格賓石籠固床壩在河道整治中的應(yīng)用

王 斌

(廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

0 引 言

從2009 年水利部編制《全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)中小河流近期治理建設(shè)規(guī)劃》至今，全國(guó)各地持續(xù)實(shí)施中小河流的治理工作。在山區(qū)河道丘北縣清水河平寨段治理過(guò)程中，針對(duì)工程實(shí)際情況，提出了采取格賓石籠固床壩穩(wěn)固河床從而減小護(hù)腳埋深的方式，從而減少工程投資、降低施工難度。

1 河道現(xiàn)狀

丘北縣清水河平寨段全段無(wú)大的支流匯入，從上游到下游設(shè)計(jì)流量150.6-155.2m3/s變化不大，現(xiàn)狀河底平均坡度1.9‰，現(xiàn)狀河寬20-22m；兩岸均以農(nóng)田為主，河岸現(xiàn)狀無(wú)堤防。

治理段現(xiàn)有水陂3座，水陂為塊石、木頭外包混凝土結(jié)構(gòu)。水陂上游高出下游河底2-3m，受三座水陂的影響，清水河平寨段不同于一般的天然河道。淤積較小的河段河岸高度4-5m，河底坡降1.0-4.4‰。水陂凈高3.46-5.18m(接近淤積較小的河段的河岸高度)，造成水陂上游河床淤積抬高2.12-3.48m，河床比降0.6-0.7‰，河岸高度因?yàn)橛俜e程度不同從5.07m到1.62m沿河逐漸降低。

由于現(xiàn)有水陂頂部接近河岸，造成兩岸農(nóng)田及房屋受淹，為解決防洪問(wèn)題，清水河平寨段治理采取了拆除水陂、疏浚河道及修建護(hù)岸的治理措施。

2 護(hù)腳埋深計(jì)算

護(hù)岸沖刷深度計(jì)算根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)附錄D.2公式計(jì)算，即：

(1)

(2)

張瑞瑾公式：

(3)

長(zhǎng)科院公式：

(4)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m，水深范圍為3.0-4.5m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s，對(duì)于黏性與砂質(zhì)河床采用張瑞瑾公式計(jì)算，對(duì)于卵石河床可采用長(zhǎng)科院公式計(jì)算；本次計(jì)算分析采用張瑞瑾公式；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4-1/6，護(hù)岸平順可取小值，本工程修整后護(hù)岸較為平順，順直河段取值1/6，頂沖河段取值1/5；U為行近流速，m/s，行洪流速范圍為2-3.5m/s；η為水流的流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)附錄表D.2.2采用，具體采用數(shù)值見(jiàn)表1及表2；d50為床砂的中值粒徑，m；γs為泥沙的容重，kN/m3；γ為水的容重，kN/m3。

護(hù)岸沖刷深度受床砂中值粒徑影響很大，因此應(yīng)慎重選用。北門河平寨段河床分布含泥砂礫石，松散-稍密狀，主要成分以礫卵石為主，夾少量粉黏粒；礫石直徑主要分布在5mm-20mm之間，礫石含量55%以上。根據(jù)顆分資料，并參考云南省同類工程，分別采用d50=5mm及d50=10mm進(jìn)行計(jì)算，各種不同條件下沖刷深度見(jiàn)表1和表2。

表1 河床沖刷深度(d50=5mm) m

表2 河床沖刷深度(d50=10mm) m

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)狀河岸沖刷情況，按d50=5mm計(jì)算成果采用，沖刷深度平順段與頂沖段分別采用1.0m、1.5m，如采用垂直擋墻式護(hù)腳，護(hù)腳埋深應(yīng)分別取1.5m、2.0m。

3 護(hù)腳布置方案選擇

如果按沖刷深度確定護(hù)腳深埋，將造成護(hù)腳工程量非常大、開(kāi)挖斷面大、破壞現(xiàn)有岸坡植被、大量征地、平順河段護(hù)岸每公里投資高達(dá)300萬(wàn)以上，因此有必要采取控制措施降低護(hù)腳埋深及實(shí)施難度。

3.1 解決方案提出

治理河段現(xiàn)有水陂3座，水陂上游河床淤積抬高2.12-3.48m，其上游淤積形態(tài)與《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范 溝壑治理技術(shù)》中提及的谷坊工程上游淤積形態(tài)相似。因此，在拆除水陂解決防洪問(wèn)題的同時(shí)，新建固床壩穩(wěn)定河床，減少護(hù)腳沖刷埋深[1]。

3.2 固床壩高度及型式選擇

新建固床壩高度以不影響行洪為前提，因此，根據(jù)水面線計(jì)算成果，固床壩高度選擇0.5m。

固床壩采用柔性的、對(duì)過(guò)流影響較小的格賓籠低堰型式。固床壩順?biāo)飨蜷L(zhǎng)14m，高出河床0.5m，下游設(shè)置深1m拋石防沖槽。

圖1 固床壩大樣圖

3.3 固床壩間距確定

谷坊工程應(yīng)修建在溝底比降較大(5%-10%或更大)、溝底下切劇烈發(fā)展的溝段。丘北縣清水河平寨段現(xiàn)狀河底平均坡度1.9‰，是遠(yuǎn)比布置谷坊工程要求的溝底比降緩的，但由于通過(guò)固床壩減少護(hù)腳沖刷埋深目前沒(méi)有規(guī)范理論依據(jù)，因此引用相類似的谷坊工程作為參照。根據(jù)《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范 溝壑治理技術(shù)》，谷坊間距按以下公式計(jì)算：

(4)

式中：L為谷坊間距，m；H為谷坊底到溢水口底高度，m；i為原河床比降，%；i′為谷坊淤滿后的比降，%。

不同淤積物質(zhì)淤滿后形成的不沖比降見(jiàn)表3。

表3 淤積物淤滿后不沖比降

丘北縣清水河平寨段現(xiàn)狀河底平均坡度1.9‰，已經(jīng)小于規(guī)范中提到的淤積物淤滿后不沖比降，因此該理論不完全適用。但是從該河段分段現(xiàn)狀河底高程及河岸高度統(tǒng)計(jì)表可看到，實(shí)際淤滿后比降為0.7‰，詳見(jiàn)表4。

表4 分段現(xiàn)狀河底高程及河岸高度

因此，如果按谷坊間距計(jì)算公式，清水河平寨段修建0.5m高攔河壩時(shí)，推薦間距為400m。

3.4 方案布置

布置固床壩后，固床壩上游河段間護(hù)腳布置有以下幾種方案：

方案一，按現(xiàn)狀河底基本埋深布置：認(rèn)為布置固床壩后，河床將必然淤積，不會(huì)發(fā)生沖刷下切，因此護(hù)腳只需要按現(xiàn)狀河底以下基本埋深(0.5m)布置。雖然治理河段現(xiàn)狀水陂上游確實(shí)淤積為主，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)凹岸沖刷，但一定程度上也是因?yàn)橛俜e尚未達(dá)到水陂頂，還有一定水深。因此，該方案缺乏足夠支撐，過(guò)于冒險(xiǎn)。

方案二，按回淤線沖刷埋深布置：認(rèn)為布置固床壩后，河床會(huì)淤積，同時(shí)也存在沖刷，護(hù)腳按回淤線以下沖刷計(jì)算埋深布置。

方案三，按固床壩頂面控制線沖刷埋深布置：認(rèn)為布置固床壩后，相當(dāng)于抬高了河床基面，河床比降不變；同時(shí)也是認(rèn)為，布置固床壩與原有水陂上游水深不同，水流條件不同，淤積物也不同。由于固床壩高度不大，水流條件跟現(xiàn)狀河段接近，實(shí)際回淤比降與現(xiàn)狀河道一致。因此，按固床壩頂面控制線以下沖刷計(jì)算埋深布置。

通過(guò)對(duì)清水河流域一些建成多年低矮攔河壩上游淤積情況進(jìn)行調(diào)查，方案三更貼近實(shí)際情況，因此最終推薦采用了護(hù)岸按固床壩頂面控制線以下沖刷計(jì)算埋深布置的方案，詳見(jiàn)圖2[2]。

圖2 護(hù)腳布置大樣圖

丘北縣清水河平寨段治理過(guò)程中采用固床壩穩(wěn)固河床從而減小護(hù)腳埋深的方式，雖然只減少了0.5m埋深，但節(jié)約了投資265萬(wàn)元，同時(shí)施工難度也有降低，取得了良好效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

按照格賓石籠固床壩穩(wěn)固河床從而減小護(hù)腳埋深的方案，丘北縣清水河平寨段治理于2017年9月開(kāi)工、2019年4月土建完工，目前已投入運(yùn)行2a，經(jīng)過(guò)多次洪水運(yùn)行狀況良好。其他單位后續(xù)在海南粉細(xì)砂河床沿海河道治理中，由于粉細(xì)砂河床帶水作業(yè)基坑開(kāi)挖較為困難，也采用了該方案，有效地降低了工程投資及護(hù)腳施工難度。作為一種新的通過(guò)格賓石籠固床壩穩(wěn)固河床減小護(hù)腳埋深的布置方案，較大程度降低了護(hù)岸工程投資、降低了護(hù)岸施工難度，對(duì)類似工程具有一定借鑒意義。