丁壩在河堤彎道水毀防治設(shè)計中的應用

韓夢君

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒市 841000）

河流彎道處的沿河道路、河堤路基，長期遭受河流變遷及洪水沖刷，造成路基水毀，是目前中小河流基礎(chǔ)設(shè)施亟待解決的問題之一[1]。水毀整治措施，主要包括擋土墻、丁壩、拋石、護坡及樁排等[2]。河道水毀整治工程，需根據(jù)地形、地質(zhì)條件及經(jīng)濟分析比較，采取相適宜的防治措施。河道整治工程的新理念，要求在滿足河道整治、防沖防護的前提下，要兼顧對生態(tài)環(huán)境的影響，河道整治方向，已從單純以增強岸坡防護剛度為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^河內(nèi)流動控制結(jié)構(gòu)物來改變水流形態(tài)，將水流挑離彎道凹岸，以保護堤岸，同時修復原沖刷河道的生態(tài)環(huán)境。

1 工程概況

塔里木河干流中下游輸水堤防洪工程，位于塔里木河沖積平原，沿線主要巖性為低液限粉土、低液限粘土及粉土質(zhì)砂。河段最大水位高程為904.15 m，水面寬度約為65 m，設(shè)計流量為278 m3/s（P=10%），縱坡為1.5‰，河道計算平均流速為1.75 m/s。南岸輸水堤123+950 段，受彎道水流作用，上下游300 m 范圍內(nèi)，岸坡淘刷、垮塌嚴重，河岸線后退10～20 m，河岸線已經(jīng)緊鄰南岸輸水堤，嚴重威脅到輸水堤安全，如圖1 所示。

工程采取丁壩措施對沿河路基進行水毀整治，利用其導流與挑流作用，將水流挑離凹岸，且在壩后產(chǎn)生回水淤積，變沖刷為淤積，達到路基防護和生態(tài)修復的目的。在利用丁壩對河道凹岸水毀進行防治時，需要考慮到丁壩壩頭受水流作用會產(chǎn)生局部沖刷，設(shè)計不當將會導致丁壩毀壞。

2 維修方案比選

根據(jù)現(xiàn)場地形條件及水毀原因，設(shè)計提出3 種相對可行方案：無紡布土工袋護坡加無紡布土工袋短丁壩；格賓石籠短丁壩群方案；格賓石籠護坡加水平鋪蓋方案。設(shè)計從材料需求、施工難易程度及工程經(jīng)濟等方面對方案進行優(yōu)選。

圖1 工程區(qū)河道彎道凹岸沖刷

2.1 無紡布土工袋護坡加無紡布土工袋短丁壩（方案一）

設(shè)計沿主流彎道凹岸水毀部分新建護岸工程，護岸全長95 m；護岸型式采用“無紡布土工袋護坡”，考慮到護岸工程設(shè)計基礎(chǔ)均位于該區(qū)域地質(zhì)分布下層粉土質(zhì)砂層上，其天然休止角28～30°，水下休止角26～28°，結(jié)合工程沿線地下水位埋深、地層巖性，護岸邊坡設(shè)計坡度不應陡于1∶2.0，設(shè)計邊坡系數(shù)取值為1∶2.0；護坡坡頂高程按照最大水位以上50 cm 考慮，洪水無法達到護坡后形成沖刷水流。結(jié)合無紡布土工袋護坡在護岸工程凹岸上、下游端依次設(shè)置3 條無紡布短丁壩。

利用丁壩對河流彎道處河堤進行防沖修復，需要：合理確定壩長和壩間距，以便充分發(fā)揮丁壩群的防沖效果；確定丁壩基礎(chǔ)埋深。丁壩基礎(chǔ)埋深應低于水流在挑離壩頭時產(chǎn)生的局部沖深高程，以保證丁壩的安全運行。

根據(jù)河道停水后實地測量，河床最低處高程為900.42 m，較河道平均高程902.83 m 低2.41 m，根據(jù)工程已建護岸工程沖刷情況以及實測最大河道深泓線分析比較，基礎(chǔ)埋深按照計算最大沖刷深度8.45 m考慮，結(jié)合無紡布土工袋模數(shù)，丁壩基礎(chǔ)高程確定為894.38 m。經(jīng)計算，該方案直接費投資約53.92 萬元。

2.2 格賓石籠短丁壩群（方案二）

沿彎道凹岸上游依次設(shè)置四條挑流丁壩，長度分別為5 m、10 m、15 m 及25 m，間距為40 m，丁壩順水流方向與壩軸線線呈45°夾角布置，壩頂高程與河漫灘高程同高（905.00 m）。丁壩壩頂寬3.0 m，丁壩型式采用土心丁壩全斷面“格賓石籠護坡+水平鋪蓋”。經(jīng)計算，該方案直接費投資約88.58 萬元。

2.3 格賓石籠護坡+水平鋪蓋（方案三）

沿主流彎道凹岸新建護岸工程，護岸全長95 m，上、下游端設(shè)置短丁壩，護岸型式為格賓石籠防護（厚50 cm），護岸工程堤頂寬4.0 m、堤頂高程905.00 m、基礎(chǔ)底高程898.63 m，基礎(chǔ)采用格賓石籠水平鋪蓋（厚100 cm）阻滑防沖，裹頭處基礎(chǔ)采用格賓石籠水平鋪蓋（厚100 cm），增設(shè)6 m 長木樁阻滑防沖。經(jīng)計算，該方案直接費投資約96.95 萬元。

綜合比較上述設(shè)計優(yōu)選結(jié)果，工程選用方案一無紡布土工袋護坡+無紡布土工袋短丁壩方案作為水毀整治方案。設(shè)計方案比選詳見表1。

表1 設(shè)計方案比選

3 丁壩方案設(shè)計

根據(jù)方案一設(shè)計，沿主流彎道凹岸水毀部分新建護岸工程，護岸全長95 m；護岸型式采用“無紡布土工袋護坡”，迎水面邊坡系數(shù)1∶2.0，護坡坡頂高程按照最大水位以上50 cm 考慮，洪水無法達到護坡后形成沖刷水流。

采用丁壩群設(shè)計，在護岸工程凹岸上、下游端依次設(shè)置3 條無紡布短丁壩，對沿河彎道河堤進行沖刷防護，依據(jù)工程需要，一要合理設(shè)計壩長和壩間距；二要計算確定丁壩基礎(chǔ)埋深。

3.1 壩長、壩距及角度設(shè)計

丁壩長度參考田偉平[4]對彎道丁壩群防護設(shè)計的研究，依據(jù)河槽寬度取值，第一條長5 m、第二條長10 m、第三條長15 m；新建丁壩與水流方向夾角，參考王建眾[5]對丁壩角度研究，采取順水流方向與壩軸線成45°夾角布置，能夠保證丁壩壩頭及輸水堤迎水面新建護岸的安全；丁壩間距依次為30 m、50 m，壩頂高程設(shè)計為904.15 m，較護岸工程低0.85 m，與壩址處河道最大水位高程相當。丁壩型式采用無紡布土工袋。通過3 條丁壩逐級挑流，使河道主流遠離岸灘，并在丁壩群下游形成回水，利用洪水季節(jié)河水帶來的泥砂淤積成灘，從而起到護岸及生態(tài)修復的作用。

3.2 基礎(chǔ)埋深

設(shè)計通過計算丁壩的局部沖深，來確定其基礎(chǔ)埋置深度。沖刷深度按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）中，附錄D.2.2 公式計算：

3.2.1 水流平行于岸坡工況

式中：hB——局部沖深，m；

hp——沖刷處的水深，m；

VCP——河道斷面平均流速，m/s；

V允——河床面上允許不沖流速，m/s；

n——與防護岸坡平面形狀有關(guān)，一般取0.25。

3.2.2 水流斜沖岸坡工況

式中：Δhp——從河底起算局部沖深，m；

α——水流流向與岸坡交角；

Vj——水流局部沖刷流速，m/s；

m——防護建筑物迎水面邊坡系數(shù)；

d——坡腳處土壤計算粒徑取表D2.2-1 的當

量粒徑值，cm。

上式中Vj的計算應符合下列規(guī)定：

（1）灘地河床，Vj按下式計算：

式中：Q1——通過河灘部分的設(shè)計流量，m3/s；

B1——河灘寬度，從河槽邊緣至坡腳距離，m；

H1——河灘水深，m；

η——水流流速分配不均勻系數(shù)，根據(jù)角查表（D.2.2-2）采用。

（2）無灘地河床，Vj可按下式計算：

式中：Q——設(shè)計流量，m3/s；

W——原河道過水斷面面積，m2；

Wp——河道束窄部分斷面面積，m2。

根據(jù)表2 有關(guān)數(shù)據(jù)，按上述公式計算岸坡產(chǎn)生的沖刷深度，結(jié)果見下表3。

表2 水流斜沖各斷面岸坡工況下沖刷深度計算表

表3 水流平行于各斷面岸坡工況下沖刷深度計算表

參照上述計算結(jié)果，計算沖刷深度為3.45～4.38 m。根據(jù)河道停水后實地測量，河床最低處高程為900.42 m，較河道平均高程902.83 m 低2.41 m，根據(jù)工程已建護岸工程沖刷情況以及實測最大河道深泓線分析比較，基礎(chǔ)埋深按照計算最大沖刷深度4.38 m考慮，結(jié)合無紡布土工袋模數(shù)，丁壩基礎(chǔ)高程確定為898.15 m。

4 結(jié)語

采用丁壩群挑流，導流能力好、施工難度低、施工費用少，且其壩后回水淤灘能夠有效改善生態(tài)環(huán)境，是中小河流水毀整治的首選措施。