李明軍

(崇信縣水利工程建設(shè)站，甘肅 平?jīng)?744200)

為實(shí)現(xiàn)甘肅省崇信縣達(dá)溪河的生態(tài)河堤治理，對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)地勘測(cè)。測(cè)得河道總長(zhǎng)度為13.74 km，其中干流長(zhǎng)6.89 km，支流總長(zhǎng)6.86 km。達(dá)溪河生態(tài)河堤治理工程河道兩岸分布主要為耕地和林地，河段防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，局部河岸岸坡陡立。由于所測(cè)該段河道此前從未實(shí)施治理，現(xiàn)狀河床寬窄不一，且河道護(hù)岸堤防，汛期時(shí)不能滿足防洪要求，嚴(yán)重制約達(dá)溪河流域居民生產(chǎn)生活、耕地及基礎(chǔ)設(shè)施的安全和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。因此，急需對(duì)達(dá)溪河段河道進(jìn)行整治。

在進(jìn)行工程治理設(shè)計(jì)時(shí)，從不過(guò)多改變自然坡降出發(fā)，遵從河道治理原則，并考慮盡量減少土方開(kāi)挖量，治理段河道縱向坡降采取現(xiàn)狀自然坡降。

1 工程總體布置

1.1 干流河道橫斷面選擇

根據(jù)河道現(xiàn)狀，并結(jié)合地形、地質(zhì)、工程布置、施工條件、工程量、拆遷占地、投資、美觀效果等因素綜合考慮，選取兩種斷面形式進(jìn)行比較分析，見(jiàn)表1。

表1 兩種斷面形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由表1可知，結(jié)合本工程生態(tài)景觀需求，并根據(jù)類似工程實(shí)例，河道斷面選用梯形斷面較為合理。

1.2 堤距確定

根據(jù)各河段選出的典型實(shí)測(cè)斷面，采用平灘流量法計(jì)算造床流量。經(jīng)分析比較，工程段造床流量相當(dāng)于 2 年一遇洪峰流量。

穩(wěn)定河寬采用阿爾圖寧公式計(jì)算：

式中：B為穩(wěn)定河寬，m；Q為造床流量，m3/s；J為河床比降；A為穩(wěn)定河寬系數(shù)，1.0～1.7。由于本河段屬于蜿蜒型中上游河段，故A取1.0 。

根據(jù)達(dá)溪河河道的地形、地質(zhì)條件、水文泥沙特性、河床演變特點(diǎn)、沖淤變化規(guī)律，結(jié)合河道實(shí)測(cè)穩(wěn)定地坎距離，確定各段堤距。工程區(qū)穩(wěn)定河寬成果及堤距見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定河寬計(jì)算成果表

2 河堤護(hù)砌工程方案比選

2.1 護(hù)岸工程形式選定

根據(jù)河道現(xiàn)狀岸坡坡度，本次工程擬采用坡式護(hù)岸及墻式護(hù)岸進(jìn)行比較選擇，詳見(jiàn)表3。

表3 兩種護(hù)岸形式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由于現(xiàn)狀河岸岸坡較陡，坡比1∶0.7～1∶3.0，若采用坡式護(hù)岸，坡比1∶2.0或1∶1.5，削坡后即可護(hù)坡，土方開(kāi)挖量較小，且治理后水面較大，增加河道治理美化視覺(jué)效果，因此此次護(hù)岸型式選擇坡式護(hù)岸。

2.2 護(hù)坡方案比選

取長(zhǎng)10 m迎水坡防護(hù)進(jìn)行比選，護(hù)坡高度取5 m，分別采用厚30 cm綠濱墊護(hù)坡、厚30 cm漿砌石護(hù)坡、厚15 cm混凝土砌塊護(hù)坡和厚15 cm現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡，投資及優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表4。

表4 護(hù)坡材料比選表

若采用漿砌塊石或干砌塊石護(hù)坡造價(jià)大，且砌石護(hù)坡勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工速度慢；現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡外形美觀，施工快捷，但施工受天氣、溫度等影響較大，適應(yīng)變形能力差；混凝土砌塊護(hù)坡砌塊縫易滋生草木，破壞護(hù)坡，后期維修工作量大；而綠濱墊護(hù)坡造價(jià)較低，且優(yōu)點(diǎn)突出，即結(jié)構(gòu)牢固、抗拉、抗剪、抗震、操作簡(jiǎn)單、施工方便、生態(tài)環(huán)保、高抗腐蝕、抗氧化。因此，本次設(shè)計(jì)采用綠濱墊護(hù)坡。

2.3 護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

結(jié)合設(shè)計(jì)水位和現(xiàn)狀岸頂高程，治理河段岸線型式主要是護(hù)坡和堤防。

2.3.1 堤防工程設(shè)計(jì)

1) 河堤堤頂高程確定。根據(jù)堤頂超高和風(fēng)浪計(jì)算的莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算出支流和干流10年一遇洪水的正常段堤防設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 支流和干流正常堤防段設(shè)計(jì)參數(shù)

由以上計(jì)算結(jié)果可知，干流、支流防護(hù)段統(tǒng)一取10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下堤防頂安全超高為1.0 m。因此，本工程堤防段堤防頂高程為10年一遇設(shè)計(jì)洪水位加1.0 m。

2) 河堤滲流計(jì)算。由于達(dá)溪河洪水漲落快、堤身高，水位擋水時(shí)間較短，不能形成穩(wěn)定滲流，故本工程滲流計(jì)算按不穩(wěn)定滲流計(jì)算。不穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線計(jì)算示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 不穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線計(jì)算示意圖

滲流在背水坡坡腳出現(xiàn)所需要時(shí)間T可按下列公式計(jì)算：

(1)

n0=n(1-SW%)

(2)

式中：k為堤身滲透系數(shù)，2×10-5m/s；n0為土的有效孔隙率；n為孔隙率，0.33；SW%為飽和度，30%；H為水深，m，P=10%時(shí)最大水深為 2.6 m；m1為迎水坡坡率，1.5；m2為背水坡坡率，1.5。

經(jīng)計(jì)算，T=2.6 d。根據(jù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線，主洪峰持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)12 h，小于滲流在背水坡坡腳出現(xiàn)所需的時(shí)間T，故浸潤(rùn)線不會(huì)從堤身逸出。

浸潤(rùn)線鋒面距迎水坡坡腳的距離L按下式計(jì)算：

(3)

求得L=6.24 m，而該河堤底寬為14.3 m>6.24 m。

由以上分析及計(jì)算可以看出，設(shè)計(jì)洪水持續(xù)時(shí)間較短，不能形成穩(wěn)定滲流，浸潤(rùn)線不會(huì)從河堤坡腳逸出，河堤不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。

3) 抗滑穩(wěn)定計(jì)算。為了保證堤防的正常運(yùn)行，維護(hù)工程安全，需要進(jìn)行堤防的穩(wěn)定性分析，分析成果見(jiàn)表6。

表6 堤防穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

由表6可以看出，各種工況的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Kmin均大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。因此，堤防護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.3.2 護(hù)坡工程設(shè)計(jì)

結(jié)合前文所述堤頂超高，確定本次治理河段護(hù)坡護(hù)砌至10年一遇設(shè)計(jì)洪水位以上0.5 m。

綠濱護(hù)坡厚度由下式計(jì)算：

t=2.0Dm

(4)

(5)

Cv=1.283-0.2lg(R/b)

(6)

式中：t為綠濱墊的最小厚度，m；Dm為填石的中值粒徑，50%的填石粒徑超過(guò)該值，用于河道轉(zhuǎn)彎處外側(cè)的綠濱墊填石Dm應(yīng)乘以系數(shù)1.2；S0為粒徑安全系數(shù)，1.1；Cs為填石穩(wěn)定系數(shù)，0.1；Cv為流速分布系數(shù)；d為流速V處局部水深，m；γs為填石重度，29.5 kN/m3；γw為水的重度，10 kN/m3；V為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，9.81 m3/s；K1為邊坡修整因子，當(dāng)1∶1.5時(shí)，取0.71；R為水力半徑，m；b為水面寬度，m。

經(jīng)計(jì)算得，綠濱墊厚度為0.01～0.36 m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)以及便于施工，此次綠濱墊護(hù)坡厚度取為0.3 m。根據(jù)規(guī)定，本工程干流綠濱墊護(hù)坡在干流上下游邊界處厚度取0.6 m。

2.4 水力計(jì)算

2.4.1 水流平行岸坡沖深計(jì)算

平順護(hù)岸沖刷深度可按下式計(jì)算[3]：

(7)

(8)

式中：hS為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處水深，m；U為行進(jìn)流速，m/s；Ucp為平均流速，m/s；η為水流流速不均勻系數(shù)，可根據(jù)水流流向與岸坡夾角α查表得到；Uc為泥沙啟動(dòng)流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n=1/4。

對(duì)于砂質(zhì)河床，Uc采用張瑞瑾公式[4]計(jì)算：

(9)

式中：γs和γ為泥沙與水的容重，分別為22和9.8 kN/m3；d50為床沙的中值粒徑，取0.011 74 m。

根據(jù)計(jì)算，達(dá)溪河干流沖刷深度為0.37～1.37 m，支流沖刷深度為0.17～1.0 m。則本工程達(dá)溪河干流防沖護(hù)腳深取1.5 m，支流防護(hù)段防沖護(hù)腳深取1.0 m。考慮到河道演變規(guī)律和已建堤防運(yùn)行現(xiàn)狀，河底高程會(huì)在河道治理后一段時(shí)間內(nèi)下降0.3～0.5 m，因此護(hù)腳深度需要相應(yīng)的加深，最終取達(dá)溪河干流防沖護(hù)腳深取2.0 m，支流防護(hù)段防沖護(hù)腳深取1.5 m。

2.4.2 水流斜沖防護(hù)岸坡沖刷計(jì)算

水流斜沖防護(hù)岸坡產(chǎn)生的沖刷計(jì)算[5]：

(10)

式中：Δhp為從河底算起的局部沖深，m；α為水流流向與岸坡夾角，(°)；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)，取1.5；d為坡角處土壤計(jì)算粒徑，m；Vj為水流的局部沖刷流速，m/s。

水流斜沖河道凹岸局部沖刷深度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

根據(jù)表7，若水流斜沖河道凹岸沖刷深度小于上節(jié)中河道順直段的沖刷深度，則防沖護(hù)腳深取順直段的護(hù)腳深，否則可按表8取值。

表7 水流斜沖河道凹岸沖刷深度計(jì)算表

表8 水流斜沖河道凹岸沖刷深度取值表

3 結(jié) 語(yǔ)

達(dá)溪河的綜合勘測(cè)設(shè)計(jì)表明，河道治理斷面選定為梯形斷面，根據(jù)河岸現(xiàn)狀岸坡坡度，采用坡式護(hù)岸型式；結(jié)合造價(jià)、氣候及材料性能采用綠濱墊護(hù)坡。由工程等級(jí)確定河道整治中設(shè)計(jì)洪水均采用10年一遇標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)浸潤(rùn)線進(jìn)行計(jì)算表明確定不會(huì)溢出，河堤不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞，堤防護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水力計(jì)算合理，可為工程的安全運(yùn)行提供支撐，有利于達(dá)溪河兩岸防震減災(zāi)工作開(kāi)展和改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。本文的工程治理方案可為類似的工程設(shè)計(jì)提供參考。