水面线的设计技巧与要点

水面线设计是河道设计中最重要的工作。设计水面线如果在审查时被质疑和推翻，所有的设计工作要重新来过，因此需足够的谨慎，工作要细致。

水面线成果是在拟定的河道纵、横断面的基础上进行的，它也决定了堤防的高度和堤防设计断面大小，因此水面线是否合理，意味着河道设计方案是否技术经济合理。所以，对水面线进行方案比选是必要的。

7.4.4.1　水面线设计步骤

水面线设计可以采用以下步骤。

1.确定设计流量

根据水文计算成果，采用相应防洪标准的设计流量。当有支流汇入时，分段确定设计流量。

2.划分河段

将水利要素变化不大的河段划为一段，河段两端断面宜选择在无回流的渐变流断面。当有无回流时，应扣除断面上回流面积和死水面积。

3.拟定河道断面

选择河道的纵比降、横断面型式、横断面尺寸，计算控制断面上水力要素随水深的变化关系。

4.选定各个河段的河道糙率

根据河流的地形地貌、边界条件、水流特性、运行方案和管理水平，结合工程经验，选定整治后河流的糙率，分析控制断面上糙率随水深的变化关系。河流治理后的糙率，是对应多年正常运行水平的，不是刚刚施工完成期的。复式断面的滩槽要选定不同的糙率指标。

5.选定计算方法

一般采用恒定非均匀流就能满足计算要求。治理河段为下列三种情况时，应进行河道设计洪水过程和其他非恒定流计算：①水流要素随时间变化较大的河流；②河道调蓄作用较大的河段；③潮汐河口段。采用恒定非均匀流计算水面线时，可以采用试算法。

6.确定局部水头损失

对于有水闸、溢流堰、桥梁等阻水障碍物，要计算局部水头损失。

7.估算水流流态

根据拟定的河道纵、横断面尺寸和设计流量，对每个河段选择一两个断面计算水流流态，判断是急流还是缓流。根据沿途纵坡变化、拦河建筑物布置，初步判定水面衔接型式。

8.计算水面线

当干支流、河湖洪水顶托时，应分析洪水遭遇规律，选定洪水组合方式。

9.检查水面线的合理性

有水文站实测资料或者调查的洪水水位资料时，可以用以检验计算结果。没有实测资料时，通过检查水面线的变化规律，保障其合理性。

7.4.4.2　水面线方案比选

一般情况下，要对水面线进行方案比选。当河流规模较小、边界环境条件简单、治理河段较短时，可以选定一些控制断面，计算控制断面设计水位，分析水位的合理性，直接确定水面线，从而简化整体水面线的方案比选工作。这种方法简单易行、工作量小，缺点是不能直观地纵览水面线全貌，断面的选择要有代表性。

水面线高低，影响开挖量、回填量、弃土量、水工建筑物工程量、桥梁工程，影响生态系统服务价值。假定河道的防洪效益是一定的，可以通过分析工程成本费用和生态服务价值、按综合费用最小原则来比选最优水面线。最优水面线的目标函数为式（7.4-1）。

式中　 T——河道治理工程的综合费用；(www.xing528.com)

　　　Ti——河道治理工程的第i项费用或生态服务价值，用式（7.4-2）～式（7.4-8）计算；

　　　Hd、Hmax——堤防的设计堤高和堤高最高限值，设计堤高是水深的函数，城市堤防太高时，会影响道路、桥梁的布置，而且滨水环境不佳；

　　　Bmin、B、Bmax——河道管理范围的最小值、设计值和最大值，河道管理范围是水深的函数；水面线的高低，会影响滩地宽度和堤距，进而影响堤线布置和河道管理范围；

　　　hmin、h、hmax——河道水深最小值、设计值和最大值。

开挖费用T1、回填费用T2、弃土费用T3、征地拆迁费用土T4、水工建筑物费用T5、跨河桥梁费用T6、生态服务价值T7分别用式（7.4-2）～式（7.4-8）计算。

式中　 Li——河流被分成多个河段，其中第i河段的长度，m；

　　　V1i、V2i——第i河段河道断面的平均开挖面积和平均回填面积，m2；

　　　C1i、C2i、C3i——土石方的开挖、回填、弃土单价，元/m3；

　　　K——回填压实方与自然方的换算系数（表11.3-1）；

　　　Bi——第i段河道的管理范围宽度，m；

　　　C4i——单位面积综合占地拆迁费用，元/m2，当掌握详细资料时，占地拆迁费用可以按不同土地类型、房屋工厂设施数量进行分类计算，如果河槽面积已经确权划界，属于国有土地，应减去这部分土地面积；

　　　C7i——单位面积生态系统服务价值，元/m2，一般根据河流生态系统具体情况，分类计算；

　　　Fi——单座水工建筑物投资，元，可以用综合指标法结合工程经验估算，例如景观水闸可以根据挡水深度和长度估算；

　　　Gi——单座桥梁的投资，元，可以用综合指标法结合工程经验类比。桥梁可以根据桥型、等级，按单位平方造价估算。

7.4.4.3　水面线影响因素

河道水面线设计受到以下几种外部因素的影响有。

1.治理河段位置的影响

这是最主要的外部综合影响因素，主要表现在乡村河道与城市河道的差异。治理河段位于乡村，拆迁的工作量少，河道的河道交叉建筑物很少。乡村河道常采用弃土最小的治理方案，这也是传统水利治河的习惯方案。此方案中，开挖土方几乎全部用于填筑堤防，弃土基本为零；基本按现状河槽开挖，开挖断面小，工程量也不大；开挖河槽的设计流量近似参照造床流量确定；设计洪水的水面线较高，滩地部分分担的流量较大，堤防的填筑高度相应较高，很可能在3m以上。对于城市河道水面线设计，占地与拆迁、道路与桥梁的影响巨大。

2.河道管理范围的影响

有的城市河道，已经确权划界，已经批复蓝线，已经确定管理范围，已经开发建设滨河区，河道管理范围不具备扩宽条件。这些河道，要提高防洪标准，只能疏挖断面扩大过流能力，堤防一般也要加高。堤防加高的程度取决于断面调整的余地。

3.道路桥梁的影响

城市桥梁路面高程受路网布置、水平距离、最大纵坡坡度和最小纵坡长度的限制，从而对河道堤防高程提出了较严的要求。当河湖水面有游船通行要求时，净空限制也会对水面线设计造成一定的困难。

4.跨河管道的影响

跨河管道的影响可能是互相矛盾的。雨水管道布置希望入河管口低一些，河底和河道水面线相应降低。污水主管道为重力流，有时需要横穿河底送往污水处理厂，则希望河底高程高一些。有些城市跨河供水、输气、输油管道已经埋在河底，正在运行，则要求河底不能再疏挖下降。

城市河道水面线设计影响因素众多，要弄清楚这些因素对水面线设计的硬性限制要求，作为方案比选目标的约束条件。当水面线布置极度困难时，应该提请业主组织各方坐下来协商，寻求妥协方案。