史灌河險工淺析與治理實踐

蔣 剛 陳慶括

史灌河險工淺析與治理實踐

蔣 剛 陳慶括

一、史灌河概況

史灌河為淮河南岸最大的支流，流域面積6895km2，流域上游為山區(qū)，中游屬丘陵區(qū)，下游為平原。從整體上看，史灌河為寬淺式游蕩性河道，砂質(zhì)河床結(jié)構(gòu)松散，透水性強，抗沖能力低，險工多發(fā)。據(jù)2012年統(tǒng)計，史灌河右岸堤防蔣集～幸福閘共長32.95km，險工段長17.4km，占堤防總長度52.8%，部分堤段如任臺～秦后樓、柿園～新臺、丁營～后寨等段險工基本連成一片，且均已沖至堤腳。史灌河險工成為史灌河防洪工程體系的最大威脅，雖大多已有防護工程，但長遠看不能脫險，也是歷次工程建設(shè)中的重點之一。

二、史灌河險工成因分析

1.地質(zhì)條件復(fù)雜，對抗沖不利

河床及堤基堤身巖性為結(jié)構(gòu)松散的細砂、砂壤土、中細砂等無粘性土，抗沖能力極差，在迎流頂沖段、主流靠岸段引起沖刷和側(cè)蝕，造成岸坡崩坍，灘地變窄向堤腳靠近，直至沖蝕堤腳堤身形成險工。這類險工是史灌河主要部分。

2.河槽游蕩造成主流與堤腳形成大夾角沖刷

史灌河河道較寬闊，主流游蕩不定，往往直沖堤防，致岸坡快速崩塌形成險工，如高臺險工、孟小橋險工、橋溝小學(xué)險工、倒廟險工、老李集險工等。

3.受河道斷面、堤防轉(zhuǎn)角等不利影響

史灌河河道寬度變幅較大，局部河道收窄后束流致主流靠邊，導(dǎo)致堤岸淘涮形成險工，如陳臺險工、老貓?zhí)纂U工；史灌河堤防系在原有生產(chǎn)堤基礎(chǔ)上不斷加固而成，堤線較彎曲，轉(zhuǎn)角處頂沖水流形成險工，如李小莊險工、大覺寺險工等。

4.人為因素影響

主要是無序采砂形成砂丘砂坑，改變主流流向?qū)е马敍_，采砂坑靠近堤防導(dǎo)致險工，此類險工在史河中、上游常見；工程治理取土取砂造成堤腳坑塘、淺溝，洪水沖刷形成堤腳“二道河”，如史灌河右堤潘莊、付寨段險工；工程治理措施不當(dāng)未能兼顧上下游左右岸，如柴營丁壩過高過長，大水時強烈挑流導(dǎo)致對岸孟小橋險工（已護）水毀、發(fā)展等。

三、史灌河險工特點

一是破壞形式以岸坎、堤腳崩塌為主，治理需工程量大。

二是發(fā)展快、崩塌劇烈。由于河床抗沖能力差，一旦形成頂沖或主流靠邊，往往一個平水年份即可沖蝕岸灘3～5m，頂沖點處可沖蝕10m以上，2～3年即嚴重危及堤身。

三是出險突然，較難預(yù)見。史灌河主流在兩堤間擺動，河床中一個砂丘，一處新生生物障均可導(dǎo)致流向改變、頂沖堤岸形成險工。如2002年石營險工在一個枯水期受砂丘影響即發(fā)展200m，后又于2005年因主流折向，一次中等洪水即全部淤積而脫險。由于水流頂沖點隨沖淘進程上下游移，造成險工段較長，沖刷深大。

四、護岸護坡工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.防護型式選擇

河道險工防護型式常用有兩種，即丁壩與平順護岸。史灌河河床抗沖能力差，采用丁壩后主流在左右堤岸間往返折沖，容易失去控制，因此史灌河險工處理以平順防護為宜。平順護岸布置遵循以下原則：（1）防護線路盡量順應(yīng)水流方向和堤岸走向，保持平滑順直；（2）兼顧左右岸，避免過分挑流或發(fā)生漩渦；（3）兼顧上下游，與現(xiàn)有防護工程合理銜接，使整個防護段渾然一體。

2.護岸固基結(jié)構(gòu)設(shè)計

史灌河險工處理工程實踐證明，鉛絲籠拋石固基形式防護效果較好，施工簡單，質(zhì)量易控制，今后一個時期仍將是史灌河險工固基處理的主要形式。

（1）由于險工護岸破壞大都是由基礎(chǔ)埋置深度不足造成，故鉛絲籠拋石固基設(shè)計的重點是根據(jù)水流的局部沖刷深度確定拋石基礎(chǔ)埋置深度?！兜谭拦こ淘O(shè)計規(guī)范》（GB50286-98）規(guī)定，水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度按《規(guī)范》中式（D.2.2-1）計算。

式中：hB——從水面起算的局部沖刷深度（m）；

hp——沖刷處的水深（m），以近似設(shè)計水位最大嘗試代替；VCP——平均流速（m/s）；V允——河床面上允許不沖流速（m/s）；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4。

水流斜沖岸坡產(chǎn)生的沖刷深度按《規(guī)范》中式（D.2.2-2）計算。

計算公式：

式中：△hp——從河底算起的局部沖深（m）；

a——水流流向與岸坡交角（°）；

m——防護建筑物迎水面邊坡系數(shù)；

d——坡腳處土壤計算粒徑（cm）。對非粘性土，取大于15%（按重量計）的篩孔直徑；對粘性土，取表D.2.2-1的當(dāng)量粒徑值；

Vj——水流的局部沖刷流速（m/s）。

對于灘地河床，Vj按下式計算：

式中：B1——河灘寬度，從河槽邊緣至坡腳距離（m）；

Q1——通過河灘部分的設(shè)計流量（m3/s）;

H1——河灘水深（m）；

η——水流流速分配不均勻系數(shù)，按α角查表D.2.2-2采用。

對于無灘地河床，Vj按下式計算：

式中：Q——設(shè)計流量（m3/s）；

W——原河道過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；

Wp——河道縮窄部分的斷面面積（m2）。

設(shè)計采用拋石固腳，埋置深度按計算沖刷深度加安全埋置深度確定。由于前述第2、3種原因，史灌河水流流向與岸坡交角往往較大，計算的△hp值遠大于hB值。安全埋置深度值的選用應(yīng)參考該河段實測得到的最大沖刷深；采用hB值確定固腳埋置深度的，應(yīng)視險工所處位置上下游、左右岸關(guān)系推斷發(fā)生水流斜沖可能性，適當(dāng)加大安全埋置深度。對水下開挖土方困難的，可在拋石外腳增加拋石護底。

（2）頂部寬度確定。1992年，河南省水利勘測設(shè)計院在確定鉛絲籠拋石固基頂部寬度（拋石體最小厚度）時，按護坡厚度公式進行計算，計算結(jié)果顯示鉛絲籠拋石厚度1.24m時，拋石后為靜水，設(shè)計采用拋石頂部寬度為2.0m。從運用效果看，寬度2.0m偏大，但充分考慮了一段時間內(nèi)鉛絲銹蝕、根石走失的影響，基本適用；2003年后，在水流平行沖刷的險工處理中，頂部寬度部分選用1.5m也能滿足運用要求。綜合考量，如有效解決鉛絲銹蝕、根石走失問題，頂部寬度可采用1.5m甚至更小。固基拋石頂部高程一般高于枯水位0.5～1.0m，臨河側(cè)邊坡1∶1.5，后坡比不緩于 1∶1。

3.護坡結(jié)構(gòu)設(shè)計

砌石護坡與現(xiàn)澆混凝土護坡相比，質(zhì)量易保證、消浪效果好，毀壞后易修復(fù)，是險工護坡主要型式。

（1）護坡厚度計算。史灌河河道比降較陡，流速較大，其護坡厚度需通過計算確定。分別按水流作用下結(jié)果和波浪作用后計算成果，取較大值確定護坡厚度。史灌河險工處理歷次設(shè)計成果均取用厚度0.3m，從運用看是合適的。

（2）護坡頂部高程確定。近幾批史灌河險工治理設(shè)計時，護坡頂部高程一般為設(shè)計洪水位以上0.5m。從汛期觀測情況看，洪水上漲期水位在河灘水深2.0m以下時，水流流速較快，沖刷較強，水位上漲至灘地以上2.0m后，沖刷力下降，對堤岸的破壞較小，因此，除堤岸邊坡較陡堤段，護坡頂部高程可適當(dāng)降低。

五、對史灌河險工治理的建議

綜上所述，石籠固基在今后一個時期仍將是史灌河險工處理的主要結(jié)構(gòu)型式，但該結(jié)構(gòu)存在較大不足：一是塊石用量大，開山采石破壞環(huán)境，耗用資源；二是施工機械化程度低，勞動強度很大，進度慢；三鉛絲籠銹蝕腐爛后根石易走失，維修養(yǎng)護工作量較大。近年來其他河道有試用格賓網(wǎng)替代鉛絲籠，雖解決了銹蝕問題，并可一定程度減少塊石用量（縮小頂寬），但造價較高。探索險工固基新材料、新型式十分必要。

石籠固腳的埋置深度對工程量、投資影響很大，以總高度5.0m計，埋置深度減少0.5m，可減少拋石工程量15%左右；應(yīng)加強觀測和試驗研究、合理確定固腳埋深，以可使固腳拋石設(shè)計更加合理、經(jīng)濟。

加大生物措施防護險工的實驗。史灌河歷史上有采用植獲草、泡柳防護險工的成功經(jīng)驗，在工程管理中，也發(fā)現(xiàn)在堤腳灘地栽植泡柳可有效控制險工發(fā)展。生物措施防護險工尤其適用于一些險情發(fā)展初期的河段，由河槽向堤防依次為：獲草固灘、泡柳固腳護堤、草皮防護堤坡。

史灌河河床內(nèi)砂丘密布（史河中上游尤其嚴重），非法植樹導(dǎo)致河勢紊亂，加劇了險工發(fā)展，必須加強采砂管理，切實清除阻水生物障以減少人為險工

河南省固始縣水利局 465200 固始縣江河水利工程有限責(zé)任公司 465200）