河道治理堤防整治工程設計探討

陳遠奇

(遼寧江河水利水電新技術設計研究院，沈陽110003)

1 工程概況

某河道治理工程治理河段總長度為8.4 km，新建防洪堤11.17 km，修復防洪堤4.52 km，新建左堤岸6.11 m、右堤岸5.66 km。堤基承載力350 kPa，與地基間的摩擦系數(shù)為0.52;堤基大部為卵石、漂石混合土，局部為卵石混合土。根據(jù)相關標準和規(guī)范的要求，本次工程堤防防洪標準應為10 a一遇，洪峰流量1 115 m3/s，建筑物級別5 級。就目前的實際情況來看，河道汛期洪水集中、暴漲暴落，現(xiàn)有的河槽泄洪能力遠未達到設計洪水要求，若遭遇較大洪水，勢必會對兩岸居民的生命財產(chǎn)安全造成威脅，整治工程的必要性和重要性非常突出［1－2］。

2 堤防寬度

對于地處沖擊平原的河流來說，若其長期處于可自由發(fā)展的狀態(tài)，那么河床與河段實際情況間通常會處于一種均衡狀態(tài)，例如，河寬、水深、比降等均衡形態(tài)的相關因素往往與含沙量、流量、粒徑等反映來水來沙及河床地質條件的物理量存在某種函數(shù)關系，在相關理論研究或工作實踐中一般將其稱為河相或沿程河相關系［3－5］。

2.1 穩(wěn)定河寬

穩(wěn)定河寬，即指河床斷面、主槽位置變化可以忽略不計的河段。通過對該指標的計算和分析，設計人員可了解堤防寬度的最小值，進而為河道兩岸治導線的合理確認提供依據(jù)和保障。在本次工程中，設計人員為保障計算結果的科學性和準確性，分別采用了阿爾圖寧公式以及聯(lián)立求解對穩(wěn)定河寬進行計算。

2.1.1 阿爾圖寧公式

阿爾圖寧計算公式為:

式中:A 為穩(wěn)定河寬系數(shù)(取值1.3);Q 為造床流量(取10a 一遇洪峰流量，m3/s);J 為河道比降。

在本次工程中，河道主槽縱坡9‰～15‰，將相關數(shù)值代入公式，可得穩(wěn)定河寬最小值100.5 m，最大值111.3 m。

2.1.2 聯(lián)立求解水流阻力公式為:

水流連續(xù)公式為:

河相關系式為:

聯(lián)解以上公式，可得:

式中:h 為計算河段水深，m;J 為比降(主河槽平均坡度);Q 為造床流量，m3/s;B 為計算河段河寬，m;ξ為河相系數(shù)(取值6);n 為綜合糙率(取值0.035)。

將相關數(shù)值代入公式，可得穩(wěn)定河寬最小值118.2 m，最大值111.3 m。

綜上，阿爾圖寧公式的計算結果為100.5 ～111.3 m;聯(lián)立求解的計算結果為118.2 ～111.3 m。可以看出，兩種方法所得結果還是非常接近的，結合本次整治工程的任務要求以及河道的實際情況，穩(wěn)定河寬最終確認為120 ～150 m。

2.2 堤防治導線

在設計流量下，河道經(jīng)整治后的平面輪廓線即為治導線。由于治導線是工程臨河面的邊界聯(lián)線、可為建筑物布置提供參考和依據(jù)，因此對于治導線的確認也就成為了設計工作的重要內容之一。在確定治導線寬度的過程中，設計人員需要對周邊建筑物布置、河床及已建堤防寬度等因素進行綜合考慮，同時，還要注意順應河勢發(fā)展，盡可能與天然河勢保持一致，將裁彎取直壓縮到最低限度，以免各類人為因素對天然河道造成過多的負面影響［6－8］。

本次工程的治理對象屬于洪水型河槽，由于整治目的是提高其防洪能力，因此采用設計洪峰流量(1 115 m3/s)下的河槽整治線進行控制，所對應的穩(wěn)定河寬為120 ～150 m。同時，為順應天然河勢，將部分河段的治導線布置為彎道，結合河相、河道走向的相關關系，確定彎道半徑為水面寬3 ～5 倍。

2.3 河道水面線

在前期階段，設計人員初步選擇了“直立擋土墻+斜坡式齒墻”結構，采用下面的公式對水位進行推算。

式中:△l 為分段長度，m;h2為下游斷面水深，m;α為流速系數(shù);v2為下游斷面流速，m3/s;h1分別為上游斷面水深，m;v1為上游斷面流速，m3/s;i 為渠道縱坡;J 為水力要素均值;E2為下游斷面比能;E1為上游斷面比能;g 為渠道糙率(取值0.035)。

在計算過程中，可對一端斷面水深進行假定，并計算出△l 的值。若該值與假定值一致，則認為假定值即為斷面水深的實際值，若計算結果與假定值存在差異，則重新假定、計算和對比，直至計算所得值與假定值相同。最終結果顯示，0+000 ～8+400 段設計洪水水深為1.58 ～2.11 m。

通過以上計算，設計人員確定了本次整治工程的穩(wěn)定河寬、堤防治導線以及河道水面線，為下一步工作中整治線以及堤防高度的合理確認奠定了堅實基礎、提供了可靠依據(jù)。

3 堤防設計

3.1 沖刷深度

設計人員采用了水流平行、斜沖岸坡兩種情況對沖刷深度進行計算，前者主要于彎道過渡段發(fā)生，后者主要于彎道凹岸發(fā)生。

在平順段，可采用下面的公式計算沖刷深度:

式中:HB是由河岸起算的局部沖刷深度，m;HP為沖刷處水深，m;VCP為平均流速(最大洪水情況下，m/s);V允為河床面允許的不沖流速，m/s;n 為系數(shù)。

在彎道凹岸段，沖刷深度的計算公式改為:

式中:△HP是由河岸起算的局部沖刷深度，m;α 為岸坡、水流方向間的夾角(實測值為20°);Vj為水流的局部沖刷流速，m;m 為系數(shù)(防護壩斜坡護腳齒墻迎水面邊坡，取值0.5);d 為巖土計算粒徑(坡角處，取值0.23m)。

結合現(xiàn)行規(guī)范和標準的相關要求，應根據(jù)地基土質、沖刷深度對防洪墻基礎埋置深度加以確認，要求在沖刷線下0.5 ～1.0 m。沖刷深度計算結果匯總見表1。

表1 沖刷深度計算結果匯總表

3.2 堤防形式

堤防形式可分為鋼筋混凝土堤、重力式漿砌石堤以及梯形斷面土堤，其中，鋼筋混凝土堤具有保證度高、占地面積小的優(yōu)勢，缺陷在于需要大量的資金投入，因此多用于城市地區(qū);重力式漿砌石堤的優(yōu)勢與鋼筋混凝土堤相同，由于本次工程所在地區(qū)可就近提供砌筑用卵石，因此建設成本相對低廉;梯形斷面土堤的填筑全部采用土料，雖然造價最為低廉，但占地面積大、保證程度不高［9－11］。

本次工程的設計原則是“在滿足防汛及管理要求的前提下最大程度減少建設成本，實現(xiàn)項目社會與經(jīng)濟效益的雙豐收”，結合山區(qū)河道易沖刷的實際情況，設計人員最終采用了“重力式擋土墻護堤+斜坡式齒墻護腳”的復式結構。該結構建設成本較低、占地面積較小，并且在行洪的過程中對主堤具有良好的保護作用，消除了因避免沖刷主堤基礎而大幅削減高程的問題［12］。

堤身和護腳全部采用M7.5 水泥砂漿砌塊石;堤頂寬0.5m，采用10cm 厚C15 混凝土壓頂;迎水面邊坡1∶0.4，背水面上部高0.5m 直立，下部邊坡1∶0.1;斜坡式齒墻邊坡1∶1，深度1.5 ～2.0m，厚度0.5m?？够踩禂?shù)的計算結果為1.37、抗傾安全系數(shù)的計算結果為2.06，均滿足規(guī)范要求。

另外，設計人員還于堤身設置了排水孔(孔徑100mm、間隔3m)，以此減輕堤防后背水壓力，同時，在排水孔進口處設置反濾層，以此為排水孔提供更多保護。每隔15 m設置寬度為2 cm的伸縮縫一道，縫內夾聚乙烯閉孔板;在臨水側2 cm深處，以瀝青水泥砂漿(1∶1.4)封口。

3.3 安全超高及堤高

結合《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286—98)的要求以及本次工程防洪標準、建筑物等級的實際情況，堤防安全超高應為0.5m。利用河道控制斷面的水力特性以及多年平均最大風速的1.5 倍對堤頂超高和波浪進行計算，所用公式如下所示:

式中:y 為堤頂高程，m;R 為設計波浪爬高，m;A 為安全超高，m;e 為設計壅水增加高度，m。

綜合計算結果，可知河道設計洪水水深1.58 ～2.11m，堤防基礎埋深0.5m，河道設計沖刷深度1.5～2.0m，堤防超高0.75m。斜坡式齒墻深度1.5 ～2.0m，沿河道重力式擋土墻高度2.83 ～3.36m。

4 結 語

在本次河道整治工程設計工作中，堤防結構采用了“重力式擋土墻護堤+斜坡式齒墻護腳”的復式結構，通過計算和論證，證實該斷面在本次工程中具有較高的適用性和經(jīng)濟性。項目建成至今，始終處于良好的運行狀態(tài)，社會和經(jīng)濟效益顯著，設計工作中所采用的思路和方法值得在今后同類堤防設計中進行參考和借鑒。

［1］師曉東.堤防整治工程的布置及設計［J］.東北水利水電，2013(11):22－23.

［2］歐澤鋒.淺析東莞市石馬河流域綜合整治工程河道堤防設計［J］.甘肅水利水電技術，2014(03):30－33.

［3］王燕燕.晉中市瀟河城區(qū)段河道治理工程設計［J］.山西水利，2013(07):18－19.

［4］趙小瑞.撫順市渾河整治工程掠影［J］.東北水利水電，1990(03):55－56.

［5］張俊廣.大袋裝砂在堤岸整治工程中的應用［J］.中國水運:下半月，2011(08):24－26.

［6］張永正，陳誠，姬建美.黃河堤防道路工程施工質量要素控制［J］.黃河水利職業(yè)技術學院學報，2002(02):101.

［7］程徽豐，張建.長距離管道輸泥在張家浜東段整治工程中的應用［J］.上海水務，2003(01):78－80.

［8］夏春，劉浩吾.成都府南河整治工程與城市建設可持續(xù)發(fā)展［J］.世界科技研究與發(fā)展，2001(05):3－6.

［9］魏陸宏.長河整治工程設計［J］.北京水利，2000(01):18－21.

［10］李運通.滹沱河整治工程初步探討［J］.河北水利水電技術，1998(03):29－32.

［11］常全根，趙杏娣.京杭運河常州段整治工程簡介［J］.水運工程，1996(03):6－8.

［12］錢為民.漳河整治工程建設與運行管理［J］.海河水利，1996(04):68－69.