戴家營(yíng)河城區(qū)段防洪整治工程可行性研究

劉玉恒,李 綱,王晨澍

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河北 石家莊 050021)

1 概述

戴家營(yíng)河屬于永定河水系洋河支流,發(fā)源于宣化縣壩口鄉(xiāng),流經(jīng)定方水、戴家營(yíng)鄉(xiāng),從張家口市下花園區(qū)西部匯入洋河,為季節(jié)性河流。河道全長(zhǎng) 27.7 km,流域面積 136.4 km2,主河道坡度 23.3‰。河道上游建有一座小(Ⅰ )型水庫(kù)——車道溝水庫(kù),流域內(nèi)植被差,汛期洪水暴漲暴落。

由于修建違章建筑、隨意開(kāi)荒種地?cái)D占河道以及向河道內(nèi)傾倒垃圾,再加上年久失修,致使河道阻水嚴(yán)重,不僅大大降低了河道的行洪能力,使其達(dá)不到城市的防洪要求,而且造成生態(tài)環(huán)境日益惡化,嚴(yán)重影響了城市形象,為此,需對(duì)戴家營(yíng)河進(jìn)行整治。

2 水文氣象

張家口市屬寒帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季特征明顯,夏季涼爽短促,晝夜溫差懸殊,降雨集中,冬季寒冷漫長(zhǎng),春秋季節(jié)少雨多風(fēng)。

戴家營(yíng)河的設(shè)計(jì)天然年徑流計(jì)算采用河北省第二次水資源評(píng)價(jià)的最新天然年徑流等值線圖、《張家口市水文水資源手冊(cè)》中天然年徑流等值線圖和經(jīng)驗(yàn)公式,成果見(jiàn)表 1。

由于工程斷面附近沒(méi)有實(shí)測(cè)流量資料,因此設(shè)計(jì)洪水通過(guò)暴雨途徑推求。經(jīng)分析,計(jì)算公式采用《張家口水文水資源手冊(cè)》中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式,設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見(jiàn)表 2。

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì),施工時(shí)段為 9月 1日至次年5月 31日,施工期防洪標(biāo)準(zhǔn)為 5年一遇,設(shè)計(jì)流量為 7.8 m3/s。流域多年平均總輸沙量 6.32萬(wàn) t/a。

表1 戴家營(yíng)河設(shè)計(jì)天然年徑流量

表2 戴家營(yíng)河設(shè)計(jì)洪水成果

3 工程地質(zhì)

通過(guò)勘察顯示,戴家營(yíng)河河床內(nèi)工程區(qū)無(wú)大的斷裂和斷層通過(guò),該處地層穩(wěn)定性較好,無(wú)下臥軟弱層、震動(dòng)液化及基坑開(kāi)挖等不良地質(zhì)問(wèn)題,此外,場(chǎng)地內(nèi)無(wú)其它不良地質(zhì)作用,場(chǎng)地內(nèi)無(wú)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,場(chǎng)地穩(wěn)定,承載力可以滿足上覆壓力的要求,且地基均勻,故不會(huì)產(chǎn)生不均勻沉陷,適宜本工程的建設(shè)。

4 總體設(shè)想

通過(guò)對(duì)戴家營(yíng)河城區(qū)段進(jìn)行綜合整治,提高下花園區(qū)的防洪能力,同時(shí)修建攔蓄工程,采取合理的防滲措施,形成人工水面,改善周邊環(huán)境,實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境和人文環(huán)境的有機(jī)結(jié)合,使城市真正具有生態(tài)城市、園林城市、文化城市的品味,創(chuàng)造理想的人居環(huán)境。因此,本工程是具有防洪、蓄水及改善城市環(huán)境綜合功能的生態(tài)恢復(fù)工程。

依據(jù)堤線布置應(yīng)遵循的原則,河道堤線與河勢(shì)流向相適應(yīng),并與洪水的主流線大致平行,各段平緩連接。在工程布置中,充分利用現(xiàn)有工程并考慮現(xiàn)有工程的限制條件,同時(shí)盡量不占耕地、避免房屋拆遷。

戴家營(yíng)河整治段自 110國(guó)道公路橋(樁號(hào) 0+000)至洋河匯入口(樁號(hào) 2+250),河段長(zhǎng) 2250 m,共布置 6座溢流堰、1座跌水、7座橡膠壩。

5 防洪可行性分析

5.1 工程標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)模

根據(jù)張家口市下花園區(qū)現(xiàn)狀人口和《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-94)相關(guān)規(guī)定,戴家營(yíng)河防洪標(biāo)準(zhǔn)為 20年一遇,相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪峰流量為 305 m3/s。同時(shí)考慮城市的發(fā)展需要,確保 50年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水不漫堤。工程等別為Ⅳ等,主要建筑物級(jí)別為 4級(jí),次要建筑物級(jí)別為 5級(jí),堤防級(jí)別為 4級(jí)。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001),工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度 0.15 g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期 0.35 s,對(duì)應(yīng)工程沿線地震基本烈度為Ⅶ度。

5.2 河道斷面形式確定

(1)河道縱斷面設(shè)計(jì)。現(xiàn)狀河底平均縱坡 16‰,考慮蓄水景觀效果,調(diào)整河道縱坡,集中落差,分段布置橡膠壩,使每座橡膠壩蓄水段縱坡變緩,盡量延長(zhǎng)水面長(zhǎng)度。為滿足蓄水要求,河道挖深較大,考慮同上游地面的銜接,在樁號(hào) 0+220處布置一座跌水。調(diào)坡設(shè)跌水后的設(shè)計(jì)縱坡：跌水以上為 26.5‰;跌水～1號(hào)橡膠壩為 13.9‰;1號(hào)～2號(hào)橡膠壩為 12.5‰;2號(hào)～4號(hào)橡膠壩為 10.9‰;4號(hào)～5號(hào)橡膠壩為 7.8‰;5號(hào)～6號(hào)橡膠壩之間分 3段,分別為 0,4‰,18.6‰;6號(hào)～7號(hào)橡膠壩為 10.6‰。

(2)河道橫斷面設(shè)計(jì)。河道設(shè)計(jì)橫斷面為復(fù)式斷面,主槽為矩形斷面,寬 50～135 m,岸墻防護(hù)為漿砌石重力墻,主槽兩側(cè)設(shè)親水平臺(tái),寬 2～100 m,其中京包鐵路橋處主槽寬 133 m,親水平臺(tái)寬度為左岸 25 m,右岸 2 m。京包鐵路橋上游左岸采取緩坡壟崗式護(hù)坡與現(xiàn)有城區(qū)二級(jí)路連接線相接;右岸親水平臺(tái)外側(cè)設(shè)水泥連鎖磚護(hù)坡與地面銜接,坡比 1∶2.0,岸頂修建城市道路,路寬 12 m。京包鐵路橋下游維持現(xiàn)狀河寬,左岸岸頂修建堤防管理道路,路基寬 5 m,路面凈寬 4 m;右岸親水平臺(tái)外側(cè)設(shè)水泥連鎖磚護(hù)坡與地面銜接,坡比 1∶ 2.0。

(3)河道防滲設(shè)計(jì)。河道防滲材料采用復(fù)合土工膜,其規(guī)格為 200 g/0.5 mm/200 g。膜下鋪設(shè)厚度為0.1 m的砂墊層,膜上澆筑厚度為 0.15 m的 C25素混凝土。

5.3 過(guò)流能力復(fù)核

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為 20年一遇,同時(shí)考慮城市的發(fā)展需要,對(duì) 50年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行復(fù)核。首先根據(jù)天然河道水面線,對(duì)現(xiàn)狀河道過(guò)流能力進(jìn)行復(fù)核。復(fù)核結(jié)果表明,現(xiàn)狀河道不滿足 20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。然后,按設(shè)計(jì)方案對(duì)河道斷面進(jìn)行調(diào)整,并計(jì)算經(jīng)過(guò)調(diào)整后的河道過(guò)流能力。經(jīng)計(jì)算,在滿足防洪標(biāo)準(zhǔn) 20年一遇的堤頂高程下,50年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水不漫堤。由此可見(jiàn),按設(shè)計(jì)方案整治后的河道過(guò)流能力能夠滿足城市防洪要求。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-98),堤防級(jí)別為 4級(jí),堤頂超高由設(shè)計(jì)波浪爬高、設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度及安全加高 3部分組成,經(jīng)計(jì)算,以上 3項(xiàng)之和為 0.973 m,堤頂超高取 1.0 m。

5.4 溢流堰穩(wěn)定性復(fù)核

樁號(hào)為 0+000～0+200的河段,縱坡為 26.5‰,主槽寬 50 m。針對(duì)該河段具有長(zhǎng)度短,縱坡陡的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)縱坡基礎(chǔ)上采取下挖主槽和砌筑多級(jí)漿砌石溢流堰擋水的方式形成梯級(jí)蓄水水面。岸墻防護(hù)為漿砌石重力墻,迎水面采用混凝土貼面,主槽兩側(cè)設(shè)親水平臺(tái),寬 10 m。本段河道共設(shè) 5段蓄水水面,6座溢流堰,樁號(hào)依次為 0+020,0+057.74,0+095.47,0+ 133.21,0+ 170.94,0+195.2,堰頂高程自 571.47 m降至566.7 m。

溢流堰取 2號(hào)堰體進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,按以下 4種工況進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3。

表3 溢流堰穩(wěn)定計(jì)算成果表

工況一(設(shè)計(jì)Ⅰ )：完建工況;

工況二(設(shè)計(jì)Ⅱ )：河道正常蓄水,堰體上游側(cè)蓄水位 570.47 m,下游側(cè)蓄水位 569.47 m;

工況三(設(shè)計(jì)Ⅲ )：河道設(shè)計(jì)洪水位為 571.85 m;

工況四(校核Ⅰ )：河道正常蓄水位+地震。

由表 3可知,各種工況下溢流堰抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力及不均勻系數(shù)均滿足要求。

5.5 跌水工程計(jì)算

跌水工程由鋪蓋、底板、消力池和護(hù)坦組成,跌水長(zhǎng) 60 m,跌落差 2.7 m,樁號(hào)為 0+200～0+260。鋪蓋、底板、消力池、護(hù)坦及兩岸邊墻均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)消能計(jì)算,跌水消力池池深取 1.5 m,消力池長(zhǎng)度取16.3 m。

5.6 橡膠壩工程

與水閘相比,橡膠壩具有不在河道中設(shè)閘墩,汛期時(shí)坍壩運(yùn)行,不影響河道過(guò)流條件,投資較小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)綜合考慮,并參照國(guó)內(nèi)其它城市已建類似工程經(jīng)驗(yàn),推薦采用橡膠壩擋水方案。在樁號(hào)為 0+260～2+250的河段共布置 7座橡膠壩,樁號(hào)依次為 0+460,0+740,1+030,1+320,1+700,2+010,2+210。其中 1號(hào)～5號(hào)橡膠壩壩高 3.0 m,6號(hào)和 7號(hào)橡膠壩壩高 2.0 m。橡膠壩工程主要由上游連接段、壩室段和下游連接段 3部分組成,順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)為 58 m～60 m,均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

橡膠壩穩(wěn)定計(jì)算按以下 3種工況進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算成果見(jiàn)表 4。

表4 橡膠壩穩(wěn)定計(jì)算成果

工況一(設(shè)計(jì)Ⅰ )：完建工況;

工況二(設(shè)計(jì)Ⅱ )：河道正常蓄水,蓄水位低于壩頂高程 0.2 m;

工況三(校核Ⅰ )：河道正常蓄水位+地震。

由表 4可知,各種工況下橡膠壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力及不均勻系數(shù)均滿足要求。

6 蓄水可行性分析

6.1 蓄水工程需水量分析

需水量是指河道內(nèi)蓄水量損失,包括滲漏量和蒸發(fā)量。采取復(fù)合土工膜防滲后,日均滲漏量為 0.04～0.08 m/d。考慮到土工膜上澆筑厚度為 0.15 m的 C25混凝土,防滲效果較好,日均滲漏量取 0.04 m/d。水面蒸發(fā)量主要與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)。下花園區(qū)多年平均水面蒸發(fā)量 1149.78 mm,扣除多年平均降雨量362.9 mm,多年平均凈蒸發(fā)量為 786.88 mm。

考慮到主汛期不蓄水,75%保證率下年需水量為 100.61萬(wàn) m3,河道帶狀水域蓄水量 17.99萬(wàn) m3,汛末蓄滿,同時(shí)蓄水區(qū)域每年換水一次,由響水鋪水庫(kù)引水,年引水量為 118.6萬(wàn) m3。水量供需平衡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 供需水量平衡表

6.2 水源分析

戴家營(yíng)河城區(qū)段防洪綜合整治工程水源地為響水鋪水庫(kù),該水庫(kù)位于宣化縣顧家營(yíng)鎮(zhèn)站村西洋河干流上,是一座以防洪為主、兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程。水庫(kù)總庫(kù)容 5750萬(wàn) m3,興利庫(kù)容2540萬(wàn) m3。因此,引水水源能夠滿足蓄水需求。

7 環(huán)境保護(hù)評(píng)價(jià)

本工程是具有防洪、蓄水、改善城市環(huán)境綜合功能的生態(tài)恢復(fù)工程,同時(shí)也是環(huán)保工程。工程建成后將提高下花園區(qū)的防洪能力,減免洪災(zāi)對(duì)城區(qū)的危害,還居民一個(gè)安全、舒適的工作和生活環(huán)境,為未來(lái)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)蓄水景觀建設(shè),實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境和人文環(huán)境的有機(jī)結(jié)合,創(chuàng)造理想的人居環(huán)境。

工程施工期,施工產(chǎn)生的污水、廢氣和棄渣對(duì)環(huán)境有一定的危害,施工中噪音對(duì)周圍村莊的居民也有影響,因此,工程實(shí)施過(guò)程中,應(yīng)采取環(huán)保措施嚴(yán)格控制污水、廢氣和棄渣的排放,交通道路定期灑水,最大限度地減少對(duì)環(huán)境的不利影響。

8 結(jié)論

戴家營(yíng)河城區(qū)段防洪綜合整治工程實(shí)施后,不僅可以提高下花園區(qū)城市防洪能力,而且有利于周邊環(huán)境改善和生態(tài)恢復(fù),有充足的水源滿足蓄水要求。溢流堰、橡膠壩等項(xiàng)工程安全穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算,工程估算總投資10712.26萬(wàn)元,工程靜態(tài)總投資 10513.04萬(wàn)元;國(guó)民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為 8.56%,大于 8%;國(guó)民經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值為 460.80萬(wàn)元,大于 0;經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比為 1.05,大于 1。綜上所述,該項(xiàng)目是合理可行的。

[1]尹永紅 ,王風(fēng)軍,高立衛(wèi),等.肅寧應(yīng)急供水調(diào)蓄工程水土保持方案設(shè)計(jì) [J].河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2011(2)：9-11.

[2]胡凱,于瑞濤,賈玉玲.多措并舉 保障滄州城市供水安全 [J].河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2010(9)：11-13.

[3]SL 252-2000,水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn) [S].

[4]GB50286-98,堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]SL 227-98,橡膠壩技術(shù)規(guī)范 [S].