淺析景電灌區(qū)馬家磨河河道治理方案優(yōu)選

(甘肅省景泰川電力提灌管理局， 甘肅 景泰 730400)

淺析景電灌區(qū)馬家磨河河道治理方案優(yōu)選

張茂林

(甘肅省景泰川電力提灌管理局， 甘肅 景泰 730400)

濕陷性黃土遇水浸濕后，其結(jié)構(gòu)會迅速破壞，發(fā)生沉降變形，土體強度也會大幅下降，為黃土地區(qū)的工程安全帶來巨大隱患，尤其對大型灌區(qū)內(nèi)河道工程的邊坡及河床穩(wěn)定具有極大危害。以甘肅景電灌區(qū)馬家磨河為例，根據(jù)其實際工程地質(zhì)特點對其進行穩(wěn)定防護設(shè)計，分別采用俯斜式擋墻和谷坊對堤防和河床進行防護，增加其穩(wěn)定性，減少沖刷。該方案可為黃土地區(qū)類似工程的防護設(shè)計提供參考。

干旱灌區(qū)； 濕陷性黃土； 河道治理； 方案設(shè)計

在我國西北的干旱荒漠區(qū)，通過建設(shè)大型的調(diào)水工程、發(fā)展人工灌溉綠洲可以明顯改善當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活條件，并可取得顯著的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益[1]。但是，由于氣候條件、地形地質(zhì)條件和水文條件的限制，干旱荒漠灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)田和村莊經(jīng)常會受到河道內(nèi)季節(jié)性洪水的影響，造成農(nóng)田沖毀、河岸坍塌、輸水建筑物受損等問題。其中，地質(zhì)條件為濕陷性黃土地基的天然河道最易受到洪水的沖蝕，致使河岸坍塌、溝道下切、周圍的農(nóng)田和村落遭到破壞，嚴重影響灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和周邊農(nóng)戶的生活[2]。為減緩和消除季節(jié)性溝道對灌區(qū)生產(chǎn)條件的影響，近年來，國家實施了中小河流和行洪溝道的治理工程，有效減緩了汛期的灌區(qū)工程安全。

針對不同河道的地質(zhì)和地形條件，工程的規(guī)劃設(shè)計者們提出了很多科學(xué)實用的治理方案和岸坡護砌結(jié)構(gòu)。針對黃土邊坡的穩(wěn)定性問題，謝永利等[3]研究了黃土公路路塹邊坡不同坡型的變形與破壞的發(fā)展過程、破壞特征及設(shè)計參數(shù)；張衛(wèi)兵[4]針對黃土堤防沉降變形過程、空間效應(yīng)對沉降變形規(guī)律的影響及黃土邊坡的濕化特性進行了研究，并分析了加載期與穩(wěn)定期沉降變化規(guī)律及其構(gòu)成變化。在針對濕陷性河道邊坡受沖刷的防護技術(shù)的研究方面，主要依靠經(jīng)驗判定和方案優(yōu)選的數(shù)學(xué)方法進行。

在甘肅省景泰川電力提灌馬家磨河防洪工程中，根據(jù)其特殊的地形、地質(zhì)和水文條件，按照確保安全、便于施工等要求，采用了漿砌石和混凝土結(jié)合的俯斜式擋墻和仰斜式擋墻的護砌治理方案，確保了溝道岸坡的安全。

1 工程概況

1.1 地理位置

甘肅省景泰川電力提灌灌區(qū)(后稱“景電灌區(qū)”)馬家磨河，位于甘肅省古浪縣海子灘內(nèi)，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°26′05″～東經(jīng)103°36′09″，北緯37°26′05″～北緯37°34′23″之間。

工程區(qū)地處古浪海子灘盆地，南臨祁連山東段的秦家大山、長嶺山，北與騰格里沙漠接壤，海拔高程1710～2000m，地勢南高北低，地形開闊平坦，河流發(fā)育，有馬家磨河及其10余條支流(見圖1)。馬家磨河是古浪縣海子灘最大的洪水溝道，由南向北穿過景電灌區(qū)，沿線匯入支流十余條，河道支流發(fā)育，河網(wǎng)較密，中上游山巒重疊，河谷交錯；下游屬黃土梁峁溝壑區(qū)，植被較差，水土流失嚴重。由于支流數(shù)量眾多，且支流上防洪措施少、防護標(biāo)準(zhǔn)低、防洪體系不完善，河道沖刷和洪災(zāi)損壞比較嚴重，對灌區(qū)影響范圍較大，洪災(zāi)影響比較頻繁。

圖1 馬家磨河防洪工程平面

1.2 地質(zhì)特性

1.3 水文條件

馬家磨河洪水主要由暴雨形成，特性為峰高量小、歷時較短，按照《小流域暴雨洪峰流量計算》和歷史調(diào)查洪水資料，建立該地區(qū)洪峰流量模數(shù)關(guān)系，見下頁表1。

表1 馬家磨河溝道洪水模數(shù)關(guān)系

在洪水過程推算時，采用瞬時單位線法對原設(shè)計進行復(fù)核。不同歷時的設(shè)計點暴雨經(jīng)點面折減系數(shù)及形狀改正系數(shù)后，得到不同頻率的設(shè)計面暴雨。雨型分配過程根據(jù)設(shè)計流域所在分區(qū)考慮流域面積，大小采用3h主雨峰控制，產(chǎn)匯流分區(qū)根據(jù)流域下墊面情況確定所屬分區(qū)。不同頻率設(shè)計洪水復(fù)核成果見表2。

表2 設(shè)計洪水復(fù)合成果

工程區(qū)控制集流面積437.6km2，流域內(nèi)各條溝道平時干涸無水，每年7、8、9月山區(qū)如降暴雨，就形成洪水向下游溝道宣泄。洪水流量由上游至下游逐漸增大，20年一遇洪水流量304 m3/s，10年一遇洪水流量201m3/s。

1.4 河流現(xiàn)狀

山前波狀丘陵區(qū)的溝道寬淺多曲流，斷面呈槽狀，槽寬60～90m，槽深2～3m，縱坡3‰～4‰，側(cè)蝕強烈。兩側(cè)溝坡直立，局部有坍塌現(xiàn)象；河道的細土平原區(qū)，溝道順直，斷面總體呈“V”形，局部段呈槽狀，上口寬30～50m，底寬8～10m，槽深5～8m，縱坡6‰～8‰，下蝕強烈。兩側(cè)溝坡穩(wěn)定，局部溝道轉(zhuǎn)彎處受洪水側(cè)蝕有小的坍塌現(xiàn)象。其典型的侵蝕斷面如圖2所示。

圖2 典型侵蝕斷面

2 治理方案設(shè)計

2.1 沖刷計算

在河道整治工程中， 堤防穩(wěn)定計算是重要的設(shè)計內(nèi)容。洪水的沖刷計算可為堤防確定斷面尺寸提供可靠的理論依據(jù)， 它不僅是保障堤防安全的基礎(chǔ)， 也是使工程取得經(jīng)濟效益的重要因素[5]?，F(xiàn)行的《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[6]中堤岸沖刷深度計算公式為：

水流平行于岸坡對河道產(chǎn)生的沖刷按式(1)計算：

(1)

式中hB——局部沖刷深度,m，從水面線算起；

hP——沖刷處的水深,m；

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)，一般取n=1/4。

水流斜沖岸坡防護對河道產(chǎn)生的沖刷按式(2)計算：

(2)

式中 Δhp——從河底算起的局部沖深,m；

a——水流流向與岸坡交角,(°)；

m——河堤迎水面邊坡系數(shù)，m=0.75；

d——坡腳處土壤的計算粒徑,cm，對非黏性土，取大于15%(按重量計)的篩孔直徑；

Vj——水流的局部沖刷流速，對無灘地河床，按下式計算：

其中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。

沖刷深度計算結(jié)果詳見表3。

表3 沖刷深度計算

根據(jù)表3計算分析結(jié)果，設(shè)計基礎(chǔ)埋深取深泓線以下1.5～2.5m。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 堤型選擇

一般的河道治理堤型選擇需按因地制宜、就地取材的原則，根據(jù)堤段所處地位置、工程現(xiàn)狀、堤基地質(zhì)、建材材料、施工條件、工程造價等因素綜合比較確定。馬家磨河的治理由于工程建設(shè)地處鄉(xiāng)村防護區(qū)，且施工是在河灘地進行，不涉及拆遷和占地賠償問題。結(jié)合該工程區(qū)堤線兩側(cè)地形、地貌及建筑物分布情況，堤型采用了俯斜式擋墻和仰斜式擋墻的護砌形式。

俯斜式擋墻的優(yōu)點是墻后填土易壓實，利于防滲，且便于施工；其缺點是布置在挖方段，墻后開挖量較大。仰斜式擋墻的優(yōu)點是可降低土壓力，布置在挖方段時可充分貼合墻后天然邊坡或開挖邊坡；其缺點是墻后填土不易壓實，不便施工。

2.2.2 護砌結(jié)構(gòu)

堤防護砌主要采用俯斜式擋墻形式，護坡采用M10漿砌塊石，護坡頂部寬度30cm，護坡底部寬度60～80cm，迎水面邊坡1∶0.75，擋水高度1.74～5.26m；基礎(chǔ)采用C15混凝土，上部接護坡底部，下部延伸至深弘線以下1.5～2.5m；堤防總高度為3.24～7.76m。對于需要填筑加高的部位，堤頂最小寬度不小于3m，背水面邊坡1∶1.5。

典型設(shè)計斷面見圖3、圖4、圖5、圖6。

圖3 導(dǎo)流壩加固典型設(shè)計

圖4 防洪堤典型設(shè)計斷面

圖5 防洪堤典型設(shè)計斷面

圖6 防洪堤典型設(shè)計斷面

2.2.3 谷坊設(shè)計

谷坊是溝道內(nèi)為防止溝床沖刷及泥沙災(zāi)害而修筑的橫向擋攔建筑物，是固床工的一種，主要功能是抬高侵蝕基點，防止溝底繼續(xù)下切；抬高溝床，穩(wěn)定山坡坡腳，防止溝岸擴張。在溝道下切嚴重的區(qū)域，采用該結(jié)構(gòu)形式，可以有效防止河床、溝道下切，保證溝底倒虹吸和兩岸護坡基礎(chǔ)的安全。

在谷坊設(shè)計時，從強度、耐久性、抗侵蝕等方面綜合考慮，谷坊斷面采用矩形斷面，采用C15現(xiàn)澆混凝土澆筑，厚度0.5m，深度與岸堤基礎(chǔ)同為2～2.5m，其長度與河床寬度或倒虹吸長度相同。如圖7所示。

圖7 谷坊典型結(jié)構(gòu)斷面

3 結(jié) 語

馬家磨河季節(jié)性洪水的沖刷與侵蝕以及濕陷性黃土特有的性質(zhì)是導(dǎo)致馬家磨河渠道側(cè)岸及河床發(fā)生破壞的最重要原因。設(shè)計采用俯斜式擋墻進行護堤，防止水流的入滲與侵蝕；采用谷坊對河床進行保護，減小水流沖刷下切作用。該方案效果顯著，對類似工程的設(shè)計和施工具有較強的適用性。

濕陷性黃土地區(qū)河道的治理也是水的治理，將工程治理與工程治水結(jié)合起來，同時加強后期的管理與維護，對防止渠道破壞、保證渠道安全運行具有重要意義。

[1] 樊自立，艾里西爾，王亞俊，等.新疆人工灌溉綠洲的形成和發(fā)展演變[J].干旱區(qū)研究，2006,23(3)：410-418.

[2] 孫萍萍，張茂省，朱立峰，等.黃土濕陷性典型案例及相關(guān)問題[J].地質(zhì)通報,2013,32(6):848-851.

[3] 謝永利，胡晉川，王文生.黃土公路路塹邊坡穩(wěn)定性狀離心模型試驗[J].中國公路學(xué)報，2009,22(5):1-7.

[4] 張衛(wèi)兵，唐蓮.黃土高路堤沉降過程及變形規(guī)律的原位試驗研究[J].中外公路，2012,32(1):28-33.

[5] 吳謙，王常明，馬棟和，等.遼西黃土陡坡的沖刷破壞機制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2013,43(5):1563-1571.

[6] GB 50286—98堤防工程設(shè)計規(guī)范[S].

On Selective Preference of River Control Plan in Jingdian Irrigation Area Majiamo River

ZHANG Mao-lin

(Gansu Jingtaichuan Electric Power Irrigation Authority, Jingtai 730400, China)

After collapsible loess is soaked by water, its structure will be quickly destroyed for settlement and deformation. Soil strength will also be dropped significantly, thereby leading to huge security risk for the project in loess region, especially for slope and riverbed stability of river project in large-scale irrigation area. Jingdian Irrigation Area Majiamo River is adopted as an example. Stability protection design is conducted according to actual engineering geological characteristics, sloping retaining wall and check dam are respectively adopted for protecting dam and riverbed, thereby increasing the stability and reducing erosion. This plan can provide reference for protection design of similar projects in loess area.

arid irrigation area; collapsible loess; river control; plan design

TV85

B

1005-4774(2014)12-0040-05