劉廷廣

(長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)水利項(xiàng)目建設(shè)辦公室，吉林 九臺(tái) 130500)

0 引 言

隨社會(huì)快速發(fā)展，不規(guī)范開發(fā)建設(shè)事件不斷發(fā)生，導(dǎo)致行洪區(qū)侵占問題不斷加劇，致使河流源頭區(qū)域的水土流失逐漸加重，河道斷面逐漸縮小，這不僅降低河道對(duì)洪水、風(fēng)浪等自然災(zāi)害的防御能力，同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全也會(huì)造成嚴(yán)重影響，目前，河道治理工作已成為各地政府迫在眉睫的首要任務(wù)[1]。為響應(yīng)各地政府有關(guān)河道治理工作提出的號(hào)召，文章以吉林省境內(nèi)中小河流溫德河某段為例，對(duì)中小河流治理中防洪堤設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析。

1 布置治導(dǎo)線

治導(dǎo)線是于河道兩岸布設(shè)整治工程所規(guī)劃的水邊線，通常以穩(wěn)定河勢(shì)流路為主要目的，由于其在中小河流治理中發(fā)揮作用突出，在實(shí)際工作中河流治理者應(yīng)著重考慮以下幾方面問題：①待整治河道應(yīng)該與洪水流向或洪水趨勢(shì)保持一致，盡可能避免對(duì)主河勢(shì)方向進(jìn)行更改或限制，因勢(shì)利導(dǎo)，同時(shí)，避免設(shè)置新的人為沖點(diǎn)，以盡可能降低工程難度和投入成本；②應(yīng)充分利用待整治河道中天然存在且相對(duì)穩(wěn)定的河岸山咀、高坎、基巖等有利地形，以提高工程整體穩(wěn)定程度；③盡可能預(yù)留充足的河道寬度，以獲得良好的行洪斷面。此外，作為防洪堤設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容，治導(dǎo)線的布置還應(yīng)嚴(yán)格遵循《中華人民共和國防洪法》第十九條中相關(guān)規(guī)定，從而為中小河流治理中的防洪堤建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 確定沖刷深度

所謂沖刷深度，實(shí)際意義上指的是河流處于大流量或高流速狀態(tài)時(shí)對(duì)河床造成的侵蝕程度，是確定墩臺(tái)設(shè)計(jì)埋深值得重要前提，因此在實(shí)際工作中，河流治理者應(yīng)根據(jù)《支擋建筑物手冊(cè)》中相關(guān)公式，對(duì)沖刷深度進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。對(duì)于一般沖刷深度(Hpm)，實(shí)際通常采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算，其中λ代表沖刷系數(shù)，WX代表未壓縮的河道過水?dāng)嗝娣e，WG代表建堤后河道過水?dāng)嗝娣e，H代表堤前水深；對(duì)于局部沖刷深度(Hpi)，采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算，其中x代表水流方向與堤的夾角，V代表行進(jìn)水流的平均流速，m代表河堤邊坡系數(shù)，d代表河床表層d15粒徑；對(duì)于總沖刷深度，則通過公式(3)進(jìn)行計(jì)算。河流治理過程中，如果存在河流轉(zhuǎn)角較大的情況出現(xiàn)，則應(yīng)該采用拋石、加深齒墻等方式開展防沖刷處理[2]。

(1)

(2)

Hp=Hpm+Hpi

(3)

3 計(jì)算洪水位和河道斷面

除確定沖刷深度之外，精確計(jì)算洪水位和河道斷面也是中小河流治理防洪堤設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。想要確定洪水位和河道斷面，則需要對(duì)待整治河道的控制徑流面積、水文基本資料、各時(shí)段洪峰流量等內(nèi)容加以確定，且需嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于河道經(jīng)治理后趨近于人工渠道，故在進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)可將明渠水流視為均勻流動(dòng)。但在實(shí)際計(jì)算工作中，水文資料的調(diào)查結(jié)果通常伴有一定局限性，為避免測(cè)量誤差對(duì)防洪堤的實(shí)際應(yīng)用效果造成影響，則需要根據(jù)堤防等級(jí)，利用蒙特·卡羅方法結(jié)合以上內(nèi)容，即可計(jì)算得出上下游洪水位和堤防安全加高值[3]。

4 確定工程地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)型式

工程地質(zhì)是河流治理防洪堤設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，受經(jīng)費(fèi)有限等因素影響，多數(shù)治理者通常不會(huì)對(duì)待整治河道的地質(zhì)進(jìn)行勘察。以吉林省境內(nèi)中小河流溫德河為例，該河流發(fā)源于吉林省吉林市永吉縣南端的肇大雞山西側(cè)，河流穿行于丘陵地區(qū)，實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，該河流源頭河谷寬1-2.5km，河床寬約50m，多淺灘，河底為卵石，兩岸沖刷嚴(yán)重，至口前鎮(zhèn)附近，河谷寬約2-3km，河床加寬約100m，河底為沙和卵石，該河流河床地層通常以沉積層和沖積層為主，上部多為粉質(zhì)沙土和砂礫石，中下部以砂礫石混凝土為主，基巖則為塊狀砂巖，巖面起伏較小，未見不良構(gòu)造，具有較好的工程地質(zhì)條件，故在防洪堤設(shè)計(jì)過程中，通常會(huì)將堤基分布于砂礫石層。防洪堤結(jié)構(gòu)型式的確定應(yīng)以河流當(dāng)前洪災(zāi)發(fā)生情況和具體水沙特征為基礎(chǔ)，并采取筑堤結(jié)合開挖河床的方式，與此同時(shí)，洪峰水面與支流交匯口的處理也應(yīng)給予一定重視，以降低河床再造現(xiàn)象的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。河堤的布置應(yīng)以河段防洪功能、河段建筑材料的儲(chǔ)備條件、河岸基礎(chǔ)等因素作為基礎(chǔ)，可需要根據(jù)地形和地質(zhì)狀況以確定河堤的結(jié)構(gòu)型式[4]。對(duì)于地形相對(duì)平坦、低質(zhì)相對(duì)較差的河段，可采用填筑河堤，另于迎水坡腳下設(shè)置由埋石混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑的防沖刷齒墻，迎水坡面則選用混凝土護(hù)襯；對(duì)于河砍相對(duì)較高、基礎(chǔ)地質(zhì)相對(duì)較好的河段，可采用重力擋墻支砌或漿砌塊石護(hù)砌的方式筑建河堤。此外，進(jìn)行河堤布置的過程中，還需注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：①確定齒墻深度：防洪堤的堤前齒墻具有防沖刷、抗掏腳的功能，是影響防洪堤整體穩(wěn)定性的重要組成部分，實(shí)際設(shè)計(jì)中，治理者應(yīng)根據(jù)相關(guān)公式對(duì)最大沖刷深度進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，以及堤防防沖基礎(chǔ)深度應(yīng)低于沖刷線0.5-1m，以確定齒墻深度，且該部分內(nèi)容的工程量和施工難度均相對(duì)較大，因此，從遵循相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、施工難度、治理成本等多個(gè)角度出發(fā)，對(duì)齒墻深度進(jìn)行確定。通常情況下，河道直線段齒墻埋深以2m為宜，彎道段則以3-3.5m為宜，另外在河道角度較大的險(xiǎn)工段，需要設(shè)置大體積拋石以降低沖刷強(qiáng)度。②確定河堤幾何尺寸：受堤身填土性質(zhì)、斷面形狀、水文等多方面因素影響，堤防常在汛期發(fā)生漫頂、堤身滑坡、堤身滲透受損等險(xiǎn)情，因此，在防洪堤設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)全面考慮多方因素可能造成的險(xiǎn)情，從而為確保防洪堤具備較強(qiáng)的滲透穩(wěn)定性和堤坡整體穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。進(jìn)行河堤幾何尺寸計(jì)算時(shí)，可依照防洪堤保護(hù)區(qū)可接受洪水風(fēng)險(xiǎn)的概率，結(jié)合近期洪水、風(fēng)浪等災(zāi)害現(xiàn)象的分析結(jié)果，對(duì)堤頂高程予以確定；堤防的坡度、堤頂寬度、壓蓋寬度等則可根據(jù)管涌特性進(jìn)行確定；填土強(qiáng)度特性則需要依照堤坡的穩(wěn)定性來確定；結(jié)合以往洪水、風(fēng)浪等災(zāi)害狀況，以及防洪需求，相應(yīng)設(shè)置護(hù)坡、坡面排水、防滲設(shè)施等。③險(xiǎn)工段堤防處理：根據(jù)河道角度，可將險(xiǎn)工段分為一般險(xiǎn)工段和特殊險(xiǎn)工段兩種，前者可采取拋石護(hù)腳的方式預(yù)防沖刷，而對(duì)于特殊險(xiǎn)工段，不僅需要進(jìn)行拋石護(hù)腳，還可在縱向齒墻迎水側(cè)面設(shè)置橫向短齒墻，以促進(jìn)拋石群體性的全面提高。

5 實(shí)例分析

5.1 工程概況

以吉林省境內(nèi)中小河流溫德河某段為例，經(jīng)測(cè)量得知該河段起始位置地理坐標(biāo)E126.50°，N43.75°，河段長(zhǎng)1334m。2017年7月，受暴雨侵襲影響，吉林省境內(nèi)溫德河等多條中小河流發(fā)生特大洪水，導(dǎo)致當(dāng)?shù)囟嗵幫ｋ?，造成移?dòng)和聯(lián)通基站斷電，對(duì)當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重經(jīng)濟(jì)損失。2019年11月，吉林市人民政府發(fā)布《關(guān)于實(shí)施溫德河水患治理工程 建立溫德河流域安全防洪體系的建議》[5]，鼓勵(lì)相關(guān)部門積極參與溫德河整治工作，以消除水災(zāi)。

5.2 堤型級(jí)別與型式

防洪堤工程級(jí)別應(yīng)嚴(yán)格參照防洪堤防洪標(biāo)準(zhǔn)(表1)和河道等級(jí)進(jìn)行確定，針對(duì)溫德河某段河道，由于該河流近期發(fā)生過特大洪水，且該地原有防洪體系被摧毀，因此，將防洪堤防洪標(biāo)注、河道等級(jí)、河段近期狀況等因素結(jié)合起來，文章構(gòu)建防洪堤級(jí)別為4級(jí)。堤防型式方面，需要對(duì)基礎(chǔ)處理、地質(zhì)地形、交通要求等多方面問題進(jìn)行綜合考慮，且需要確保堤身斷面滿足整體/局部穩(wěn)定、防滲/滲透穩(wěn)定、防沖抗浪等基本要求。

表1 防洪堤工程級(jí)別

5.3 堤頂高程計(jì)算

由于文章擬筑建防洪堤屬于四級(jí)建筑物，結(jié)合上文相關(guān)規(guī)范對(duì)堤頂高程的確定要求，堤頂高程應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)洪水位和堤頂超高進(jìn)行確定，并根據(jù)公式(4)計(jì)算出堤頂高程具體數(shù)值，其中Y代表堤頂超高，R代表設(shè)計(jì)波浪爬高，A代表安全加高，KO 粗糙度，e代表風(fēng)壅增水高度。結(jié)合文章設(shè)計(jì)和測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出R=0.21m，A=0.60m，e=0.00m(因設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度較小，所以文章將其忽略不計(jì))，最終計(jì)算得出Y=0.81m，因此，相應(yīng)防洪堤堤頂高程則采用洪水位(P=5%)+0.81m作為堤頂控制高程。

(4)

5.4 防洪堤斷面設(shè)計(jì)

文章截取溫德河河段左岸上游防洪堤長(zhǎng)269m，河段中段防洪堤長(zhǎng)711m，河段左岸下游防洪堤長(zhǎng)354m，合計(jì)1334m。左岸選用漿砌石防洪堤，堤頂寬3m，堤高6-9m，于常年水位>50cm處設(shè)置寬2m臺(tái)階作為濱河道路，濱河道路迎水面以1:2放坡，臺(tái)階下迎水面選用直立墻體，背水面下2m處設(shè)置1∶0.3坡，并向內(nèi)設(shè)置寬0.5m平臺(tái)，另設(shè)置1:0.25倒坡至基腳，防洪堤墻背坡度設(shè)置為1∶1.6，選用礫石回填。

6 小 結(jié)

防洪堤設(shè)計(jì)在中小河流治理工作中作用突出，設(shè)計(jì)過程中，多方面考慮外界對(duì)防洪堤的影響，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特征，嚴(yán)格遵循防洪堤防洪標(biāo)準(zhǔn)，以制定出滿足當(dāng)?shù)胤篮樾枨蟮脑O(shè)計(jì)方案，不僅保護(hù)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的持續(xù)性發(fā)展也可起到積極推動(dòng)作用。