金溪流域河道防洪整治設(shè)計(jì)分析

聶亮亮

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，南昌 330038)

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金溪流域河道防洪整治設(shè)計(jì)分析

聶亮亮

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，南昌 330038)

摘要：目前金溪縣左坊鎮(zhèn)防洪工程中基礎(chǔ)設(shè)施十分薄弱，需要加快推進(jìn)綜合治理，保障金溪縣河道流域今后社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。通過總結(jié)金溪縣河道流域治理工程的現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，提出了相關(guān)政策建議以及治理方法來對(duì)金溪流域河道進(jìn)行科學(xué)治理，不僅對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有極大的促進(jìn)作用，尤其是在汛期時(shí)有效保障了人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

關(guān)鍵詞：中小型河道；金溪流域；河道治理；整治原則；措施分析

江西省金溪縣境內(nèi)左坊鎮(zhèn)防洪工程水域面積17km2，區(qū)域內(nèi)地形呈西高東低之勢(shì)，金溪為主要河流，其支流望城河、臺(tái)后甘河、金溪前河、東陽河，流域分布成“樹枝狀”，各段河道現(xiàn)狀相對(duì)各異，由于多年來沒有進(jìn)行總體規(guī)劃建設(shè)，經(jīng)歷幾次較大洪水之后，河床內(nèi)由上游帶來泥沙和礫石淤積河道，形成大面積漫灘，部分已建堤防被沖壞，為了保護(hù)堤后居民的人生安全和少許耕地，故該段河道應(yīng)做為重點(diǎn)治理河段，修建防洪措施來抵御洪水。

1金溪縣左坊鎮(zhèn)防洪工程破壞成因分析

近年來金溪發(fā)生大洪水比較頻繁，多年汛期洪水對(duì)金溪流域內(nèi)的防洪工程破壞嚴(yán)重，分析其原因主要有：①缺少整體規(guī)劃，防洪設(shè)施薄弱，流域內(nèi)防洪體系不完善，河道嚴(yán)重萎縮行洪能力差；②土堤基礎(chǔ)埋深不夠，堤腳抗沖刷能力弱。山區(qū)河流匯流時(shí)間短、流速較大，暴漲暴落的特點(diǎn)，汛期洪水流速過大，沖、淘護(hù)腳，護(hù)腳被淘空、破壞，導(dǎo)致土堤整體破損；③生態(tài)環(huán)境脆弱。流域多為土石山區(qū)，水土流失嚴(yán)重；④回游現(xiàn)象明顯，游積現(xiàn)象普遍存在，岸坡水土流失率較大，引起過水?dāng)嗝婵s小，導(dǎo)致水域的蓄滯能力和引排水能力降低；⑤侵占、縮窄河道行洪斷面現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致洪水流速加大，破壞力增強(qiáng)；⑥流域內(nèi)堤防工程布置零星分散，防洪設(shè)施不連續(xù)。

2堤距及整治原則

根據(jù)金溪縣左坊鎮(zhèn)防洪工程河道現(xiàn)狀本次治理工程干流設(shè)計(jì)堤防堤距為40～90 m。上游堤防段堤距90 m、望城堤防護(hù)岸段堤距40 m。

為保證防洪安全，建立完整防洪體系及達(dá)到綜合整治目的。本次規(guī)劃設(shè)計(jì)主要以防洪為主要目的，河道治理規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，本著“就地取材，優(yōu)化設(shè)計(jì)，用料最省“的原則，盡量尊重河流原有的自然形態(tài)，增加河道流態(tài)的豐富性，保護(hù)和恢復(fù)河流形態(tài)的多樣性，滿足生態(tài)河流的邊界要求[1]。

3金溪縣左坊鎮(zhèn)防洪工程治理措施分析

3.1工程總布局

根據(jù)建設(shè)單位調(diào)查結(jié)果和河道現(xiàn)狀岸砍及堤后保護(hù)對(duì)象的實(shí)際情況，通過堤防加固、堤防加高培厚、生態(tài)護(hù)岸和河道疏浚四部分工程治理范圍為金溪干流東陽入河口至望城大橋，治理河道長度為7.3 km。①下游河道疏浚段：河道疏浚長度1 813.91 m，平均堤距為110 m。左岸部分堤防加固，長度為560.73 m。②上游堤防段：干流左岸堤防加高培厚1609.57 m，右岸堤防加高培厚1271.79 m，平均堤距為90 m；支流回水堤左岸堤防加固77.98 m，右岸堤防加固77.65 m，平均堤距為12 m。③望城堤防護(hù)岸段：左岸堤防1066.29 m，右岸采取生態(tài)措施進(jìn)行護(hù)坡加固958.73 m，平均堤距為40 m。④臺(tái)后河道疏浚段：河道疏浚長度2836.26 m，河道平均寬度為40 m。

3.2設(shè)計(jì)水面線計(jì)算

3.2.1地形資料

本次水力計(jì)算采取實(shí)測(cè)到的金溪縣左坊鎮(zhèn)防洪工程流域地形資料，本次計(jì)算中考慮的橋梁有1座長69.0 m,孔數(shù)8個(gè)，薄壁墩臺(tái)，梁底高程為271.32 m,考慮的攔河建筑物有1座。

3.2.2河道縱、橫斷面設(shè)計(jì)

按照天然河道設(shè)計(jì)河底斷面，盡量避免加深河道行洪斷面或縮小行洪斷面為原則確定設(shè)計(jì)河底高程線。并與已建跨河建筑物基礎(chǔ)比較，以不影響跨河建筑物的安全使用為原則。設(shè)計(jì)河道橫斷面，堤距確定：河道兩岸現(xiàn)狀現(xiàn)已是多年形成的自然岸坎，堤距以現(xiàn)狀河槽寬度為依據(jù)確定，放坡形式護(hù)岸邊坡按1∶2.5，河底至設(shè)計(jì)河底高程[2]。

3.2.3起點(diǎn)水位

本次水面線計(jì)算起點(diǎn)水位選取在金溪入河口處(H-9)，起點(diǎn)處P=10%頻率下洪峰流量為969 m3/s，起點(diǎn)水位254.95 m。

3.2.4糙率

根據(jù)該工程段河床及岸坡現(xiàn)狀，天然河道山區(qū)河流的糙率取值范圍為0.025～0.035，本次設(shè)計(jì)糙率取0.03。

3.2.5計(jì)算結(jié)果

對(duì)河道水面線采用恒定非均勻流公式推算，計(jì)算結(jié)果：下游河道疏浚段流量(684 m3/s)；上游堤防段流量(674 m3/s)；望城左岸堤防段&望城右岸護(hù)岸段流量(418 m3/s)。

計(jì)算范圍內(nèi)各跨河橋梁壅水情況見表1。

表1　金溪橋梁壅水值表　m

3.3支流回水堤設(shè)計(jì)

水位計(jì)算：分別為上游段左右岸支流①和支流②計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量，支流起點(diǎn)水位可根據(jù)采用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

根據(jù)干流頻率P=10%水面線推求的計(jì)算結(jié)果可知兩支流入河口處的10年水位，并進(jìn)行分析比較，詳細(xì)結(jié)果見表3。

表2　支流①和支流②設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算結(jié)果明細(xì)表

表3　金溪干流頻率P=10%水面線推求的計(jì)算結(jié)果

由表得知，兩支流回水堤均受干流控制。支流①起點(diǎn)水位(P=10%)水位高程為270.59 m，支流②起點(diǎn)水位(P=10%)水位高程為275.00 m。

4金溪縣左坊鎮(zhèn)防洪工程流域河道治理工程設(shè)計(jì)分析

4.1防洪及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—2013)和《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—94)中水利工程等級(jí)，并結(jié)合工程區(qū)堤后保護(hù)對(duì)象的實(shí)際情況，最后確定本次(望城村—入河口)治理工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇。在本次工程設(shè)計(jì)中：筑堤所填砂礫料要求耐風(fēng)化，水穩(wěn)定性好，含泥量小于5%，相對(duì)密度應(yīng)≥0.60；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，抗凍等級(jí)為F200，毛石混凝土的埋石率≥20%；石材強(qiáng)度等級(jí)≥mU30；格賓網(wǎng)應(yīng)符合CECS353：2013及EN10223-3標(biāo)準(zhǔn)，安裝須在專業(yè)廠家指導(dǎo)下進(jìn)行，填充石料應(yīng)采用堅(jiān)硬未風(fēng)化的塊石，其最小邊尺寸不能小于護(hù)墊網(wǎng)孔[3]。

4.2設(shè)計(jì)范圍

本工程包括堤防加固、堤防加高培厚、生態(tài)護(hù)岸和河道疏浚四部分工程治理范圍為金溪干流東陽入河口至望城大橋，治理河道長度為7.3 km。

4.3堤防型式選擇和堤防斷面設(shè)計(jì)

4.3.1堤型選擇

本段河道清灘、清障及開挖的砂礫料充足，砂礫料既是筑堤材料又是混凝土骨料料場(chǎng)。運(yùn)輸條件較好，石場(chǎng)至施工現(xiàn)場(chǎng)有公路或大車道相連。根據(jù)現(xiàn)狀建設(shè)材料分布、埋藏?cái)?shù)量、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，以及其他技術(shù)條件等，進(jìn)行了綜合比較，本次設(shè)計(jì)擬定兩種堤型：Ⅰ方案賓格網(wǎng)護(hù)腳結(jié)合砂礫均質(zhì)土堤；Ⅱ方案直立式毛石混凝土擋墻進(jìn)行比較。

根據(jù)以上兩種堤型方案，從經(jīng)濟(jì)條件及技術(shù)可能性比較后，各方案優(yōu)缺點(diǎn)分述如下：

1)Ⅰ方案賓格網(wǎng)護(hù)腳結(jié)合賓格網(wǎng)石籠護(hù)坡均質(zhì)土堤，具有投資較少，所需勞力也少，并可利用河道清灘、清底砂礫石，節(jié)省水泥，且在坡面可結(jié)合綠化生態(tài)治理。同時(shí)均質(zhì)土堤施工方便，容易控制質(zhì)量，適應(yīng)基礎(chǔ)變形的較大優(yōu)點(diǎn)，汛期由于堤頂寬度較大便于搶險(xiǎn)。但唯一缺點(diǎn)是占地較多。

2)Ⅱ方案直立式毛石混凝土擋墻：投資與Ⅰ方案相近似，勞力比Ⅰ方案少，但需用的水泥量較多。又由于采用兩種不同性質(zhì)的建筑材料，施工干擾性大，對(duì)基礎(chǔ)要求嚴(yán)格。占地和拆遷量比Ⅰ方案少，比Ⅱ方案多。

工程區(qū)域內(nèi)金溪河道兩岸多為天然形成岸坡，河道內(nèi)多灘地，結(jié)合清理河床筑堤既經(jīng)濟(jì)又合理及堤后。綜合上述比較，并結(jié)合金溪流域整體情況，方案Ⅰ賓格網(wǎng)護(hù)腳結(jié)合賓格網(wǎng)石籠護(hù)坡均質(zhì)土堤為合適。但由于望城段左岸受河道寬度及堤后公路等條件限制，所以望城左岸段采用方案Ⅱ重力式毛石混凝土擋墻[4]。

4.3.2堤防斷面設(shè)計(jì)

4.3.2.1堤防、護(hù)岸頂高程確定

1)堤防頂高程以10 a一遇洪水水位加風(fēng)浪爬高和安全加高而定。

堤頂超高應(yīng)按下列公式計(jì)算：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為堤頂超高，m；R為設(shè)計(jì)波浪爬高，m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度，m；A為安全加高，m；取0.5 m(不允許越浪)；取0.3 m(允許越浪)

本次堤防超高根據(jù)不同工程段采用的相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行計(jì)算，金溪橋上游堤防段結(jié)構(gòu)型式為均質(zhì)土堤，所以按不允許越浪進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.99 m，本次設(shè)計(jì)取1.0 m。望城左岸堤防工程型式為毛石混凝土重力式擋墻，按允許越浪進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.44 m，本次設(shè)計(jì)取0.5 m。

2)護(hù)岸頂高程由設(shè)計(jì)洪水位及現(xiàn)狀堤頂高程確定：當(dāng)現(xiàn)狀岸頂高程高于10 a一遇洪水位0.5 m以上時(shí)，護(hù)岸頂高程為10 a一遇洪水位加0.5 m超高；當(dāng)現(xiàn)狀岸頂高程<10 a一遇洪水位0.5 m時(shí)，護(hù)岸頂高程為現(xiàn)狀岸頂高程。本段河道右岸現(xiàn)狀岸高均低于10 a水位加0.5 m超高，所以本次生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)岸頂高程為現(xiàn)狀岸頂高程。

4.3.2.2堤頂寬度確定

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—2013)中規(guī)定，3級(jí)及以下堤防堤頂寬度≥3.0 m，為了滿足防汛搶險(xiǎn)的要求，同時(shí)考慮金溪城鎮(zhèn)對(duì)金溪流域打造城鎮(zhèn)沿岸濱河路的規(guī)劃要求，最后確定本次設(shè)計(jì)堤頂寬度為4.0 m。

4.3.2.3工程設(shè)計(jì)斷面

1)堤防加固工程：①金溪橋下游段(堤防加固)：本段河道左岸部分堤防加固，堤腳采用C25毛石混凝土重力墻，之后采用150 mm厚C25混凝土面板以原迎水坡比1∶2.0護(hù)至原堤頂。護(hù)坡面板下鋪50 mm厚C25混凝土墊層，面板分縫采用瀝青木板，混凝土面板橫向分縫為2 m，縱向分縫為2.5 m，每塊板上留φ50 mmPVC排水管，排水管背水側(cè)末端采用土工布包扎。②金溪橋上游段：堤防斷面型式：堤防護(hù)腳為賓格網(wǎng)石籠，由兩個(gè)截面尺寸為1.0 m×1.0 m和1.0 m×1.5 m網(wǎng)箱疊放組成，護(hù)腳埋深1.5 m，護(hù)腳頂高程高于設(shè)計(jì)河底0.5 m，之后以坡比1∶2.5進(jìn)行修坡整形，堤坡迎水面采用0.3 m厚的賓格網(wǎng)護(hù)坡至設(shè)計(jì)堤頂，賓格網(wǎng)下鋪200g/ m2土工布，堤頂寬度為4.0 m，之后均以1∶2.0坡比放坡與原地面相接。③望城段(左岸)：堤防采用重力式C25毛石混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，擋墻基礎(chǔ)埋深1.5 m，迎水側(cè)坡比為1∶0.3,背水側(cè)坡比為1∶0.2，擋墻內(nèi)設(shè)三道φ50 mmPVC排水管，設(shè)計(jì)河底以上0.5 m處設(shè)置第一道φ50PVC排水管，排水管橫向間距2 m，成梅花樁布置，排水管與φ100 mm透水盲管連接。毛石混凝土擋墻頂寬為0.6 m。堤后回填砂礫料至10年洪水位，之后以自然坡放坡與原地面相接。擋墻每隔10 m設(shè)置一道瀝青木板伸縮縫，縫寬20 mm[5]。

2)護(hù)岸工程：望城堤防護(hù)岸段(右岸)：護(hù)岸岸坡按1∶2.5的坡比進(jìn)行修坡整形，平均修坡長度約為7.4 m，岸坡修整面積為7 128 m2。岸坡樁號(hào)(WR0+000.00～WR0+958.73)采用種植沙棘植物措施護(hù)坡至岸頂，株距1.0×1.0 m。岸坡迎水面共種植沙棘7 140株。

4.3.2.4混凝土擋墻穩(wěn)定計(jì)算

1)擋墻抗滑穩(wěn)定按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—2013)附錄D.1.2-1～D.1.2-5公式計(jì)算為：

Gn=Gcosα0

Gt=Gsinα0

Eαt=Eαsin(α-α0-δ)

Eαn=Eαcos(α-α0-δ)

(1)

式中：G為擋土墻每延米自重，kN；Eα為主動(dòng)土壓力，kN；α0為擋土墻基底的傾角，取0，°；α為擋土墻墻背的傾角，取11.3，°；δ為土對(duì)擋土墻墻背的摩擦角，取16，°；μ為土對(duì)擋土墻基底的摩擦系數(shù)，取0.45。

事實(shí)上，學(xué)到小數(shù)的時(shí)候，學(xué)生已經(jīng)掌握了數(shù)位的概念，具有一定的抽象思維能力.繼續(xù)使用這種圖示法純屬畫蛇添足，增加學(xué)生負(fù)擔(dān)，更是一種倒退.

2)擋墻抗傾穩(wěn)定按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—2013)附錄D.1.2-6～D.1.2-10公式計(jì)算為：

F抗傾=(Gx0+Eαxxf)/Eαxzf

Eαx=Eαsin(α-δ)

Eαz=Eacos(α-δ)

xf=b-zcotα

zf=z-bcotα0

(2)

式中：Eαx為主動(dòng)土壓力沿水平方向的分力，kN；Eαz為主動(dòng)土壓力沿豎向的分力，kN；z為土壓力作用點(diǎn)離墻踵的高度，m；xf為Eαx作用點(diǎn)離墻趾的水平距離，m；zf為Eαx作用點(diǎn)離墻趾的垂直距離，m；x0為擋土墻重心離墻趾的水平距離，m；b為基底的水平投影寬度，m。

3)主動(dòng)土壓力按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—2013)附錄D.1.2-11～D.1.2-14公式計(jì)算為：

(3)

式中：E為主動(dòng)土壓力，kN)；kq為均布荷載分布系數(shù)；γ、φ為填土的容重(kN/ m3)和內(nèi)摩擦角，°；α為墻背與豎直線所成的傾角，°；δ為外摩擦角，土與墻背間的摩擦角，°；β為填土表面與水平線所成的坡角°；k為主動(dòng)土壓力系數(shù)；q為均布荷載，kN/ m2；h0為外荷等代土層高度，m；H為墻背填土高度，m。

通過以上穩(wěn)定分析計(jì)算，混凝土擋墻在正常運(yùn)用(設(shè)計(jì)水位及多年平均水位)和非常運(yùn)用條件下，抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)均大于《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—2013)中規(guī)定的安全系數(shù)，因此混凝土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、穩(wěn)定。

4.4河道疏浚設(shè)計(jì)

金溪橋下游段位于本次治理范圍的下游，即金溪城大橋至東陽入河口，工程措施實(shí)施后，減短滯洪時(shí)間，保證洪水順利下泄。

臺(tái)后段位于本次治理范圍的上游，于望城村處匯入金溪干流，該支流屬于較大支流，汛期上游洪水來臨時(shí)造成匯合口處河勢(shì)紊亂，工程措施實(shí)施后，保證臺(tái)后河上游洪水能夠平穩(wěn)匯入，穩(wěn)定河勢(shì)，而且河床可以平順連接，使工程段河道滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。

本次河道疏浚斷面設(shè)計(jì)均采用梯形斷面型式，保持河道主河槽中心線處河底數(shù)值不變，不改變疏浚段河道自然比降，將河道兩岸高灘地平整，用于河道低洼地段填平，多余土料經(jīng)剝離后，可用于堤防填筑的砂礫料堆積在護(hù)腳處，其余棄土回填堤后低洼地勢(shì)。堤坡整形以現(xiàn)有坡型為基礎(chǔ)，保證堤坡符合邊坡穩(wěn)定要求。根據(jù)上文中相關(guān)計(jì)算可知，金溪河道邊坡穩(wěn)定臨界坡比為1∶2.5，本次設(shè)計(jì)以該坡比為設(shè)計(jì)依據(jù)，當(dāng)坡比陡于1∶2的河段，堤坡修整至坡比為1∶2，當(dāng)?shù)唐戮徲?∶2的河段維持現(xiàn)狀，如疏浚工程段部分現(xiàn)狀已存在人為修建的防護(hù)措施，河道左右岸可按工程安全坡比進(jìn)行修整。但需清理坡腳處淤積土料。

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[作者簡(jiǎn)介]聶亮亮(1986-)，男，江西南昌人，助理工程師，從事水利水電工程施工工作。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號(hào)：TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1007-7596(2015)10-0093-04