朱瀟瀟，莊夢如，王 霄，陳 敏，張宇蘅

（淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005）

1 工程概況及現(xiàn)狀問題

1.1 工程概況

汪木排河是白馬湖、高寶湖地區(qū)重要跨縣河道，位于盱眙縣東部、金湖縣西部，為行洪、排澇、蓄水、灌溉等多功能骨干河道。河道起于燕窩水庫，東北向至汪木排河大橋，九里荒澗匯入后，再東流入江水道，全長22.5km，流域面積177.29km2，保護(hù)人口4.5萬人，保護(hù)農(nóng)田1.2萬hm2，排澇受益面積1.01萬hm2。汪木排河流域至今主要實施過4項治理項目：①2018年對樁號3+382~4+479流域進(jìn)行了疏浚及濱河景觀改造；②2003年對汪木排河上段馬壩黃楊圩至205國道汪木排河大橋進(jìn)行了疏浚，目前河道底部淤積0.5~1.5m；③2012年對河道下段堤防做了加固，達(dá)到20年一遇的防洪要求，但河槽未疏浚，河底淤積，排水不暢；④2019年對樁號20+040~20+875段進(jìn)行了長達(dá)835m的河底疏浚，并在20+082~20+283段右側(cè)新建碼頭一座。

1.2 現(xiàn)狀問題

除實施過上述4項治理工程外，其余段長期未綜合整治，目前，河道存在主要問題如下：①河道淤積嚴(yán)重，堤身單薄，防洪排澇能力不滿足要求；②局部河底比降較大，流速大，河槽沖刷，水土流失較為嚴(yán)重；③沿線水環(huán)境、水生態(tài)差，坡面或雜草叢生或被種植，鎮(zhèn)區(qū)段淤積，水質(zhì)惡化，散發(fā)異味；④堤頂防汛道路不暢，防汛管理難度大［1-5］。

鑒于以上存在問題，現(xiàn)對汪木排河河道工程治理部分分段治理方案進(jìn)行分析，主要涉及內(nèi)容包括：①對汪木排河18.943km長河段進(jìn)行疏浚，提高汪木排河的排澇能力；②通過對汪木排河岸坡進(jìn)行防護(hù)，防止水土流失；③對現(xiàn)狀河坡穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，對不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)段堤防進(jìn)行復(fù)堤加固，提高汪木排河堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2 疏浚方案比選分析

汪木排河現(xiàn)狀沿線多為基本農(nóng)田，特別是盱眙境內(nèi)中下游樁號9+475～20+875（新圩滾水壩～入江水道）段，現(xiàn)狀河道灘面寬，但中泓斷面狹窄。為確定合理可行的河道疏浚方案，本次采用兩種疏浚方案進(jìn)行比選。

2.1 方案1：全線擴(kuò)挖疏浚，自排區(qū)全面自排

本方案考慮疏浚全線都按照10年一遇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計斷面，設(shè)計水面線保持自排區(qū)10年一遇全面能自排。經(jīng)試算，樁號0+000~15+340設(shè)計河底寬度為2～30m，樁號15+340~20+875段底寬40m，河槽糙率采用0.025，灘面糟率0.030，結(jié)合現(xiàn)狀河坡坡比，河道邊坡采用1∶2.0，河底縱坡比降參考現(xiàn)狀河底，采用分段比降設(shè)計，分別取1/400、1/600、1/800、1/2000、1/4700。

在滿足10年一遇自排區(qū)全面能自排的情況下（高程13.0m以下為圩區(qū)范圍，對應(yīng)河道樁號為10+694），經(jīng)試算，河道設(shè)計底高程為21.18~4.5~4.0m，底寬2~30~40m，設(shè)計排澇水位23.08~11.61~11.50m。根據(jù)沿線典型地面高程分析，自排區(qū)設(shè)計水位低于地面高程0.5m以上，滿足自排要求，設(shè)計流速0.3~1.08m/s，樁號10+694至20+875段為圩區(qū)段。該方案擴(kuò)挖主泓道槽口寬6~20m，經(jīng)測算，擴(kuò)挖占地約18hm2，主要位于樁號7+820~20+875段主泓道河口兩側(cè)。其中涉及占用基本農(nóng)田約12hm2。

2.2 方案2：局部河段向下擴(kuò)挖，其余河段適當(dāng)擴(kuò)寬

本方案從工程實際情況考慮，不擴(kuò)挖樁號9+475~20+040段現(xiàn)狀中泓河口，不占用沿線基本農(nóng)田或耕地。分別按照10年一遇、5年一遇設(shè)計流量及水位推算沿線水面線。設(shè)計糟率及河底比降與方案1相同，樁號0+000~7+820、15+340~20+040段坡比1∶2，樁號7+820~15+340設(shè)計坡比按照現(xiàn)狀，為1∶1.5。

方案2河道設(shè)計底高程為21.24~5.5~4.5m，底寬2~12~40m，樁號9+475~20+040段不擴(kuò)挖現(xiàn)狀河口。5年設(shè)計水位23.02~11.16~11.07m，10年設(shè)計水位23.08~11.61~11.50m，對比地面高程，5年一遇情況下自排區(qū)水位均低于典型地面高程0.5m以上，流速0.3~1.10m/s，均能滿足自排要求。10年一遇情況下主要在樁號9+475~10+700段，水位距離典型地面0.37~0.14m之間，自排條件略差，其余段均能滿足自排要求，設(shè)計流速0.35~1.25m/s。

2.3 方案對比分析

圖2 兩方案10年一遇水面線對比

方案1全線擴(kuò)挖疏浚后，自排區(qū)可滿足10年一遇標(biāo)準(zhǔn)，但需擴(kuò)挖斷面較多，涉及基本農(nóng)田多，該方案占地矛盾突出，實施難度大。對方案1與方案2 10年一遇水面線進(jìn)行對比，方案1對下段進(jìn)行擴(kuò)挖后，樁號9+475處水位下降約0.34m，樁號10+700處下降0.09m。

方案2考慮9+475～20+040段不擴(kuò)挖現(xiàn)狀中泓河口線，僅對該段河槽挖深疏浚，其余段適當(dāng)拓浚河道，不占用基本農(nóng)田或耕地。樁號9+475~10+700段，長1.225km，對應(yīng)自排區(qū)面積約15km2，自排標(biāo)準(zhǔn)為5~10年之間，河道其余段及圩區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)均滿足10年一遇。

此外對兩方案10年一遇水面線進(jìn)行同坐標(biāo)繪制（如圖1），觀察圖1可見方案1和方案2 10年一遇排澇水位線近乎重疊；自0+395段到10+700段均處在典型地面高程以下。

圖1 方案2河道設(shè)計示意圖

綜上，采用方案2可避免占用基本農(nóng)田或耕地，僅局部自排標(biāo)準(zhǔn)在5~10年之間，該方案更符合工程實際情況，減小了實施矛盾，有利于項目的推進(jìn)，后期可根據(jù)國土空間調(diào)整情況，進(jìn)一步提高局部排澇標(biāo)準(zhǔn)，本次推薦方案2［3］。

3 護(hù)砌方案比選及確定

3.1 護(hù)砌范圍

根據(jù)河道設(shè)計流速計算，汪木排河樁號4+700～7+385段流速偏大，平均流速約1.0m/s。為減少沖刷，防止水土流失，擬對該段新建護(hù)坡，河段長2.685km。樁號4+700～5+985段位于馬壩鎮(zhèn)區(qū)，起點為陵園路下游，終點為文明東路下游約300m，段長約1.285km。為鞏固提升馬壩鎮(zhèn)生態(tài)文明建設(shè)成果，對樁號4+700～5+985段河口結(jié)合新建生態(tài)擋墻護(hù)岸及人行步道，提升河道沿線水環(huán)境，改善水生態(tài)，打造水景觀，提高沿線居民的親水、享水空間。護(hù)坡及生態(tài)護(hù)岸實施位置如圖3。

圖3 護(hù)坡及生態(tài)護(hù)岸實施位置示意圖

3.2 護(hù)坡型式比選

3.2.1 灌砌塊石護(hù)坡方案

灌砌塊石厚30cm，下設(shè)8cm碎石墊層、7cm黃砂墊層。

3.2.2 石籠護(hù)坡方案

采用低碳高鍍鋅鋼絲或合金鍍層鋼絲編織成的生態(tài)格網(wǎng)內(nèi)填天然石料，厚30cm，下設(shè)土工布一層。

圖4 灌砌塊石護(hù)坡

3.2.3 聯(lián)鎖式混凝土護(hù)坡方案

聯(lián)鎖式護(hù)坡磚是全自動混凝土砌塊生產(chǎn)線生產(chǎn)的成品，產(chǎn)品采用高強(qiáng)低堿水泥、優(yōu)質(zhì)黃沙、碎石和添加劑經(jīng)高頻振動使水泥充分液化成型，護(hù)坡磚規(guī)格為400mm×500mm×120mm，單塊重約55kg，整體抗壓強(qiáng)度達(dá)到C20混凝土，耐久性及抗凍融性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的混凝土預(yù)制塊。護(hù)坡磚形狀如下，每塊磚與周圍的6塊磚產(chǎn)生聯(lián)鎖。連鎖式護(hù)坡還包括生態(tài)植草式預(yù)制塊護(hù)坡，預(yù)制塊空隙可作為植生孔，具有良好的生態(tài)效果［6］。

圖5 石籠護(hù)坡

3.2.4 三維網(wǎng)墊植草護(hù)坡方案

三維土工網(wǎng)墊是一種新型土木工程材料，采用高分子材料PE及碳黑添加劑制成，是植草固土用的一種三維結(jié)構(gòu)的似絲瓜網(wǎng)絡(luò)樣的網(wǎng)墊，質(zhì)地疏松、柔韌，留有90%的空間可充填土壤、沙礫和細(xì)石，植物根系可以穿過其間，舒適、整齊、均衡的生長?？紤]到河道土質(zhì)為砂土類，為在植物未長出或生長初期能盡量減小坡面的水土流失現(xiàn)象，擬在三維網(wǎng)墊下再鋪設(shè)一層8~10mm椰纖植被毯。

椰纖植被毯由于采用了植物纖維為載體，產(chǎn)品的降解性好，環(huán)保性強(qiáng)；椰毯在覆蓋地面后，能有效地防止風(fēng)、熱、水、冷、鹽堿等不利因素對土壤的侵蝕，起到對土壤和種植物的物理保護(hù)作用，為草種的發(fā)芽及生長提供良好的環(huán)境，提高水、熱、光、肥的有效性，還能減少雜草的滋生，減少病蟲害，避免或減少灌溉和雨水對種子的沖刷、丟失，保證草種的快發(fā)芽、快出苗、快成坪。長成后的草皮使網(wǎng)墊、草皮、泥土表面牢固地結(jié)合在一起，由于植物根系可深入地表以下30~40cm，可在河道邊坡上形成一層堅固的綠色復(fù)合保護(hù)層，能有效解決河道的水土流失問題［7］。

3.2.5 混凝土框格草籽護(hù)坡方案

采用30cm×40cm C20混凝土格埂形成框格，框格縱橫間距根據(jù)需要可確定為2～4m，混凝土框格內(nèi)覆土，鋪設(shè)三維植被網(wǎng)，并散播狗牙根草耔。

圖6 實心聯(lián)鎖式預(yù)制塊護(hù)坡

圖7 生態(tài)植草式預(yù)制塊護(hù)坡

圖8 混凝土劃格草皮護(hù)坡

通過整理，現(xiàn)將各護(hù)砌方案分析比較列于表1。從經(jīng)濟(jì)性來看，方案3單位造價適中；從功能性看，5項方案均有耐沖刷的優(yōu)點，但方案3比方案1、2具備良好的整體性，這對于河道護(hù)坡連續(xù)性和風(fēng)貌建設(shè)具有非常大的意義。對比方案4和方案5，方案3在施工經(jīng)驗和固土防流失方面又更具優(yōu)勢；再談適用性，方案3能夠更加有效地主動恢復(fù)瀕水系統(tǒng)生態(tài)，適應(yīng)變形能力遠(yuǎn)高于其余4項方案。此外，方案3在后期的維修管理顯得更為方便，可操作性更強(qiáng)。

表1 護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式分析比較

綜上所述，對常水位以下的坡面防護(hù)，選擇相對堅固耐沖的護(hù)坡方案，推薦采用混凝土實心聯(lián)鎖式預(yù)制塊護(hù)坡。對常水位以上范圍的坡面防護(hù)，結(jié)合生態(tài)、環(huán)境、景觀需求，推薦采用混凝土植草式預(yù)制塊護(hù)坡。

3.3 生態(tài)護(hù)岸型式比選

目前較為常見的幾種護(hù)岸型式主要有階梯式生態(tài)護(hù)岸、格賓石籠護(hù)岸、仿木樁護(hù)岸、魚巢式生態(tài)護(hù)岸等［8-9］，各種護(hù)岸的主要特點說明如表2。

表2 各種生態(tài)護(hù)岸特點匯總

本次護(hù)岸工程主要位于馬壩鎮(zhèn)區(qū)4+700~5+985段，長1.285km，護(hù)岸設(shè)置于河口的水位變化區(qū)，對比以上4種生態(tài)護(hù)岸，推薦采用生態(tài)景觀效果好、施工方便的階梯式生態(tài)護(hù)坡，護(hù)岸后側(cè)設(shè)計親水步道，達(dá)到擋土、生態(tài)、美觀的效果。

4 河坡穩(wěn)定分析

堤身滲流及抗滑穩(wěn)定采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所的土壩/堤防滲流及邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)軟件。

4.1 堤身滲流穩(wěn)定計算

堤內(nèi)的穩(wěn)定滲流符合達(dá)西定律［10］，對于非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數(shù)滿足微分方程：

式中 φ=φ（x，y）為待求水頭勢函數(shù)；kx，ky－x，y軸方向的滲透系數(shù)；Jx，Jy－x，y軸方向的水力坡降。

系統(tǒng)采用節(jié)點虛流量法通過多次迭代計算自動確定浸潤線位置、出逸高度及各點的水力坡降。

4.2 邊坡抗滑穩(wěn)定計算

土坡穩(wěn)定性的計算，根據(jù)GB50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的計算方法，采用瑞典圓弧法進(jìn)行計算。

施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

水位驟降期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中 K為安全系數(shù)；b為土條寬度（m）；W為條塊重力（kN）；W1為堤坡外水位以上的條塊重力（kN）；W2為堤坡外水位以下的條塊重力（kN）；Z為堤坡外水位高出條塊底面中點的距離（m）；u為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力（kPa）；ui為水位降落前堤身的孔隙壓力（kPa）；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角度（°）；γw為水的重度（kN/m3）；Cu，φu；Ccu，φcu；C′，φ′分別為土的快剪、固結(jié)快剪、慢剪指標(biāo)（kPa/（°））。

4.3 計算工況及條件

根據(jù)堤身土質(zhì)資料，輸入各層土質(zhì)C，φ值及滲透系數(shù)，并給出滲流逸出邊界及邊坡滑動位置，在不同的設(shè)計工況下，算出滲流浸潤線，并利用該浸潤線計算邊坡滲流及抗滑穩(wěn)定系數(shù)［11］。

根據(jù)規(guī)范要求，本次3種工況分別為：

工況1，設(shè)計洪水位驟降期的臨水側(cè)堤坡工況。

工況2，連續(xù)降雨期的臨水側(cè)堤坡工況。

工況3，施工期臨水側(cè)堤坡工況。

工況4，設(shè)計洪水背水側(cè)堤坡工況。

滲流穩(wěn)定計算工況1與工況2；邊坡抗滑穩(wěn)定計算工況1、工況2與工況3，主堤背坡高差較大時，計算工況4。根據(jù)工程地質(zhì)情況，選取最不利的7個典型斷面進(jìn)行計算，滲流穩(wěn)定計算結(jié)果和邊坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果如表3。

表3 滲流穩(wěn)定和堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計算成果

圖9 典型樁號計算簡圖

根據(jù)表3堤坡滲流與抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于容許值，滿足相關(guān)規(guī)范要求。因此，初擬設(shè)計斷面河坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，設(shè)計斷面合理。

5 結(jié)語

（1）淮安市汪木排河河道整治工程疏浚設(shè)計方案通過運(yùn)用相關(guān)規(guī)范知識比選后，在施工層面，方案2可避免占用基本農(nóng)田或耕地，僅局部自排標(biāo)準(zhǔn)在5~10年之間，該方案更符合工程實際情況，減小了實施矛盾，有利于項目推進(jìn)。護(hù)砌設(shè)計方案比選結(jié)果表明護(hù)坡形式選用方案3能從經(jīng)濟(jì)性、功能性、適用性，及后期的維修管理等方面取得更大潛在性效益，而護(hù)岸型式則選用階梯式生態(tài)護(hù)坡會具有更好的生態(tài)景觀效果。

（2）對于河道設(shè)計過工程，現(xiàn)有的工程技術(shù)眾多，但是其優(yōu)缺點和適應(yīng)性各有所不同［12］。在保證河道護(hù)坡穩(wěn)定性達(dá)到規(guī)范要求和使用年限的前提條件下，擇優(yōu)選取設(shè)計方案是落實效益最大化、生態(tài)友好型工程的有效途徑，也是一項值得有關(guān)技術(shù)人員認(rèn)真思考的課題。