，植被相对较好，河段以上河长53.5km，干流平均坡度为66.5%。流域为圆形，支流四射，境内为黄土覆盖，属陇西黄土高原的一部分，地形破碎，多黄土梁和残塬，沟壑纵横，水土流失严重。会宁至郭城驿间为中游，属黄土梁峁沟壑地形，植被差，河流切割至黄土层下的第三纪红层后，干流平均坡度为25.5%。郭城驿以北为下游，地势低平，河床宽浅，年降水量229mm以下，干流平均坡度为19.4%，流域为方形，从上游至下游地形切割变缓。会宁水文站收集到1957～2010年共54年实测断面输沙率系列资料，计算得会宁站多年平均断面悬移质输沙量为414.5万t，推悬比取0.1，计算得多年平均总输沙量为456万t。郭城驿水文站收集到1957～2010年共54年实测断面输沙率系列资料，计算得郭城驿站多年平均断面悬移质输沙量为2553.6万t，推悬比取0.1，计算得多13 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究年平均总输沙量为2808.9万t。靖远水文站收集到1955～2010年共56年实测断面输沙率系列资料，计算得靖远站多年平均断面悬移质输沙量为4657.39万t，推悬比取0.1，计算得多年平均总输沙量为5123.1万t。推移质输沙量多集中在汛期的几个月，主要来自较大的洪水，由于汛期暴雨洪水集中，侵蚀强烈，非汛期由于降水少、流量小的关系，输沙量很小，因此推移质的输沙主要在5～9月份，推移质输沙量按6～9月份悬移质所占比例分配到各月，各月份悬移质输沙量和推移质输沙量之和为总输沙量。3根据会宁站1957～2010年含沙量资料，含沙量最大为1180kg/m，最小为30.00kg/m。3根据郭城驿站1957～2010年含沙量资料，含沙量最大为1070kg/m，最小为30.00kg/m。3根据靖远站1955～2010年含沙量资料，含沙量最大为1120kg/m，最小为30.01kg/m。从上游至下游控制站均有泥沙观测资料，治理河道其余各工程断面输沙量可认为随流域面积的增长呈直线变化，因此，通过断面所控制的流域面积的关系，用面积线性内插来得到河道输沙量，见表2.5。2.6冰情祖厉河干流只有靖远水文站有部分冰情观测资料。据靖远站1970～1980年观测资料统计：开始结冰日期一般在11月中旬，最早结冰日期为10月16日，最晚结冰日期为11月27日；开始封冻日期一般在11月和12月，最早封冻日期为11月23日，最晚封冻日期为1月15日；解冻日期一般在2月中下旬；全部融冰日期为3月底或4月初。多年平均封冻58天，最长85天，最短30天；最大河心冰厚0.66m，最大岸边冰厚0.27m。表2.5主要工程断面多年平均输沙量月分配成果表(单位：万t)十一十二2断面F(km)一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月全年月月365.1051.198.郭城驿站54730.010.292849.595.2998.318.53.30.062808.9548142.645.1720.1880.316.大芦湾100070.10.4231.370.523.640.164836.748897149.685.1815.2005.333.靖远站106470.120.4431.873.424.34.10.175123.11346414 兰州交通大学工程硕士学位论文2.7工程断面水位～流量关系祖厉河防洪治理河段实测了河道纵横断面，根据实测横断面资料，依据实测资料计算河道比降、计算出各断面水位～面积关系，根据天然河道糙率表及河道特性选用糙率值在0.035～0.04之间，根据上下游水文站实测糙率比较，选用的糙率在实测范围之内，糙率随水位升高而逐渐减小的特点用水力学曼宁公式计算出水位～流量关系，经过分析比较，选用的糙率基本合理，断面水位～流量关系满足工程设计需要。祖厉河防洪治理苏家湾至黑城子河段主要工程断面水位流量关系曲线见图2.5～2.7。15 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究#黑城子右二2断面水位～流量关系曲线图2.7-114631462H（m）14611460145914581457145614551454145305001000150020002500300035003Q（m/s）图2.5黑城子右二2#断面水位～流量关系曲线16 兰州交通大学工程硕士学位论文#王家窑右一4断面水位～流量关系曲线图2.7-214221421H（m）142014191418141714161415141414131412050010001500200025003Q（m/s）图2.6王家窑右一4#断面水位～流量关系曲线17 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究#大卢湾村右一3断面水位～流量关系曲线图2.7-314791478H（m）147714761475147414731472147102004006008001000120014003Q（m/s）图2.7大芦村右一3#断面水位～流量关系曲线18 兰州交通大学工程硕士学位论文3工程任务和规模3.1区域社会经济3.1.1自然条件靖远县是一个典型的农业大县，地处黄河中上游，甘肃省中部，距省会兰州158km，2总土地面积5809.40km。黄河流径县境154km，临河岸线总长275.7km，属黄河流径甘3肃省最长的县份，年过境流量329.57亿m，地下水量0.17亿m3，以2009年为计算基3准年，全县年总用水量2.96亿m，其中农业灌溉用水量占总用水量的94.5%。境内海拔在1257—3017m之间，地势西高东低，沟壑纵横，梁峁相间，大致分为一河（黄河）、二塬（西塬、三场塬）、三山（哈思山、崛吴山、黄家洼山）、四川（南川、刘川、旱坪川、兴堡川）、五坪（独石、糜滩、河靖、中堡、寺儿湾），属典型的黄土高原丘陵沟壑区。年均降雨量240mm左右，年蒸发量高达1700mm，年均气温8.9℃，无霜期1652—180天，日照率为62％，属干旱季风性气候。全县水土流失面积5359km，占总土地2面积的92.2％，土壤平均侵蚀模数5418吨／km·年，自然植被稀少，森林覆盖率很低，属全省水土流失严重地区之一。干旱少雨，降水时空分布不均，自然灾害频繁，干旱尤为突出，是甘肃省18个干旱县之一。3.1.2社会经济靖远县全县辖18个乡镇，175个村民委员会，1183个村（居）民小组，总人口45.78万人，其中农业人口40.29万人。总耕地面积116.09万亩，农田有效灌溉面积60.06万亩，退耕还林面积20.19万亩，林果灌溉面积1.32万亩，年粮食产量19.04万吨，国民生产总值473430万元，其中农业160314万元，占33.86%；第二产业140076万元，占29.59%；第三产业173036万元，占36.55%。农村人均纯收入4108万元。农业收入主要依靠粮食、蔬菜、特色农产品种植以及养殖业。沿黄地区土地开发利用率高，高扬程地区川塬利用率较低。县域交通、电力、水利等基础设施建设水平较低。3.2河道现状及存在的主要问题3.2.1河道现状祖厉河流经靖远县大芦、乌兰两个乡镇，全长约50km。祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程位于靖远县大芦乡，治理范围为靖远县大芦乡苏家湾村至下游黑城子村，涉及河道长21.419km。河道两岸多为耕地，经踏勘后发现河道右岸无有效堤防，由于多年的洪水冲刷，已造成大量良田被毁。19 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究3.2.2存在的主要问题①河道无设防：治理河段现状只有少量已建有护岸，大部分河段无设防，呈天然岸坡状态；现有堤防不能满足设计的防洪标准。②自然状况差：由于工程区内河道基本处于天然河道状态，河道岸坡以高陡坎为主，由于地质条件差，河势不稳，凹岸坎受洪水淘刷严重，产生坍塌，蚕食土地，危及农舍。严重的水土流失造成祖厉河泥沙含量大，在河流平缓、弯道处，洪水带来的大量泥沙淤积于河床之上，改变了河道的流态，加之河流常态状况下流量较小，只切割河床一小部分，造成河流深泓点偏靠近于河道一侧，使得原河道的另外一侧淤积严重，从而整个河流的行洪能力就大大降低了。③人为影响：工程区的河谷地带人口相对密集，河道枯水期较长致使沿河民众防洪意识差，河道两岸甚至河床干涸处随意围垦、违章建房、肆意采砂，严重侵占河道治导线，使得流域水体的边界条件和水流流态受到严重影响，大大降低了天然河道的行洪能力，给洪水来临后的两岸人民生命、财产安全埋下了隐患。工程区内包括的靖（远）会（宁）引黄提灌区及南川提灌区是靖远县的主要农、林经济作物产区之一，境内河道蜿蜒、主流摇摆不定，夏日天气变化多端，每遇暴雨洪水暴涨暴落，岸坡受河水冲刷、浸蚀严重。河道现状详见图3.1,图3.2,图3.3。1986年6月26日，靖远水文站测到1700m³/s的洪峰流量，由于沿岸基本无防洪设施或者自建防洪设施不能满足防洪标准，洪水给大芦、乌兰两乡镇造成重大损失。沿岸水利、电力、公路交通、农业畜牧业等行业及其设施都遭到不同程度甚至是毁灭性的破坏，尤其是作为基础产业的水利设施损失最为严重，护岸被毁，渠道淤塞，引输水困难无法正常运行。河道治理是防洪之本，匮乏薄弱的护岸设施，已成为严重制约靖远县祖厉河沿岸乡镇社会经济持续稳定发展的主要因素之一。据调查统计，解放后祖厉河靖远县段遭遇洪灾情况如下：1978年7月10日，靖远县大芦、高湾、乌兰等乡发生洪涝灾害，共有6个村12个社，110户440人受灾，农田受灾面积2.2万亩，这当中绝收1.4万亩，灾后统计洪水致使房屋毁损35间，冲毁树木2100株，直接经济损失达到197万元。所幸之处洪灾并未无人员伤亡。1986年6月25日下午6时，靖远县大芦、高湾、乌兰等祖厉河流域乡发生洪涝灾害，共有11个村32个社，乌兰乡有410户2260人受灾，伤亡4人（死1人，伤3人），2.44万亩农作物受灾，成灾面积2.2万亩，其中绝收2.2万亩，洪水冲走猪羊鸡等145只，房屋毁损142间，洪水冲毁树木21600株，直接经济损失727万元。2004年7月15日下午7时至8时30分，靖远县大芦、高湾、乌兰等祖厉河流域乡20 兰州交通大学工程硕士学位论文发生洪涝灾害，共有4个村11个社，57户226人受灾，农作物受灾1.31万亩，洪水冲走羊等45只，死亡1人，房屋毁损12间，洪水冲毁树木21600株，县乡公路14.7公里，水利工程19处，人饮管道9000米，淤填农渠17000米，造成直接经济损失1020万元。图3.1治理河段现状图3.2治理河段现状21 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究图3.3村民自建堤防3.3工程建设的必要性3.3.1防洪减灾的需要祖厉河下游所需治理河段河道纵坡较缓，两岸汇流面积大致使洪峰流量大，洪水一般呈现暴涨陡落的状态。在由于河流沿岸现有防洪设施不仅少、标准又低，基本使得岸坡处于不设防状态，遇到洪水就会造成较大的洪涝灾害。河道两岸岸坎土地，由于底部经常受洪水淘刷，许多耕地已滑坡坍塌，即使常年低标准洪水也不同程度地造成农田土地流失，因此，对治理河段进行及时防护，对保护沿河两岸的村民安全，防止农村基本农田免遭洪水冲淹，进而保障农民生产，最终提高农民生活水平、发展区域经济是非常必要的。3.3.2减少水土流失的需要工程区内沟壑纵横，地势陡峭，地质复杂，植被稀少，分布不匀，两岸滑坡泥石流发育，水土流失严重，土地资源短缺。沿岸山洪沟道发育多，局部沟道坡度较大，致使洪涝发生后，发生滑坡堵塞河道，降低泄洪能力；再次，沿岸肥沃土地大都置于河道岸22 兰州交通大学工程硕士学位论文坎之上的Ⅰ级阶地，每遇水涨，岸坎滑落，土地流失；工程区内有右岸居民原本都居住在离河道岸坎百米开外，由于接近二三十的洪水淘刷，河道已逼近至房屋，村民被迫搬迁；这些都严重影响到当地村民的正常生产、生活。综上所述，治理河段的堤防建设，对更好的控制水土流失、改善当地生态环境来说显得非常必要和迫切的。3.3.3完善河道防洪体系的需要工程区域内，无有效堤防，左岸主要靠山体防护，右岸Ⅰ级阶地阶面高出河水位5～10m，以土质高坎为主，一遇洪水，岸坎受雨水侵蚀严重，产生滑坡。通过对本工程的实施，联合对岸的山体防护，使本区域内祖厉河防洪体系更加完善，基本可满足工程区内的防洪需求。3.3.4本地区社会经济发展的需要祖厉河流经的大芦乡属河谷地带，沙谷川区人口密集，土地肥沃，气候适宜，农业经济效益显著，是靖远县农业经济发展的较好乡镇，县属的南川引黄电灌工程使当地土地发挥了较好的经济效益。祖厉河沿岸耕地是当地农民赖以生存的基本保障。但由于防洪工程的薄弱，每次洪水过后沿岸水利、电力、交通、农业、畜牧业都要遭到不同程度甚至是毁灭性的破坏，洪灾已严重抑制了靖远县社会经济的发展。通过堤防工程的实施，使河道沿岸群众正常的生产、生活得到保障，耕地得到安全防护，有效遏制水土流失，对促进靖远县经济环境可持续发展意义重大。在耕地日益减少的今天，保护祖厉河沿岸的耕地更是显得刻不容缓。总之，通过本工程的实施，可使本区域内防洪体系进一步得以完善，有效防止此段河道内的洪涝灾害，减少水土流失，保护居民的生命财产安全，进而促进本地区社会经济快速发展。因此，本工程的实施是十分必要和迫切的。3.4河道防洪规划概况3.4.1防洪规划原则河道治理应尽量利用现有堤防和新建堤防结合，贯彻上下游左右岸兼顾，少占或不占农田及沿岸建筑物，因地制宜，有利于防汛及群众生产生活。河道的建设应力求平顺，宽窄错位不大，与主河流线大致平行，堤段连接平缓，并开辟一定量的堤顶交通道路，还有河道建设工程应留有必要的安全余度。规划原则具体有以下几点：（1）参照有关法规，结合实际情况，合理选定防洪标准，为防洪工程设计提供可靠的依据，按照批准的规划实施。（2）合理兼顾上下游、左右岸，并与交通、地质和环保等协调。（3）按照“清障疏淤、筑堤护砌、裁弯取直”的要求，尽量保留利用现有河道岸23 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究边天然岸坡，对河底宽度符合行洪要求者不缩窄。结合河道岸边现状情况，进行堤岸治导线整修，提高河道的防洪能力。（4）分析研究河道特性及演变规律，选取经济、有效的治河整治方案。稳定河势，利用现有节点，防冲固岸，因害设防，重点治理。（5）因地制宜，就地取材，在保证工程标准的前提下，尽可能减少投资。确定工程形式和进行工程布置时，贯彻左右岸及上下游兼顾，做到既有利于防洪，又利于环境、气候、景观的改善。（6）清除河道内淤积物和障碍物，对河道清理疏浚，修整河道。（7）堤防宽度充分结合交通要求，能够满足施工、防汛、日常交通等因素综合考虑。（8）新建防洪堤尽量减少征地拆迁，尽量做到工程防护与生态防护结合。（9）充分利用天然河床现状岩性组成，使防护堤、护脚及岩石基础有机结合，在满足河床冲刷前体下，尽量减少开挖，节省投资。3.4.2防洪规划要求（1）严格按照《甘肃省江河主要支流和内陆河治理规划实施方案的通知》（甘发改农经「2011」776号）文件要求拟定工程方案。（2）新建堤防对河势稳定、水流形态、水质、冲淤变化没有不利影响；（3）不妨碍行洪、不降低河道泄洪能力；（4）稳定河势，防冲固岸，因害设防，重点治理。（5）根据《关于江河主要支流及内陆河（流域面积在3000平方公里以上）治理项目前期工作有关事项的通知》，防洪规划实行“全面规划、统筹兼顾、预防为主、综合治理、局部利益服从全局利益”的原则。采用工程及生态措施，已达到抵御洪水的能力，减轻洪水灾害的目的。根据以上规划要求及原则，本次祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程位于甘肃省白银市靖远县城以南的祖厉河干流大芦乡境内。本次治理工程在该段共布置12段，治理河段长21.419km，新建堤防10.429km，其中护坡1.405km，护岸9.024km。0.95万人，耕地0.813万亩。3.5河道演变及河相分析3.5.1河床稳定计算河槽在经历一段时间的塑造后，便能取得一定的断面和坡降，使上游来水和来沙都能畅通地输往下游，此时水流具有最好的流速场形式，泥沙处于输沙平衡状态，河槽的24 兰州交通大学工程硕士学位论文外形也与当时的水流、泥沙最相适应，这就是处于平衡状态的河流。这种河流的河槽形态要素(河宽、水深及比降)与水流(流量、流速)、泥沙(含沙量、粒径)因素之间常常存在某种函数关系，通常称之为河相关系。河床的稳定计算也就主要涉及河相关系的三种形式暨横断面、纵断面及平面。3.5.1.1河道横断面河相关系及稳定分析河道横断面河相关系式为：Bζ=（3.1）H式中：ζ——河相关系数；B——造床流量下的水面宽（m）；H——造床流量下的平均水深（m）。通过治理段断面数据可计算出治理河段河相关系数ζ为2.21～2.72，判定该段河道属蜿蜒型河段，(蜿蜒型河道ζ约为2～4，较为顺直的过渡型河段约为8～12，游荡型河道ζ约为20～30)。河道横向稳定系数按下式计算：5.0Qφb=（3.2）2.0JB式中：φb——横向稳定系数；3Q——造床流量，m/s；J——纵比降；B——相当造床流量的平滩河宽，m。通过整理数据计算，治理河段横向稳定系数φb=1.06～1.25，计算结果表明河段的横向稳定性较差。3.5.1.2河道纵向河相关系纵向河相关系主要反映河道纵向比降与来水来沙的关系。即：S2/1.054J=45.5[()d]（3.3）50Q25 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究式中：J-河床稳定比降;33Q-造床流量（m/s），Q=356m/s；33S-年平均含沙量（kg/m），S=428.7kg/m；d50-床沙中径（m），d=3.1mm～6.8mm；经计算，河道河床稳定比降J=2.11～3.23‰,项目区险段河道J=1.18～2.37‰,陡于河道实际比降，表明项目区河床纵向稳定性差。3.5.1.3河道平面河相关系分析河流的平面河相关系暨稳定河湾，体现河湾平面与河道特征之间的关系。治理河段共有大小弯道26个，弯道半径在100～450m，河湾跨度在200～570m，弯曲幅度在160～350m，过渡段长度在100～290m。即：R=KBBLm=KLBTm=KTBL=KB式中：R-弯曲半径（m）；Lm-河湾跨度（m）；Tm-弯曲幅度；L-过渡段长度（m）；B-直线过渡段河宽（m），B=80～150m；KB、KL、KT、K-对应河湾形态特征值的系数；根据已知的条件，反推河湾形态特征值系数，经计算KB=1.25～5.63，KL=11～16，KT=4.5～7.5，K=1.25～6。对大多数稳定河湾，KB=3～5，KL=12～14，KT=4～5，K=1～5，项目区河湾形态特征值系数与规范区间值吻合不太好，表明项目区河道属蜿蜒型河道，两岸需采取护岸处理。3.5.2造床流量及稳定河宽的确定治理河段总体上看河床束窄，断面均匀，河道主流位置基本固定，外形基本不变，祖厉河为黄河流域河流的蜿蜒型河段。3.5.2.1造床流量确定依据项目区流域特征及水文资料情况，造床流量的确定采用2年一遇洪水设计洪峰3流量法。祖厉河苏家湾至黑城子段防洪治理工程河段相应造床流量为356m/s。3.5.2.2稳定河宽计算稳定河宽一般使用统计分析法和计算法，本文使用计算法暨阿尔图宁公式法：26 兰州交通大学工程硕士学位论文0.50.2B=AQ/J（3.4）式中：3Q—造床流量(m/s)；J—河床比降；A—河岸稳定系数；按照上述两种方法计算各河段稳定河宽，计算成果为91.96m。根据上述计算成果并结合治理段现状，祖厉河干流靖远县苏家湾至黑城子段稳定河宽确定为92m。3.5.2.3堤线堤距确定堤防工程治导线的间距布置，应按照堤底距不小于稳定河宽为原则布置。新建堤防堤距应分河段确定，根据河道的水文泥沙特性、地形、地质条件、河床演变特点、冲淤变化规律，综合权衡有关自然因素和社会因素后分析确定，努力做到上下游、左右岸统筹兼顾。治理河段河道冲淤变化，河床一侧常年淤积，致使洪水流道不均匀，洪水大多偏向右侧高岸坎边，在不考虑河道疏浚的情况下，充分论证分析后确定堤距宽度最小为95m，略大于计算的稳定河宽。3.6工程任务和规模3.6.1工程建设任务工程建设的主要任务是：保证祖厉河干流靖远县大芦乡苏家湾至黑城子段河道行洪宽度，提高河道整体防洪能力，避免河道高岸坎不受洪水侵蚀产生塌岸，保护沿岸村庄和农田在设计洪水标准下不受洪水侵害，促进当地经济的可持续发展。3.6.2工程规模祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程治理处于整个河流下游范围为靖远县大芦乡苏家湾至下游黑城子村河段，涉及治理河长21.42km。堤防自上至下分为12段，右岸10段，左岸2段，新建堤防10.429km，其中护坡1.405km，护岸9.024km。保护人口约0.95万人，耕地0.813万亩。27 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究4工程布置及建筑物4.1设计依据4.1.1工程等别及建筑物级别根据《防洪标准》（GB50201-94）和《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）的规定，结合《甘肃省江河主要支流和内陆河治理规划实施方案》，祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程乡镇及农田堤防区段按10年一遇洪水标准设计，堤防工程级别为5级。堤防建筑物按5级、临时建筑物按5级建筑物设计，工程区地震设计烈度为8度。4.1.2设计依据及基本资料本次设计采用的规范有：（1）《水利水电工程可行性研究报告编制规程》（DL5020-93）；（2）《防洪标准》（GB50201-94）；（3）《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)；（4）《水利建设项目经济评价规范》（SL72-94）；（5）《水电水利工程工程量计算规定》(DL/T5088-1999)。（6）《堤防工程管理设计规范》（SL171-96）；（7）其它相关规范及资料等。设计依据的资料有：（1）《甘肃省中小河流治理和中小水库除险加固专项规划》；（2）《甘肃省江河主要支流和内陆河治理规划实施方案》；（3）《甘肃发展和改革委员会、甘肃省水利厅关于印发甘肃省江河主要支流和内陆河治理规划实施方案的通知》。4.1.3设计基本参数4.1.3.1水文及气象祖厉河是黄河的一级支流，流域地处大陆腹地，属陇西黄土高原的一部分，地势大致由东南向西北倾斜，海拔多在1500～2400m之间，由于河流的长期切割，中部和南部多黄土梁，北部有百草塬（为陇西最大的黄土塬），沟壑多、植被覆盖度差、水土流失较大。属温带半干旱气候，流域气候特点是蒸发量大，多年平均情况达到1600mm以上，太阳辐射强，空气干燥，气象要素变差大。流域内干旱少雨，且年内分配不均，洪枯相28 兰州交通大学工程硕士学位论文差悬殊，而且上下游差异也很大。流域内降水年内分配不均，主要集中在5、6、7、8、9五个月，且多以暴雨形式出现，春旱连伏旱灾害经常发生，自然条件恶劣，对农业生产影响很大。祖厉河靖远县苏家湾至黑城子段主要涉及行政区域为靖远县，靖远县多年平均降雨量为229.6mm，5～9月降水量占全年的82%，多年平均气温9.2℃，年内七月份平均温度最高，达22.5℃，极端最高气温达39.5℃，极端最低气温为-24.3℃，年日照时数为2709小时，最大积雪深度10cm，最大冻土深度86cm，境内水资源十分贫乏，属于干旱地区。常年平均风速1.2m/s，最大风速可达到19.3m/s，由于流域的地理位置和地形的影响，风向最多为西北风，详细资料见靖远县气象站气象要素统计表2.1。4.1.3.2设计洪水设计洪水频率计算统计参数的确定，必须考虑祖厉河上下游水文站的地区变化规律，尽量照顾点群的趋势，对考证期的特大洪水要具体分析，不宜机械的通过特大洪水点据，而使曲线脱离点群，也不能因照顾点群趋势使曲线离开特大洪水点据过远，而应在特大洪水的误差范围内调整。根据以上原则对祖厉河上下游站的最大洪峰流量系列进行适线，计算不同频率洪峰流量。采用水文站实测年最大洪峰流量系列，并加入各站历史洪水调查资料进行频率分析计算，得各站设计洪峰流量成果。祖厉河干流防洪治理苏家湾至黑城子河段主要工程断面设计洪水值通过控制站设计洪水按流域面积双对数内插求得，祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程设计洪水洪峰流量成果见下表4.1。表4.1河段防洪治理工程设计洪水成果表3F统计参数各种频率的设计值（m/s）防洪区段2（km）均值CvCs/Cv5%10%20%50%大芦湾100074830.723.511909206623564.2工程总体布置4.2.1堤线布置原则①堤线与河势流向相适应，直线河段堤线尽量与洪水的主流线相平行，弯曲河段采取大弯就势、小弯取直的原则。保持河段两岸堤防间距大致相等，堤距应大于稳定河宽要求。②防治结合，堤线力求平顺，各堤段平缓连接，稳定河势，确保能顺利的通过设计洪水。29 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究③妥善处理好左右岸、上下游的关系，统一治理。④因地制宜，就地取材，节省投资。⑤防洪治理规划要与恢复和改善生态环境相结合。4.2.2堤线布置根据拟定的工程堤线布置原则，结合现状堤防存在的问题、地形条件及稳定河宽的要求等因素，在不影响河势和满足堤距要求的情况下，堤线尽量沿河道凹岸，紧贴岸坎布置，主要解决陡坎被洪水淘刷产生的塌岸问题；同时对地势较为平缓的河滩地带堤线尽量靠岸边高地布置，主要解决洪水产生的淹没问题。支流、冲沟左、右岸修筑堤防并与祖厉河堤防相接。沟道位置堤线顺延沟口向内延伸至安全高程处或现有跨沟公路桥涵处。根据河道现状，结合河道两岸地形条件，本工程治理范围为靖远县大芦乡苏家湾村至下游黑城子村，涉及河道长21.42km。堤防自上至下分为十二段，分别为苏家湾右1堤线（长约0.78km）、大芦村右1堤线(长约1.64km)、大芦村左1堤线（长约0.88km）、叶滩村右1堤线（长约1.37km）、叶滩村左1堤线(长约0.47km)、叶滩村右2堤线（长约0.93km）、叶滩村右3堤线（长约0.74km）、叶滩村右3-1堤线（长约0.58km）、叶滩村右4堤线（长约0.79km）、黑城子右1堤线（长约0.45km）、黑城子右2堤线（长约0.88km）、黑城子右3堤线（长约0.88km），总长约10.43km。新建堤防长度10.429km。新建堤防基本沿现状河道岸坎边布设，防止岸坎底部淘刷为主要功能，对于河段内无保护对象的山边、岩石出露的河段以及对保护对象洪水威胁较小的岸坎未新建堤防（分别为桩号0+000～0+996.07、1+782.38～6+107.94、9+820.59～9+970.66、11+371.84～13+058.27、11+371.84～13+058.27、14+405.76～14+876.55、16+194.18-16+237.36、18+925.24～20+328.18八个河段）。通过新建堤防的保护，祖厉河靖远县苏家湾至黑城子段，自上游至下游结合山体、基岩出露的岸坎以及行洪宽度较大的河漫滩，该河段将形成一个相对完整的防洪体系，可有效保护靖远县大芦乡境内人口约0.95万人，耕地0.813万亩。该工程区河道治理段堤线布置见表4.2所示；4.3主要建筑物设计4.3.1堤防设计原则堤型选择应按照因地制宜，就地取材的原则，综合考虑河段所在的地理位置、重要程度、地质条件、筑堤材料、土地占用、工程造价等因素，综合考虑各种影响后选定。根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）之有关规定，堤防工程的结构、材料30 兰州交通大学工程硕士学位论文应符合下列规定：①坚固耐久，抗冲刷、抗耐磨性能强；②适应河床变形能力强；③便于施工、易于修复和加固；④就地取材，经济合理。4.3.2堤防护岸方案比选4.3.2.1堤防护岸形式的比选堤防护岸形式一般可采用重力式挡墙、仰斜式护岸、贴坡式护岸等众多形式。依据治理河段的河床地形、地质条件，本着因地制宜的原则从经济合理、技术可行等方面比选确定堤防护岸形式。本工程依据治理需求只对仰斜式护岸、贴坡式护岸进行分析比选。（1）仰斜式护岸设计仰斜式护脚全断面使用C15细粒砼砌块石，其中：迎水面边坡为1:0.5，背水面边坡1:0.3，护脚顶部宽度0.5m，底宽2.38m～3.12m，堤脚设齿齿高1m，齿顶宽1m，防洪堤每10m设1道伸缩缝，采用聚乙烯闭孔泡沫塑料板和聚氯乙烯胶泥填缝，缝宽3cm。仰斜式护岸顶部使用细粒砼砌石封闭，厚度30cm，并深入坎基30～50cm，仰斜式挡墙应贴近岸坎，尽量少清坡和不清坡，避免大的开挖和夯填，对于挡墙与岸坎的较小间隔使用砂砾石填筑，施工中应边填筑边砌筑的方式进行，填筑标准相对密度不应小于0.60。断面型式见图4.1。图4.1斜式护岸典型横断面31 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究（2）贴坡式护岸设计贴坡式护岸全断面使用现浇C15砼，有腐蚀性地表水及地下水时使用同标号的抗酸砼，护岸衬砌厚度：顶部15cm，底部25cm。堤线紧贴自然岸坡设置，堤身就近使用河床开挖的碎石土、砂砾石进行填筑，严格按照相关技术规范要求进行堤身填筑，填筑材料相对密度不应小于0.60。根据填筑材料特性确定，迎水面边坡为1:1.5，背水面边坡为1:1.25。防洪堤每5m设1道横向伸缩缝，采用聚乙烯闭孔泡沫塑料板和聚氯乙烯胶泥填缝。当河道天然岸坡比较平缓时，贴坡式护岸堤顶比岸坡顶高时，为了满足方便施工，此时堤顶需做压顶、填筑宽3m的堤顶道路，堤顶路向临水侧放坡3%。具体断面型式见图4.2。gstplQ4spgraplQ4图4.2贴坡式护岸典型横断面结合上述2种护岸断面型式，仰斜式断面具有适用于岸坎防护、占地少、抗冲性强、稳定性高等优点，缺点是断面较大，建筑材料用量多，施工难度大，造价较高。贴坡式断面具有堤坝稳定，护脚地基应力较小、材料用量较小、造价较低、施工简单，容易维修等优点，缺点是抗冲刷防护能力较弱，侵占河道断面，稳定性稍差。根据工程区地形条件、工程地质条件、施工条件、工程造价、交通要求等因素，本次设计采用仰斜式护岸为主，贴坡式护岸为辅。在祖厉河高岸坎边角修建的堤防选用仰斜式护岸，在现状河宽满足堤距要求，无岸坎的河漫滩边选用填方的贴坡式护岸。32 兰州交通大学工程硕士学位论文表4.2祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程堤线布置统计表新建堤防长现状河宽稳定河宽项目段名称桩号堤距(m)保护对象度(km)(m)(m)苏家湾桥以上段0+000～0+996.07—100～16595不设防段左岸山边，右岸为无保护对象河滩地保护霍家半川人口2100人，耕地2300苏家湾右10+996.07～1+782.380.786110～17095100～180亩；滩涂地，行洪宽度较大，洪水对岸坎苏家湾至大芦村间河段1+782.38～6+107.94—135～25095不设防段威胁小大芦村右16+107.94～7+747.481.639105～2509595～240保护大芦村人口3500人，耕地2500亩；大芦村左17+562.43～8+450.190.88892～1879595～180保护叶家滩村人口2300人，耕地1730叶滩村右18+450.19～9+820.591.3775～2609580～260亩；滩涂地，行洪宽度较大，洪水对岸坎叶滩连接段19+820.59～9+970.66—25095不设防段威胁小保护左侧凹岸坎脚不受洪水淘刷，右叶滩村左19+970.66～10+439.840.469200～27095200～270岸为河漫滩地；保护右侧凹岸坎脚不受洪水淘刷，左叶滩村右210+439.84～11+371.840.93285～1609585～150岸为河漫滩地；左岸为凹岸，山边岩石出露，无需设叶滩连接段211+371.84～13+058.27—85～21095不设防段防；33 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究续表4.2保护右侧凹岸坎脚不受洪水淘刷，左叶滩村右313+058.27～13+797.940.74120～21095115～205岸为河漫滩地；保护右侧凹岸，左岸为河漫滩无保护叶滩村右3-113+817.94～14+405.760.588120～21095115～205对象；左岸为凹岸，山边岩石出露，无需设叶滩连接段314+405.76～14+876.55—110～21095不设防段防；保护右侧凹岸，左岸为河漫滩，行洪叶滩村右415+396.18～16+194.180.798107～26095105～255宽度大；叶滩村至黑城子间河段16+194.18-16+237.36—15095不设防段右岸为支沟入口，左岸为河漫滩；黑城子右116+237.36～16+692.010.45580～1509585～150保护耕地1600人，耕地1600亩；黑城子连接段116+692.01～18+043.24—150～30095不设防段左岸凹岸，岩体出露；保护右岸凹岸坎脚不受洪水淘刷，左黑城子右218+043.24～18+925.240.882150～30095150～300岸为河漫滩地；左岸岸坎岩体出露，右岸河漫滩，行黑城子连接段218+925.24～20+328.18—160～30095不设防段洪宽度大；保护右岸凹岸坎脚不受洪水淘刷，左黑城子右320+328.18～21+209.700.881160～30095160～300岸为河漫滩地；34 兰州交通大学工程硕士学位论文4.3.2.2护面材料的比选根据选定的堤防护岸断面型式，本次设计对护面材料进行技术经济比选。护面材料拟选为现浇C15砼和细粒砼砌块石两种形式。（1）护面厚度计算方案一：现浇C15砼护面砼护面的防护厚度采用下面公式计算：rLtHrrBmb（4.1）式中：t——砼护面厚度（m）；η—-系数，对开缝砼板可取0.075，（现浇砼板每5m设一道横向缝）；H——计算波浪高(m)，取H1%，查表得H1%=0.33m；33rb——砼板的重度(kN/m)，rb=24kN/m；r——水的重度；L——波长（m）；B——沿斜坡方向的护面板长度（m）；m——斜坡坡率，m=1.5。经计算，t=0.094m。考虑砼板施工因素及已建护岸工程经验，取现浇砼护面的厚度为底部0.25m，顶部0.15m。。方案二：细粒砼砌块石护面细粒砼砌块石护面的防护厚度采用下面公式计算：3rHbQ1.03rbKD1mr（4.2）1Q3tnc1.0rb（4.3）式中：Q——主要护面层的护面块体、块石个体质量（t）；33rb——人工块体或块石的重度(kN/m)，rb=26.8kN/m；35 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究r——水的重度；H——计算波浪高(m)，取H5%，KD——稳定系数，查《堤防工程设计规范》D.3.2-1表得KD=5.5；t——块体或块石护面层厚度（m）；n——护面块体或块石的层数；c——系数，查《堤防工程设计规范》D.3.2-2表得c=1.3；经计算，t=0.15m。考虑细粒砼砌块石护面施工因素及已建护岸工程的经验，细粒砼砌块石护面顶部为0.30m，底部为0.40m。（2）技术经济比选经对方案一与方案二进行技术、经济方面分析比较，两方案的优缺点如下：方案一（现浇C15砼护面）：优点：工程区内天然建材储量丰富，可就地取材，上段工程区有沙石料场。单位造价低（264.56万元/km）。缺点：强度及抗冲能力较浆砌块石低，施工难度相比较浆砌块石大。方案二（细粒砼砌块石护面）优点：施工操作技术简单，不用支模等复杂工序；强度及抗冲能力较砼高。缺点：工程区内天然建筑材料匮乏，所选料场运距远；单位造价较方案一高（280.83万元/km）；施工时所需劳力多，体力劳动量大。综上所述：方案一和方案二所选护面材料的强度及抗冲能力均满足本工程的要求。但方案一和方案二相比较，方案一所需砼骨料可就地取材，运距短，造价低，美观度也较方案二好。另外由于本工程修建的仰斜式护岸背水坡以填方为主，考虑到施工因素，只能选用细粒砼砌块石。所以，本工程的贴坡式护岸选用推荐方案一，仰斜式护岸选用方案二。两种方案工程量、投资情况比较见表4.3。4.3.2.3设计水面线推求（1）初选行洪断面型式堤防断面形式根据工程区地形条件、工程地质条件、施工条件、工程造价、交通要求等因素，本次设计采用仰斜式护岸与贴坡式护岸两种型式。断面形式采用碾压砂砾石梯型断面。（2）河道糙率的选择反推河段综合糙率n，再对比河道实际情况，分析确定得河床综合糙率为0.038。36 兰州交通大学工程硕士学位论文表4.3每1km新建堤防工程量、投资比较表方案一方案二名称单价（元）数量合价（万元）数量合计（万元）水上砂砾石开挖4.36113564.9554192.36水下砂砾石开挖4.8627951.3643222.10夯填砂砾石堤身18.1760680110.263652166.36砂砾石回填11.8279809.4354896.49抗酸水泥细粒砼砌块石（护坡）344.980.005021173.21抗酸水泥细粒砼砌块石（基础）314.370.0096430.31现浇C15抗酸水泥砼（护坡）462.692594120.020.00现浇C15抗酸水泥砼（基础）443.4741818.540.00合计（万元）264.56280.83（3）水面线计算方法仰斜式护岸主要解决常遇洪水淘刷岸坎、坡脚问题，故仰斜式护岸堤顶高程以2年一遇洪水位控制，其冲刷深度计算按10年一遇洪水标准计算；贴坡式护岸主要涉及保护区淹没问题，贴坡式水面线以10年一遇洪水标准计算。该河段10年一遇洪水流量为920m³/s，2年一遇洪水流量为356m³/s。治理河段有西川桥及黑城子桥两座设计标准达到十年一遇洪水位的桥梁，是推求水面线的最佳基准断面，测量有水文横断面H20（西川桥）及H52(黑城子桥)，本次以两座桥为控制断面计算过桥水深，采用水流能量方程逐段向上、下游进行试算，进行水面线推求。其中西川桥洪水位结果用以计算苏家湾右1至叶滩村右3河段水面线，黑城子桥用以计算叶滩村右4至黑城子右3河段水面线。水面线计算采用常用的水力学试算法，即采用水流能量方程逐段试算，进行水面线推求。先假定上断面水位Z2，根据水文和地形资料计算hf、hj、和Δhv以求得ΔZ，然后按公式Z2=Z1+ΔZ算出Z2。如果算出的Z2与假定的Z2相等，则说明假定值是正确的，如不相等则重新假定Z2，重复以上步骤直至假定的值与计算值相等为止。其基本方程为：EEhh（4.4）21fj22αvαvZ22Z11hh（5.4）21fj2g2g式中：Z1和Z2——分别为下断面和上断面的水位高程；22α1v1/2g和α2v2/2g——分别为下断面和上断面的流速水头，两者之差为Δhv；hf和hj——分别为下断面和上断面的沿程水头损失和局部水头损失；37 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究根据水力学原理，当天然河道内水流经过桥墩建筑物时，过水断面在平面上收缩，改变了水流的形态，产生了局部水头损失，同时由于过水断面缩小，流速加大，部分动能转化成势能，便形成水面跌落。这些部位的水流符合堰流流态，可按堰流进行桥涵的过流能力和上游水位壅高等水力计算。淹没式堰流的基本计算式:（4.6）33式中Q为过堰流量，m/s；即10年一遇洪峰流量（m/s）；B：为堰顶总净宽，m；σs：为淹没系数，可以查用有关的水力学表格，也可采用《水闸设计规范》(SL265－2001)中推荐公式计算；经计算：σs=0.579；hs：为下游水深；H0：为包括行近流速水头的堰前水头，m，即；m：为流量系数，按桥涵底部与原河床相同、即无底坎宽顶堰考虑，取决于桥上游侧翼墙和桥墩形状、桥孔宽和上游河道宽的比值。m值的计算，可按包括侧收缩系数σc的方法确定，由桥涵概化的堰顶总净宽b和桥上游的平均水面宽度B的比值b/B来确定；m=0.35；σc：为侧收缩系数西川桥桥孔净宽90m，经验算，西川桥通过2年以及10年一遇洪水流量时，水面线高程分别为1473.98、1476.47，流速分别为1.91m/s、2.19m/s；黑城子桥桥孔净宽90m，经验算，黑城子桥通过过2年以及10年一遇洪水流量时，水面线高程分别为1457.80、1459.78，流速分别为1.84m/s、2.37m/s；（4）河道水面线推求成果按照上述计算方法，推算祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程各段水面线计算成果见表4.4。4.3.2.4布置堤线后弯道横向水位差2按下式计算：hmB1（4.7）2gRB1212R38 兰州交通大学工程硕士学位论文表4.4治理河段水面线推求计算表设计洪峰水文纵断过水断面平均流速深泓线高水面线高程10年/2最大水深项目段断面编号流量10年纵坡糙率2桩号3面积(m)10年(m/s)程(m)年(m)10年(m)/2年(m/s)横3996.07920/3560.001760.038316.012.911481.051486.42/1484.975.37苏家湾右1横41409.45920/3560.001760.038837.611.11480.331486.07/1484.725.74横51740.34920/3560.001760.038499.421.841479.771485.83/1484.526.06横155452.36920/3560.001660.0381001.080.921472.881477.93/1476.525.04横165833.43920/3560.001660.038596.251.541472.221477.62/1476.035.4横176241.47920/3560.001660.038449.862.051471.631477.07/1475.035.44大芦村右1横186653.67920/3560.001660.038516.811.781471.071476.67/1474.375.6横196930.29920/3560.001660.038867.31.061470.721476.66/1474.345.94横207209.55920/3560.001660.038421.452.181470.331476.47/1474.126.14横196930.29920/3560.001660.038867.31.061470.721476.66/1473.995.94横207209.55920/3560.001660.038421.452.181470.331476.47/1473.746.14大芦村左1横217494.25920/3560.001660.038622.151.481469.831476.09/1473.226.26横227781.77920/3560.001660.038353.232.611469.391475.81/1472.836.42横227781.77920/3560.001470.038499.661.781469.391473.85/1471.624.46横238073.46920/3560.001470.038576.282.051468.81473.43/1471.284.63叶滩右1横248437.17920/3560.001470.038553.651.921468.21472.90/1470.644.7横259096.88920/3560.001470.038505.681.851467.511472.46/1470.224.95横269215.72920/3560.001470.038592.661.621467.361471.65/1469.224.29叶滩左1横279461.93920/3560.001470.038574.631.591467.21471.32/1468.974.12横289643.75920/3560.001470.038583.951.61467.081471.09/1468.674.0139 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究续表4.4设计洪峰水文纵断过水断面平均流速深泓线高水面线高程10年/2最大水深项目段断面编号流量10年纵坡糙率2桩号3面积(m)10年(m/s)程(m)年(m)10年(m)/2年(m/s)横299812.94920/3560.001310.038524.771.751466.51473.48/1471.296.98叶滩右2横3010136.65920/3560.001310.038363.162.531465.941472.93/1470.606.99横3110581.75920/3560.001310.038377.682.441465.341472.41/1470.197.07横3512399.01920/3560.001280.038539.171.711462.891469.66/1467.706.77横3612817.02920/3560.001280.038154.822.941462.41468.50/1466.636.1叶滩右3横3713286.1920/3560.001280.038479.981.921461.791467.09/1465.345.3横3813628.75920/3560.001280.038379.982.421461.331466.70/1464.045.37横4014689.18920/3560.001180.038495.671.861460.061465.68/1464.135.62叶滩右4横4115055.45920/3560.001180.038790.621.161459.651465.44/1463.985.78横4215425.03920/3560.001180.038538.181.711459.241465.16/1463.805.92横4315539.55920/3560.002370.038695.51.321459.081465.23/1462.416.15黑城子右1横4415793.69920/3560.002370.038451.952.041458.631465.00/1462.416.37横4515967.78920/3560.002370.038336.062.741458.171464.64/1462.086.47横4817411.2920/3560.001290.038590.71.561455.951461.49/1460.055.54黑城子右2横4917851.63920/3560.001290.038568.111.621455.481460.90/1459.635.42横5419770.64920/3560.001580.038364.952.521452.961458.87/1456.835.91黑城子右3横5520164.42920/3560.001580.038372.452.471452.381457.53/1455.835.15横5620594.37920/3560.001580.038445.022.071451.551455.95/1454.394.440 兰州交通大学工程硕士学位论文式中:Δh-横向水位差（m）；vm--断面中线平均流速（m/s）；B-治理河宽（m）；R-曲率半径（m）；经计算主河道弯道凹凸岸水位差在0.02～0.20m之间，凹岸河堤高度比凸岸河堤高0.01～0.09m。凹岸河堤堤高相应比凸岸河堤高0.01～0.10m。弯道横向水位差计算详见表4.5。表4.5主要弯道统计及水位差计算结果表断面弯道水面平均流速弯道中心曲水位差凹岸堤高桩号备注编号宽度(m)(m/s)率半径(m)(Δh)增加值(m)H41+409.452601.102400.020.01右岸（凹）H155+452.363001.541200.060.03右岸（凹）H165+833.431402.052060.080.04右岸（凹）H176+241.471281.783200.020.01右岸（凹）H217+494.252061.481300.120.06左岸（凹）H248+437.172301.921560.120.06右岸（凹）H259+096.882501.851600.080.04右岸（凹）H279+461.932601.591200.120.06左岸（凹）H299+812.941821.751200.180.09右岸（凹）H3110+581.75902.442150.140.07右岸（凹）H3512+399.011601.711400.140.07右岸（凹）H3713+286.11151.923600.070.035右岸（凹）H4115+055.452601.382100.080.04右岸（凹）H4817+411.202901.561000.200.10右岸（凹）H4917+851.632481.622200.020.01右岸（凹）H5520+164.423002.474500.020.01右岸（凹）H5620+594.371602.071500.180.09右岸（凹）4.3.2.5冲刷深度计算（1）计算冲刷深度本次计算，采用《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中堤岸冲刷深度计算公式，对工程区河段均按设计洪水进行冲刷深度计算。水流对防护岸坡产生的冲刷按下式计算：nUcphH1s0Uc（4.8）式中：hS—局部冲刷深度（ｍ）；41 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究Hp—冲刷处的水深（ｍ）；Ucp—近岸垂线平均流速（ｍ／ｓ）；UC—泥沙的启动流速（ｍ／ｓ）；张瑞瑾公式:.014Hrr10H0s0U176.d.0000000605cdr50.072（4.9）50d50d—河床的中值粒径（ｍ）；50H0—行进水流水深（ｍ）；3rs,r分别为泥沙与水的重度（kN/m),g为重力加速度；Ucp的计算应符合下列规定：2UUcp（4.10）1式中：U—行近流速（ｍ／ｓ）；η—水流流速分配不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α角查表采用。由以上方法计算祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程冲刷深度。计算结果见表4.6。（2）确定基础埋深根据计算结果，确定祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程堤防基础冲刷深度设计值取2.0m～2.5m。4.3.2.6堤顶超高计算根据《防洪标准》（GB50201-94）和《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）的规定，结合《甘肃省江河主要支流和内陆河治理规划实施方案》，祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程乡镇及农田堤防区段按10年一遇洪水标准设计，堤防工程级别为5级。堤防建筑物按5级、临时建筑物按5级建筑物设计。依据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）第2.1.1条和《工程建设强制性条文·水利工程部分》规定，确定本工程建筑物级别为5级。堤防安全超高为堤防安全加高值加上设计波浪爬高和设计风雍增水高度，根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）第6.3.1条和附录C进行堤顶超高和波浪计算。堤顶高程由设计洪水位加堤顶超高确定，堤顶超高按下式计算：Y=R+e+A式中：Y——堤顶超高（m）42 兰州交通大学工程硕士学位论文表4.6祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程护岸冲刷深度计算近岸垂水流流水流方冲刷处平均流泥沙启动泥沙的重床沙的行进水局部冲项目段断面编系数岸平均速不均向与岸的水深速U流速度rs(rs-r)/r中值粒流水深刷深度名称号n3流速Ucp匀系数坡夹角Hp(m)(m/s)UC(m/s)（kN/m)径d50(m)H0(m)hB(m)(m/s)ηα横34.972.910.870.2519.6210.00685.41.742.911≤15°苏家湾横45.341.10.870.2519.6210.00685.40.311.11≤15°右1横55.661.840.880.2519.6210.00685.831.141.841≤15°横154.640.920.860.2519.6210.00444.690.080.921≤15°横1651.540.870.2519.6210.00445.121.041.851.530°大芦村横175.042.050.750.2519.6210.00445.252.052.922.570°右1横185.21.780.750.2519.6210.00445.361.261.781≤15°横195.541.060.750.2519.6210.00445.590.51.061≤15°横205.742.180.760.2519.6210.00445.981.742.181≤15°横195.541.060.750.2519.6210.00445.590.51.061≤15°大芦村横205.742.180.760.2519.6210.00445.981.742.181≤15°左1横215.861.480.760.2519.6210.00445.971.061.481≤15°横226.022.610.770.2519.6210.00446.372.162.611≤15°横224.061.780.720.2519.6210.00444.221.031.781≤15°横234.232.050.640.2519.6210.00314.441.422.051≤15°叶滩右1横244.31.920.640.2519.6210.00314.491.351.921≤15°横254.551.850.650.2519.6210.00314.721.361.851≤15°43 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究续表4.6近岸垂水流流水流方冲刷处平均流泥沙启泥沙的重床沙的行进水局部冲项目段断面编系数岸平均速不均向与岸的水深速U动流速度rs(rs-r)/r中值粒流水深刷深度名称号n3流速Ucp匀系数坡夹角Hp(m)(m/s)UC(m/s)（kN/m)径d50(m)H0(m)hB(m)(m/s)ηα横263.891.620.630.2519.6210.00314.021.031.621≤15°叶滩左1横273.721.590.630.2519.6210.00313.850.971.591≤15°横283.611.60.630.2519.6210.00313.740.951.61≤15°横296.581.750.680.2519.6210.00316.742.22.161.635°叶滩右2横306.592.530.680.2519.6210.00316.922.552.531≤15°横316.172.440.680.2519.6210.00316.472.322.441≤15°横356.371.710.680.2519.6210.00316.521.651.711≤15°横365.72.340.670.2519.6210.00315.982.092.341≤15°叶滩右3横374.91.920.660.2519.6210.00315.091.511.921≤15°横384.972.420.660.2519.6210.00315.271.912.421≤15°横405.221.860.620.2519.6210.00313.411.651.861≤15°叶滩右4横415.381.160.660.2519.6210.00315.450.821.161≤15°横425.521.710.670.2519.6210.00315.671.471.711≤15°横435.751.320.670.2519.6210.00315.841.071.321≤15°黑城子横445.972.040.670.2519.6210.00316.181.92.041≤15°右1横455.572.740.670.2519.6210.00315.952.352.741≤15°黑城子横485.141.560.660.2519.6210.00315.271.231.561≤15°右2横495.021.620.660.2519.6210.00315.151.271.621≤15°横545.512.520.670.2519.6210.00315.842.172.521≤15°黑城子横554.752.470.650.2519.6210.00315.061.872.471≤15°右3横5642.070.640.2519.6210.00314.221.372.071≤15°44 兰州交通大学工程硕士学位论文R——设计波浪爬高（m）e——设计风壅水面高度（m）A——安全超高（m）（1）设计波浪爬高R：根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中公式计算。Rp=KVKpHL1m2（4.11）K/其中风浪要素采用下列公式计算：.045.00018gFgHgd7.0V22.013th7.02th7.0VVgd.013th7.02V2gT2dLth2L5.0gTgH139.VV2式中：Rp——累积频率为p的波浪爬高（m）；K——斜坡的糙率渗透系数，根据护面的类型查表得0.9；KV——经验系数，由风速V、坡前水深d、重力加速度g所组成的无维量v/gd，其中：计算风速取历年汛期最大风速平均值的1.5倍；风速取值25.95m/s；Kp——爬高累积频率换算系数，对不允许越浪的堤防，爬高累积频率取5%，则Kp查表得；H——堤前波浪的平均波高（m）；L——堤前波浪的波长（m）；V——计算风速；F——风区长度（m）；m——护面迎水面坡比；（2）风雍水面高度e：2ekVF2gdcos（4.12）45 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究式中：e——风雍高度；k－6——综合摩阻系数取3.6×10；V——计算风速；F——由计算点逆风向量到对岸的距离（m）；d——水域平均水深（m)；——风向与坝轴线的法线所成的夹角。（3）安全超高A：按《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）规定，乡镇及农田堤防段按10年一遇洪水标准设计，堤防工程等别为5级，故本工程区乡镇及农田堤防区段不允许越浪的安全超高为0.5m。（4）计算结论经以上计算，设计波浪爬高R为0.58m，设计风雍水高度e为0.002m（可忽略），安全超高A为0.5m，则堤顶超高为1.08m，实际取值1.1m。祖厉河属于山区河流洪水暴涨陡落，依据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）有关内容，可适当降低堤顶超高，故仰斜式护岸使用两年一遇洪水，不计波浪爬高，只计入安全超高0.5m。4.3.3堤防工程设计根据河道现状，结合河道两岸地形条件，祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程治理范围为靖远县大芦乡苏家湾至下游黑城子村河段，涉及河道长21.42km。堤防自上至下分为12段，右岸10段，左岸2段，新建堤防10.429km，其中护坡1.405km，护岸9.024km。4.3.3.1新建堤防设计本次设计采用仰斜式护岸为主，贴坡式护岸为辅的护岸形式。在祖厉河高岸坎边角修建的堤防选用仰斜式护岸，在现状河宽满足堤距要求，无岸坎的河漫滩边选用填方的贴坡式护岸。本工程护岸形式统计见表4.7。由上表可知，本次设计采用仰斜式护岸为主长9.024km（适用于高岸坎，左岸0.678km，右岸8.436km），贴坡式护岸为辅长1.405km（适用于无岸坎河漫滩，左岸0.679km，右岸0.726km）的护岸形式。（1）仰斜式护岸堤防横断面设计仰斜式护岸材料采用细粒砼砌块石，迎水面边坡1:0.5，背水面边坡1:0.3，顶部宽度0.5m，底部宽2.38m～3.12m，堤脚齿高1m，齿顶宽1m，防洪堤每10m设1道伸缩缝，采用聚乙烯闭孔泡沫塑料板和聚氯乙烯胶泥填缝，缝宽3cm。仰斜式护岸46 兰州交通大学工程硕士学位论文顶部使用细粒砼砌石封闭，厚度30cm，并深入坎基30～50cm，仰斜式挡墙应贴近岸表4.7工程护岸形式统计表仰斜式护岸贴坡式护岸项目段桩号长度m桩号长度m苏家湾右10+996.07～1+782.38786.31大芦村右15+452.36～6+475.871023.516+475.87～7+091.90616.03大芦村左17+353.16～7+786.15432.996+898.39～7+353.16454.77叶滩村右17+761.77～9+132.171370.4叶滩村左19+439.69～9+684.90245.219+215.72～9+439.69223.97叶滩村右29+898.09～10+720.39822.39+788.39～9+898.09109.7叶滩村右312+382.96～13+122.63739.67叶滩村右3-113+144.94～13+732.76587.82叶滩村右414+664.46～15+462.19797.73黑城子右115+530.85～15+985.49454.64黑城子右217+370.08～18+252.08882黑城子右319+764.18～20+645.70881.52合计9024.11404.47坎,尽量少清坡和不清坡，避免大的开挖和夯填，对于挡墙与岸坎的较小间隔使用砂砾石填筑，施工中应边填筑边砌筑的方式进行，填筑标准相对密度不应小于0.60。高陡岸坎边不涉及淹没问题，设仰斜式护脚型式主要解决坎脚受洪水淘刷塌岸问题，因此护脚顶高程按2年一遇洪水控制，堤基为基岩的，堤基高程应为基岩弱风化层上限，堤基为砂卵砾石的，堤基高程应按冲刷深度确定。由于地基土硫酸根离子含量达2721--3100mg/kg，地下水硫酸根离子含量达3282--3581mg/I，均对普通硅酸盐水泥具有强腐蚀性，所以仰斜式护岸全断面选用抗酸水泥。（2）贴坡式护岸堤防横断面设计贴坡式护岸堤防横断面采用碾压砂砾石梯形断面，碾压砂砾石相对密度不小于0.6，迎水面采用1:1.5，背水面边坡采用1:1.25。堤顶宽度3.0m。迎水坡护岸采用C15砼护面，顶部厚15cm，底部厚25cm，堤脚设0.5m×0.4m（宽×高）的C15砼基础。沿堤身设横向伸缩变形缝，横向缝每5m设一道，横缝宽3cm，采用聚乙烯闭孔泡沫塑料板和聚氯乙烯胶泥填缝，河堤堤顶向临水侧放坡3%。针对祖厉河常年河水、地下水以及地表土硫酸根离子含量高的问题，贴坡式护岸2年洪水位以下高程采用C15抗酸水泥混凝土护坡及基础，2年洪水位以上高程采用C15混凝土护坡。详见堤防横断面设计图。4.3.3.2其它建筑物设计（1）排水建筑物设计47 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究堤防沿线布置有3处排水穿堤设施，对于仰斜式护岸段拟采用预制砼管顺坎排水，对于贴坡式护岸拟采用预制砼涵管穿堤过水。经调查，位于7+375.33为农业灌溉弃水沟道，流量较小，埋设Φ1000预制砼涵管。位于7+891.54及9+219.99两处3为堤防坎顶雨水排水管段，据现场调查原有排水沟开口1～3m，流量0.5～1.5m/s，3采用公式QBm2gH2计算排水管管径，经计算，管径为85～136cm，为施工方00便，排水穿堤建筑物统一采用埋设Φ1000、Φ1500预制砼排水管。涵管前采用现浇C15砼浇筑梯形连接段，底厚15cm，侧墙厚18cm，底板下铺设35cm厚砂砾石垫层。为防止洪水流经时倒灌问题，连接段两侧须做梯形断面堤防至安全高程处，对于贴坡式护岸涵管顶高程应与该处河道堤防堤顶高程相同，对于7+891.54及9+219.99两处堤防属于仰斜式挡墙护岸，排水管顺岸坎布设至堤防顶高程出，管段超出堤顶1m，水流采用跌水方式排出。详见涵管设计图。（2）巡堤踏步设计为方便堤防工程的正常检查检修，对于堤线长于每1km的河段，平均每隔1km设一处人行踏步。踏步顺堤坡方向设置，踏步台阶尺寸为0.30×0.20m（宽×高），踏步采用现浇C15砼浇筑。4.3.3.3跨河建筑物行洪能力复核祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程区内跨河建筑物有4座桥梁，1座渡管，由上自下分别为苏家湾桥、安家庄桥、西川桥、叶窑渡管、黑城子桥。其中苏家湾桥、安家庄桥为当地村民自行修建的翻水农桥，桥宽50m左右，高出河床约2m，明显无法满足十年一遇洪水要求，故不符合。仅对西川桥、叶窑渡管、黑城子桥行洪能力进行复核。根据水力学原理，当天然河道内水流经过桥墩建筑物时，过水断面在平面上收缩，改变了水流的形态，产生了局部水头损失，同时由于过水断面缩小，流速加大，部分动能转化成势能，便形成水面跌落。这些部位的水流符合堰流流态，可按堰流进行桥涵的过流能力水力计算。计算公式如下：3QBm2gH200（4.13）B0——为堰顶总净宽；——堰流淹没系数，按自由出流算，淹没系数取1；——堰流侧收缩系数；H0——计入行进流速水头的堰上水深（m）；2g——重力加速度，可采用9.81（m/s）；48 兰州交通大学工程硕士学位论文m——堰流流量系数，可采用0.35；3Q——过桥流量（m/s）；通过取值，分别计算，西川桥、叶窑渡管、黑城子桥在自由出流状态下的最大过桥流量为1332m³/s、1386m³/s、1110m³/s而本河段十年一遇洪水流量920m³/s，因此，西川桥、叶窑渡管、黑城子桥的过流能力完全满足本次设计要求。4.3.3.4护坡的稳定计算贴坡式护岸堤防的整体稳定计算包括护岸及岸坡基础土的滑动和护坡底面的底面滑动两种，前者可用瑞典圆弧滑动法计算，后者可简化成沿护坡底面通过堤基的折线整体滑动，计算时，先假定不同的滑动深度t，按极限平衡法求出滑动安全系数，从而找到最危险的滑动面。(一)瑞典圆弧滑动法计算岸坡基础土的滑动岸坡基础土的滑动稳定计算，根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）附录F公式，采用总应力法和有效应力法计算进行计算。计算公式如下：⑴总应力法①施工期抗滑稳定安全系数按下列计算公式：CubsecWcosthuKWsin（4.14）②水位降落期抗滑稳定安全系数按下列计算公式：Ccubsec(Scosuibsec)thcuKWsin（4.15）⑵有效应力法稳定渗流期抗滑稳定安全系数可按下式计算：""CbsecW1W2cosuZWbsecthKWWsin12（4.16）式中：K—抗滑稳定安全系数；b—条块宽度；1W—条块重量（kN）；W—在堤坡外水位以上的条块重量（kN）；1W—在堤坡外水位以下的条块重量（kN）；249 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究Z—堤坡外水位高出条块地面中点的距离（m）；u—稳定渗流期堤身或堤基中的空隙压力（kPa）；u—水位降落前堤身的空隙压力（kPa）；i—条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角（度）；""3C,,C,,C,—土的抗剪强度指标（kN/m）；uucucu本次设计工程区防洪防洪堤最大高度10.67m（地面以上7.07m），碾压砂砾石梯形堤堤顶宽度3m，迎水面1：1.5、背水面边坡同为1：1.25。填筑砂砾石料相对密度不小于0.6，计算结果如下表表4.8。表4.8稳定计算成果表系数施工期设计洪水位降落期稳定渗流期安全系数1.191.171.25规范值[K]1.101.101.10堤防工程级别为5级，在正常运用条件下，岸坡基础土的滑动稳定安全最小系数为1.10，因此，岸坡基础土稳定满足规范要求。(二)折线整体滑动法计算护坡底面的底面滑动沿护坡底面的滑动稳定计算，根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）附录D公式进行计算。计算公式如下：（4.17）式中：K—护坡稳定安全系数；f—护坡与土坡的摩擦系数，取0.3；1ψ—基础土的摩擦角(度)，取35度；c—基础土的凝聚力(kN/m2)；t—滑动深度（m）；50 兰州交通大学工程硕士学位论文w1—护坡体重量(kN)；w2、w3—基础滑动体重量(kN)。经计算，最小安全系数如表4.9。表4.9护坡稳定安全系数表滑动深度t(m)11.52最小安全系数kmin2.192.674.92堤防工程级别为5级，在正常运用条件下，防洪护坡抗滑稳定安全最小系数为1.10，因此，沿护坡底面稳定满足规范要求。4.3.3.5渗流计算祖厉河洪水是由局部暴雨造成，据水文站资料分析，干流洪水过程多以单峰为主，中小洪水历时一般较短，峰型尖瘦。洪水回落时间很短，一场洪水一般持续时间为1～2小时，并且堤防隔段有排洪涵管泄洪，因此堤防在挡水过程中，难以形成稳定渗流，所以按不稳定渗流计算。计算公式如下：渗流在背水坡脚出现的时间T为："n0Hb2T(mm)（4.18）124kHnn1(S%)（4.19）0w式中：k—堤身渗流系数；n—土的有效孔隙率；01n—孔隙率；Sw%—饱和度。经计算，T=4.65（h）,大于一般洪水持续时间t，即根据不稳定渗流计算的结果满足渗流稳定要求。51 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究5经济评价5.1工程概况中央1号文件发布的《中共中央、国务院关于加快水利改革发展的决定》(中发[2011]1号)，是新世纪以来中央关注“三农”的第八个“一号文件”。这是在党的重要文件中，第一次将水利提升到关系经济安全、生态安全、国家安全的战略高度。水是生命之源、生产之要、生态之基，水利是现代农业建设不可或缺的首要条件，是经济社会发展不可替代的基础支撑，是生态环境改善不可分割的保障系统，具有很强的公益性、基础性、战略性。根据国务院批复的《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》，以及国家发展改革委、水利部关于加强中小河流治理工作的总体安排，省发展改革委员会同省水利厅组织编制完成了《甘肃省中小河流治理和中小水库除险加固专项规划》，并在此基础上，编制了《甘肃省江河主要支流和内陆河治理规划实施方案》。祖厉河是纳入我省专项规划的主要河流。祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程位于甘肃省白银市靖远县城以南的祖厉河干流大芦苇乡境内。祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程新建堤防10.429km，该治理工程共分12段，治理河段长21.419km，新建堤防10.429km，其中护坡1.405km，护岸9.024km，保护人口0.95万人，耕地0.813万亩。主要以保护祖厉河干流靖远县苏家湾至黑城子段村庄和农田为主。祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程防洪标准按10年一遇洪水设计，该项目的建设，将提高本河道的整体防洪能力，为保障当地经济发展及群众生命财产的安全，促进社会进步起到积极作用。本工程兴建的主要目的是保护祖厉河两岸人民的生命财产安全，防止沿岸县城、村庄和农田被洪水淹没，是一项以社会效益为主的工程，收益对象涉及到工商业、交通、运输、学校、村庄、农业及人民群众的生命安全等各方面，其创造的价值远远高于项目本身的财务效益，而这些效益除部分可以定量计算外，常常表现为难以货币化的社会效益和环境效益，故本项目只做国民经济评价。按国家计委和建设部颁发的根据《建设项目经济评价方法和参数》（第三版）、《水利建设项目经济评价规范》（SL72—94），经济分析计算期取31年，其中：施工期1年（2013），正常运行期30年（2014～2043）。以国民经济内部收益率和净效益现值为指标，考察项目对国民经济所作的贡献、评价项目的合理性。52 兰州交通大学工程硕士学位论文基准年和基准点：根据规范，资金时间价值计算的基准年和基准点定在建设期的第1年年初，投入物和产出物均按年末发生和结算。5.2费用计算本项目投资和费用主要包括固定资产投资、年运行费及流动资金共三部分。（1）固定资产投资本项目总投资为2917.66万元。由于本工程投资估算是按现行市场价格计算的，且随着物价改革的进行，目前主要材料，设备及人工工资接近国家计委颁布的影子价格。故为简化计算，本工程总投资即为影子投资，不再进行影子投资计算。（2）年运行费工程年运行费用包括工程修理费、管理费和其他费用。工程修理费按工程部分投资乘以修理费率计算，费率根据水利建设项目经济评价规范确定，取1.2%，年修理费为34.99万元。管理费主要是工程管理人员的工资，本工程管理人员编制1人，人均年工资及福利费以2.5万元计，工资及福利费2.5万元。其他费用按管理费、工程修理费之和的10%测算，其值为3.75万元。工程年运行费为41.24万元。（3）流动资金流动资金按年运行费的15%计算，约6.19万元。5.3效益计算5.3.1洪灾损失调查分析洪灾损失调查分析包括洪灾直接损失、洪灾间接损失及洪灾损失增长率的调查分析。（1）洪灾直接损失调查分析洪灾直接损失是指由洪水直接造成的经济损失，根据调查，靖远县各典型年在无工程条件下的洪灾直接损失调查结果见表5.1。据调查统计，解放后祖厉河靖远县段遭遇洪灾情况如下：1978年7月10日，靖远县大芦、高湾、乌兰等乡发生洪涝灾害，共有6个村12个社，110户440人受灾，农田受灾面积2.2万亩，这当中绝收1.4万亩，灾后统计洪水致使房屋毁损35间，冲毁树木2100株，直接经济损失达到197万元。1986年6月25日下午6时，靖远县大芦、高湾、乌兰等祖厉河流域乡发生洪涝灾害，共有11个村32个社，乌兰乡有410户2260人受灾，伤亡4人（死1人，伤3人），2.44万亩农作物受灾，成灾面积2.2万亩，其中绝收2.2万亩，洪水冲走53 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究猪羊鸡等145只，房屋毁损142间，洪水冲毁树木21600株，直接经济损失727万元。2004年7月15日下午7时至8时30分，靖远县大芦、高湾、乌兰等祖厉河流域乡发生洪涝灾害，共有4个村11个社，57户226人受灾，农作物受灾1.31万亩，洪水冲走羊等45只，死亡1人，房屋毁损12间，洪水冲毁树木21600株，县乡公路14.7公里，水利工程19处，人饮管道9000米，淤填农渠17000米，造成直接经济损失1020万元。表5.1靖远县洪灾损失统计表农田牲畜树株房屋伤亡人口受灾人口经济损失年份（万亩）（头、只）（棵）（间）（人）（人）（万元）19782.457621003544019719862.44145216001424226072720041.3145216001212261020（2）间接洪灾损失调查分析洪灾间接损失是因洪水造成的直接损失给洪灾区内外带来影响而间接造成的经济损失，包括地域性波及损失及时间后效性波及损失。由于受灾区及影响区的调查统计资料较少且不宜收集，故洪灾间接损失采用经验系数法。根据国内外资料，并结合祖厉河流域实际情况，拟定间接洪灾损失占直接损失的比例为10%。（3）洪灾损失增长率调查分析洪灾损失增长率是指洪灾经济损失随着社会经济的发展而增长的速度。根据祖厉河流域工农业生产和社会财产的增长率，以及对受淹对象的抗洪能力的分析，并参考其他邻近相似地区的成果，取洪灾损失增长率为2%。5.3.2防洪效益分析计算本次评价中防洪效益按假定无本工程情况下可能造成的洪灾损失与有本工程情况下实际产生的洪灾损失的差值计算，具体包括直接防洪效益和间接防洪效益。以物价指数为换算依据，将各典型年洪灾损失值换算至2009年，各年物价指数见表5.2，换算后损失值见表5.3。采用频率法计算，经测算，本堤防工程效益只占总效益的25%，本工程多年平均直接防洪效益为257.26万元（2009年价格水平），具体计算结果见表5－4，按防洪效益年增长率1%计算，本次到工程开始发挥防洪效益的2014年，多年平均直接防洪效270.39万元，由间接防洪效益与直接防洪效益之间的比例计算出多年平均间接防54 兰州交通大学工程硕士学位论文洪效益为27.04万元，多年平均防洪效益为297.43万元。表5.2各年物价总指数份物价总指数年份物价总指数年份物价总指数年份物价总指数1978100.61986106.61994123.72002100.01979101.11987107.61995119.82003101.11980104.21988119.11996110.22004102.31981101.71989117.91997102.92005101.71982101.11990103.2199899.02006101.31983100.41991104.9199997.62007105.51984102.51992107.2200099.52008108.21985109.21993115.42001104.02009101.3表5.3工程多年平均防洪效益计算表洪水频经济损失频率差率SS工程情况年份S12PSPS（2009年价2P（%）格）200410010201215无工程19781019710710.9011431193.71986272730450.0820581978101971071有工程164.651986272730450.082058年平均效B=（1193.7-164.65）*0.25=257.26（万元）益5.3.3排涝效益分析计算排涝效益即工程实施后所减免的涝灾损失，包括企业房屋和物资、居民财产、基础设施损失和农业减灾等方面减少的损失。按洪灾损失的10%计算，因此平均每年排涝效益为29.74万元。涝灾损失增长率取与洪灾损失增长率相同为1%。5.3.4社会效益分析防洪工程的社会效益表现在以下几个方面：①避免大量人口伤亡及其对亲友造成的精神痛苦；②减轻大洪水防汛抢险救灾给社会正常生产、生活造成的影响；③减少上下游、左右岸水事矛盾，保障社会安定团结；④减少人口贫困；⑤对促进社会各行业的均衡持续发展的作用等。55 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究5.3.5总效益本次设计防洪减灾效益可以定量计算的有直接防洪效益、间接防洪效益、排涝效益，不计社会效益，总效益为327.17万元。5.4国民经济评价本次国民经济评价选择指标主要有经济内部收益率、经济净现值和经济效益费用比。计算期35年，基准年定在建设期第一年，国民经济评价中的社会折现率is=8%。根据《水利建设项目经济评价规范》（SL72-94）要求，编制国民经济效益费用流量表，详见表5.4。经计算，各项经济指标见表5.5。表5.5工程国民经济评价指标项目评价指标值备注经济内部收益率（EIRR）（%）11.30经济净现值（ENPV）（万元）1014.63社会折现率取8%经济效益费用比（EBCR）1.32社会折现率取8%从表5.5知，祖厉河白银市靖远县苏家湾至黑城子段防洪治理工程国民经济评价的各项评价指标均达到了规范要求：内部收益率为11.3%，大于社会折现率8%；经济净现值为1014.63万元，大于0；经济效益费用比为1.32，大于1.0。说明该工程的国民经济效益良好，该项目在经济上是合理的。5.5国民经济评价结论该工程属公益性建设项目，其经济效益显著，并具有巨大的社会效益，随着祖厉河沿岸经济社会的发展，该工程在保护人民生命财产安全，维持社会稳定，促进经济的可持续发展方面所发挥的效益会不断增大。因此本项目应及早实施，尽快发挥应有的效益。56 兰州交通大学工程硕士学位论文表5.4国民经济效益费用流量表建设期运行期年份序号项目201320142015201620172018201920202021202220231效益流量0327.17333.71340.39347.19354.14361.22368.44375.81383.333911.1防洪效益297.43303.37309.44315.63321.94328.38334.95341.65348.48355.451.2除涝效益29.7430.3430.9431.5632.1932.8433.4934.1634.8535.55回收固定资产余1.3值1.4回收流动资金2费用流量2917.6647.4341.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.242.1固定资产投资2917.662.2流动资金6.192.3年运行费41.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.243净效益流量-2917.66279.74292.47299.15305.95312.9319.98327.2334.57342.09349.764累计净效益流量-2917.66-2637.92-2345.45-2046.3-1740.35-1427.45-1107.47-780.27-445.69-103.61246.1557 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究续表5.4运行期年份序号项目202420252026202720282029203020312032203320341效益流量398.82406.79414.93423.23431.69440.33449.13458.11467.28476.62486.151.1防洪效益362.56369.81377.21384.75392.45400.3408.3416.47424.8433.29441.961.2除涝效益36.2636.9837.7238.4839.2440.0340.8341.6542.4843.3344.21.3回收固定资产余值1.4回收流动资金2费用流量41.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.242.1固定资产投资2.2流动资金2.3年运行费41.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.243净效益流量357.58365.55373.69381.99390.45399.09407.89416.87426.04435.38444.914累计净效益流量603.73969.281342.971724.952115.412514.492922.383339.263765.294200.684645.5958 兰州交通大学工程硕士学位论文续表5.4运行期年份序号合计项目2035203620372038203920402041204220431效益流量495.88505.8515.91526.23536.75547.49558.44569.61703.8913395.471.1防洪效益450.8459.81469.01478.39487.96497.72507.67517.82528.1812065.981.2除涝效益45.0845.9846.947.8448.849.7750.7751.7852.821206.61.3回收固定资产余值116.7116.71.4回收流动资金6.196.192费用流量41.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.244161.04782.1固定资产投资2917.65782.2流动资金2.3年运行费41.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.2441.241237.23净效益流量454.64464.56474.67484.99495.51506.25517.2528.37662.659234.424累计净效益流量5100.235564.786039.456524.447019.967526.218043.48571.779234.4218468.8459 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究结论（1）设计洪水频率计算统计参数的确定，必须考虑祖厉河上下游水文站的地区变化规律，尽量照顾点群的趋势，对考证期的特大洪水要具体分析，不宜机械的通过特大洪水点据，而使曲线脱离点群，也不能因照顾点群趋势使曲线离开特大洪水点据过远，而应在特大洪水的误差范围内调整。根据以上原则对祖厉河上下游站的最大洪峰流量系列进行适线，计算不同频率洪峰流量。采用水文站实测年最大洪峰流量系列，并加入各站历史洪水调查资料进行频率分析计算，得各站设计洪峰流量成果。由各站年平均流量统计参数按面积直线内插得祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程设计年径流成果，33工程段10年一遇洪水流量为930m/s，2年一遇洪水流量为356m/s。（2）依据项目区流域特征及水文资料情况，造床流量的确定采用2年一遇洪水设3计洪峰流量法，治理河段相应造床流量为356m/s。稳定河宽本文使用计算法暨阿尔图宁公式法，计算成果为91.96m。根据上述计算成果并结合治理段现状，祖厉河干流苏家湾至黑城子段稳定河宽确定为92m。（3）治理河段有西川桥及黑城子桥两座设计标准达到十年一遇洪水位的桥梁，是推求水面线的最佳基准断面，测量有水文横断面H20（西川桥）及H52(黑城子桥)，本次以两座桥为控制断面计算过桥水深，采用水流能量方程逐段向上、下游进行试算，进行水面线推求。其中西川桥洪水位结果用以计算苏家湾右1至叶滩村右3河段水面线，黑城子桥用以计算叶滩村右4至黑城子右3河段水面线。（4）治理河段河堤基础均为砂质地基，堤底埋深需考虑冲刷深度，采用《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中堤岸冲刷深度计算公式，经计算冲刷深度0.31～2.35m，确定治理工程堤防基础冲刷深度设计值取2.0m～2.5m。堤防安全超高为堤防安全加高值加上设计波浪爬高和设计风雍增水高度，根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）第6.3.1条和附录C进行堤顶超高和波浪计算。堤顶高程由设计洪水位加堤顶超高确定，设计波浪爬高R为0.58m，设计风雍水高度e为0.002m（可忽略），安全超高A为0.5m，则堤顶超高为1.08m，实际取值1.1m。祖厉河属于山区河流洪水暴涨陡落，依据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）有关内容，可适当降低堤顶超高，故仰斜式护岸使用两年一遇洪水，不计波浪爬高，只计入安全超高0.5m。本次设计采用仰斜式护岸为主，贴坡式护岸为辅的护岸形式。在祖厉河高岸坎边角修建的堤防选用仰斜式护岸，在现状河宽满足堤距要求，无岸坎的河漫滩边选用填方的60 兰州交通大学工程硕士学位论文贴坡式护岸。高陡岸坎边不涉及淹没问题，设仰斜式护脚型式主要解决坎脚受洪水淘刷塌岸问题，因此护脚顶高程按2年一遇洪水控制，堤基为基岩的，堤基高程应为基岩弱风化层上限，堤基为砂卵砾石的，堤基高程应按冲刷深度确定。（5）经综合分析，本工程在技术上是可行的，国民经济分析指标是合理的（各项评价指标均达到了规范要求：内部收益率为11.3%，大于社会折现率8%；经济净现值为1014.63万元，大于0；经济效益费用比为1.32，大于1.0），运行维护是可靠的，工程属于公益性项目，能够提高防洪能力，改善生态环境，保障沿岸人民群众生命财产安全，经济效益显著，并具有巨大的社会效益，随着祖厉河沿岸经济社会的发展，该工程在保护人民生命财产安全，维持社会稳定，促进经济的可持续发展方面所发挥的效益会不断增大。61 祖厉河干流苏家湾至黑城子段防洪治理工程研究致谢首先，感谢兰州交通大学给我提供了一次再学习的机会！其次，我要向所有授课老师致以最诚挚的谢意！在攻读工程硕士期间，兰州交通大学土木工程学院各级领导和授课老师给予了亲切的关怀和认真的指导。三年的工程硕士研读使我受益非浅，既开拓了学术视野和思路，又提高了专业理论水平和技术水平。我特别要感谢我的导师季日臣教授，在论文研究过程中，导师给了我悉心的指导和帮助，使我能按期完成硕士论文。季老师渊博的知识、丰富的工程实践经验、严谨的治学态度和对科学事业无私的奉献精神给我留下了深刻的印象，并将继续激励我在今后的工作学习中努力钻研。同时也向能在百忙之中抽出宝贵时间，对我的论文写作进行多次指导的企业导师冉统军表示感谢！最后，向在论文研究中提供帮助的甘肃省水利水电勘测设计研究院表示感谢！向所有关心、支持和帮助过我的老师、同事、亲人和朋友致谢！王爱伟/2015年12月于兰州62 兰州交通大学工程硕士学位论文参考文献[1]国务院.关于切实加强中小河流治理和山洪地质灾害防治的若干意见,2010[2]中共中央,国务院.关于加快水利改革发展的决定,2011[3]国家发展改革委.全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划[R],2011[4]谢文筱.浅谈美国的防洪措施[N].华北水利水电学院学报,2005(36)[5]AlexanderD.Naturaldisasters[M].NewYork:ChapmanandHall,1993[6]杨名亮.日本的防洪现状及发展趋势[J].东北水利水电,1996(9)[7]王光谦.国内外防洪模式的比较分析与我国防洪模式的转变[C].纪念98抗洪十周年学术研讨会优秀文集.郑州.黄河水利出版社,2008[8]刘树坤.国外防洪减灾发展趋势分析[J].水利水电科技进展,2000(2)[9]张松.美国的建筑物防洪措施[J].国外水利,1994(4)[10]李大鸣,陈海舟,范玉.国外防洪减灾发展与现状[J].中国农村水利水电,2005(9)[11]武平.荷兰的治水经验[J].中国水利,1997(9)[12]甘肃省水利水电勘测设计研究院：祖厉河干流防洪治理工程可行性研究报告[R],2012；[13]BryanEH.美国防洪减总报告及研究规划[M].谭徐明,等译.北京.中国科学技术出版社,1997[14]靳建市.浅谈我国城市防洪的特点与变化趋势[J].科技向导,2011(7)[15]尹莉娟,梁鸿钢.试论我国市、县一级水利防洪工程建设质量与工程质量的关系[J].城市防洪,2011(3)[16]梁礼民.当前我国城市防洪工程特点及新的变化趋势[J].市政与路桥2010(7)[17]陈小敏,浅谈我国城市防洪现状及今后的防洪任务[J].水利水电技术,1996(12)[18]甘肃省水利厅.甘肃水利统计年鉴2014[G],2014[19]余侃柱.黄河甘肃省境内防洪现状及整治对策[J].地下水,2000(12)[20]孙斌.浅析甘肃省城市防洪排涝存在问题及对策[J].甘肃农业,2014(2)[21]张掖市人民政府.环境保护部南京环境科学研究所.张掖湿地自然保护区总体规划[R],2008[22]甘肃省统计局.甘肃发展年鉴2013[G].北京.中国统计出版社,2013[23]水利水电工程地质勘察规范[S].GB50487-2008.北京.中国计划出版社,2008[24]堤防工程地质勘察规程[S].SL188-2005.北京.中国计划出版社,2008[25]于海云,樊霞霞,张俊林.浅谈护岸工程的常见形式和技术要求[J].内蒙古水利,2013(3)[26]朱峰.堤防工程护坡和护岸设计[J].水利规划与设计,2013(7)[27]李海东,林杰,张金池.生态护坡技术在河道边坡水土保持中的应用[N].南京林业大学学报,2008(32)[28]钟春欣,张玮.传统型护岸与生态型护岸[J].红水河,2006(4)[29]付全景.生态护坡技术在南运河治理工程中的应用[J].城市建设理论研究,2011(7)[30]崔广柏,陈平,刘正祥.南方生态河道评价指标体系初探[N].中国生态农业学报,2007.15(4)[31]马志敏,郑军亮,逯文兵.城市河道生态护岸设计[J].河南水利,2006(11)63 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