程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目河門(mén)口治理工程設(shè)計(jì)

左安垠，孫文召，孫曙鴻

（1.永勝縣林業(yè)和草原局紅星橋木材檢查站，云南麗江 674200；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明 650051：3.永勝縣天然林保護(hù)工程管理辦公室，云南麗江 674200）

1 項(xiàng)目背景

由于社會(huì)、自然等原因，程海湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境一度進(jìn)入長(zhǎng)期修復(fù)期。環(huán)湖截污、引水補(bǔ)水、生態(tài)修復(fù)是搶救性保護(hù)程海三大措施，由于干旱、干擾大、管控空間受限、土壤砂礫石含量高、污染等制約因素，如何通過(guò)生態(tài)修復(fù)的手段來(lái)改善與創(chuàng)造一個(gè)良好的生態(tài)環(huán)境，是近年來(lái)程海湖生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在生態(tài)修復(fù)綠化過(guò)程中如何提高植物成活率及保存率，是目前面臨的難題之一。2018年以來(lái)，實(shí)施了程海湖生態(tài)修復(fù)省級(jí)重大工程項(xiàng)目，分兩期實(shí)施，一期投資1.94億元、二期投資4.24億元，包括植物工程、河門(mén)口治理工程、灌溉引水工程、生態(tài)管護(hù)廊道工程、防護(hù)網(wǎng)工程、土壤改良工程六大分部以及退耕還濕。為提高入湖河道的防洪能力，降低洪水對(duì)程海水質(zhì)的影響，對(duì)程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目（一期）工程水土流失嚴(yán)重的13條入湖河道河門(mén)口進(jìn)行工程治理防洪生態(tài)防護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)，為二期13條入湖河道河門(mén)口治理設(shè)計(jì)提供了參考。

2 設(shè)計(jì)區(qū)域特性分析

2.1 暴雨洪水特性

項(xiàng)目區(qū)所在流域?qū)儆跈M斷山脈縱谷區(qū)滇西北部金沙江河谷區(qū)，處于低緯高原區(qū)，具有較獨(dú)特的高原山地季風(fēng)氣候特點(diǎn)，干濕季分明，冬春多旱，輻射強(qiáng)，夏季降雨量充沛，屬中山山原亞區(qū)的中亞熱帶氣候區(qū)。本地區(qū)暴雨洪水主要受延伸的西南和東南暖濕氣流影響，多集中于6-10月，具有明顯季節(jié)性。流域內(nèi)多年平均最大24h降雨量為73.5mm，實(shí)測(cè)最大24h降雨量為124.8mm（永勝氣象站1989年7月27日）。每年6-8月間，以單點(diǎn)暴雨為主，暴雨時(shí)空分布不均。本地區(qū)洪水源于暴雨，地區(qū)分布及發(fā)生時(shí)間與暴雨一致，次洪歷時(shí)與凈雨歷時(shí)一致，一般在16h左右。根據(jù)本流域暴雨洪水特性，結(jié)合設(shè)計(jì)流域?qū)傩R水面積的具體情況綜合考慮，確定設(shè)計(jì)洪水歷時(shí)取值為24h。

表1 項(xiàng)目區(qū)各治理河段設(shè)計(jì)洪水成果表

2.2 洪水分析

根據(jù)谷歌地球儀量算流域特征值，各河道流域面積、河長(zhǎng)、比降成果見(jiàn)表1。通過(guò)上述分析水庫(kù)流域的點(diǎn)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)及流域特征值、產(chǎn)匯流參數(shù)，根據(jù)《云南省暴雨洪水查算圖表實(shí)用手冊(cè)》中的暴雨洪水計(jì)算方法，推求得到各河段設(shè)計(jì)洪水峰量成果見(jiàn)表1。

限于項(xiàng)目區(qū)無(wú)資料，并且匯水面積均較小，采用經(jīng)批準(zhǔn)的《云南省暴雨洪水查算圖表實(shí)用手冊(cè)》推求設(shè)計(jì)洪水符合《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44－2006）的有關(guān)規(guī)定。

由表1可看出，各頻率設(shè)計(jì)洪水的峰值具有隨頻率數(shù)值增大而逐漸減小的趨勢(shì)，符合一般水文規(guī)律。說(shuō)明各頻率設(shè)計(jì)成果之間無(wú)明顯的矛盾。綜上所述，在現(xiàn)有資料條件下，采用暴雨途徑查圖法推求的設(shè)計(jì)洪水成果是基本合理的。

2.3 地質(zhì)分析及評(píng)價(jià)

工程區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)麗江臺(tái)緣褶皺系鶴慶－洱海褶皺束，斷裂、褶皺發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。工程區(qū)地處下關(guān)－劍川地震帶邊緣，北側(cè)及南西側(cè)為劍川－麗江及鶴慶－洱海大斷裂，西側(cè)金沙江－紅河大斷裂，北東側(cè)分布程海－賓川大斷裂。上述活動(dòng)性大斷裂至今仍有強(qiáng)烈活動(dòng)。為較強(qiáng)震區(qū)域邊緣，地震活動(dòng)頻繁。因此工程區(qū)的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。根據(jù)1∶400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306－2015）工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.45s，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

3 河門(mén)口治理設(shè)計(jì)

3.1 河門(mén)口治理策略

根據(jù)程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目（一期）范圍內(nèi)地形地質(zhì)條件及流域暴雨洪水特性，為提高入海河道的防洪能力，降低洪水對(duì)程海水質(zhì)的影響，在各入湖河口采取工程措施，對(duì)水土流失嚴(yán)重的1#-13#入湖河道進(jìn)行防護(hù)治理。其中，2#、3#、10#防護(hù)型式采用埋石混凝土擋墻，12#河道采用格賓石籠擋墻，其余部分采用底部防沖刷埋石混凝土擋墻，上部生態(tài)土堤，土堤靠河側(cè)采用格賓石籠護(hù)坡，背河側(cè)土堤植草護(hù)坡，設(shè)置埋石混凝土導(dǎo)流墻、固床壩。

表2 河門(mén)口治理措施表

3.2 河門(mén)口水力學(xué)計(jì)算

根據(jù)國(guó)標(biāo)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014），以鄉(xiāng)村為保護(hù)對(duì)象，人口小于20萬(wàn)的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10-20a，考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多方面因素，確定河門(mén)口治理河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇。

依據(jù)河門(mén)口10a一遇標(biāo)準(zhǔn)流量，采用理正水力學(xué)計(jì)算模塊（恒定非均勻漸變流）對(duì)治理河段進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，擬定河寬按原有河寬，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 河門(mén)口水力學(xué)計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可知，河門(mén)口計(jì)算水深為0.23-0.99m，考慮一定的超高（0.5m），堤頂高度為0.73-1.49m，考慮到各個(gè)河門(mén)口之間的斷面協(xié)調(diào)、美觀，格賓石籠生態(tài)土堤（下部為埋石混凝土護(hù)腳）河床以上高度為2m。

3.3 堤防基礎(chǔ)埋置深度確定

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，干流河堤基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)符合以下要求：

1）基礎(chǔ)不得置于有機(jī)土、泥炭、腐殖土及廢棄垃圾上；

2）河堤護(hù)腳埋置深度應(yīng)滿足抗沖刷和凍結(jié)深度的要求。

河門(mén)口治理工程堤基主要置于砂礫石地基上，河道堤線平順地段，河堤與河道主流方向基本一致，按水流平行河道條件下考慮，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中的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：hs—局部沖刷深度（m）；

n—平面形狀系數(shù)，n=1/4～1/6，取n=1/4；

Ucp—近岸垂線平均流速（m/s）。

Uc—泥沙起動(dòng)流速（m/s），采用張瑞瑾公式計(jì)算；

U—行進(jìn)流速（m/s）；

H0—沖刷處水深（m）；

η—水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角確定。

根據(jù)項(xiàng)目治理河段各河道斷面流速、水深及河床顆粒組成情況計(jì)算平行河道沖刷深度。

表4 河門(mén)口治理段沖刷深度

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，河門(mén)口沖刷深度一般為0.15-0.96m。根據(jù)規(guī)范要求，堤防基礎(chǔ)應(yīng)置于最大沖刷深度以下0.5-1.0m，結(jié)合沖刷深度，考慮程海湖降雨經(jīng)常有單點(diǎn)強(qiáng)暴雨的現(xiàn)狀，河門(mén)口基礎(chǔ)埋深取為2m。

3.4 堤身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1 擋墻穩(wěn)定性計(jì)算

程海湖生態(tài)修復(fù)工程主要考慮采用埋石混凝土擋墻型式、埋石混凝土護(hù)腳加土堤。對(duì)兩種擋墻形式的典型斷面采用理正軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算。

型式1，C20埋石混凝土重力式擋墻，墻高4m，墻頂寬0.6m，迎水坡坡比為1∶0.2，背水坡坡比為1∶0.3，墻后采用開(kāi)挖料回填至地面。

型式2，生態(tài)土堤底部防沖刷埋石混凝土擋墻，墻高2m，墻頂寬0.4m，迎水坡坡比為1∶0.2，背水坡坡比為1∶0.3，土堤靠河側(cè)坡比1∶2，采用格賓石籠護(hù)坡，土堤背河側(cè)坡比1∶1.5，采用植草護(hù)坡，土堤頂寬3m。

主要的地質(zhì)參數(shù)建議值見(jiàn)表5。

表5 計(jì)算參數(shù)值

堤防穩(wěn)定計(jì)算軟件采用理正巖土計(jì)算模塊，主要計(jì)算參數(shù)及工況如下：

a.擋墻及墻后土石方填筑設(shè)計(jì)參數(shù)

埋石混凝土及C20混凝土容重γ=23kN/m3；

土石方填筑相對(duì)密度＞0.6。

土石方填筑內(nèi)摩擦角為23.5°，粘聚力為0kPa。

基底摩擦系數(shù)0.5。

b.荷載

墻自重、墻背填土重、墻背土壓力、水壓力、揚(yáng)壓力。

c.運(yùn)行情況及荷載組合

工況1：正常運(yùn)行——防洪墻背水側(cè)水位為設(shè)計(jì)水位，迎水面水位比背水側(cè)水位低1m，荷載組合為自重+墻背土壓力+土重+水壓力+揚(yáng)壓力+人群或車(chē)輛荷載；

工況2：正常運(yùn)行——防洪墻臨水側(cè)為汛期多年平均流量對(duì)應(yīng)水位，背水側(cè)水位比臨水側(cè)水位高1m，荷載組合為防洪墻自重+墻背土壓力+土重+人群或車(chē)輛荷載；

工況3：非常情況——防洪墻臨水側(cè)水位為最低枯水位，背水側(cè)水位比臨水側(cè)水位高1m，墻后填土表面計(jì)入碾壓機(jī)械荷載。

圖1 埋石混凝土擋墻典型斷面

圖2 生態(tài)土堤典型斷面

表6 擋墻穩(wěn)定計(jì)算成果表

表7 生態(tài)土堤穩(wěn)定計(jì)算成果表

圖3 工況1臨、背河側(cè)堤坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖4 工況2臨、背河側(cè)堤坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖5 工況3臨、背河側(cè)堤坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6-7。從表中可看出，在各種計(jì)算工況下，擋墻抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.4.2 滲流穩(wěn)定計(jì)算

土堤背水側(cè)為原地面，整體較為平緩，潛在滑坡為臨水側(cè)坡面，在設(shè)計(jì)洪水位下對(duì)土堤斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，并按正常工況和非常工況進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

（1）正常工況

①設(shè)計(jì)洪水位臨水側(cè)堤坡的穩(wěn)定。

②設(shè)計(jì)洪水位驟降至2年一遇常水位，臨水側(cè)堤坡的穩(wěn)定。

（2）非常工況

③施工期臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定

計(jì)算軟件采用Autobank，滲流計(jì)算方法采用有限元分析法，穩(wěn)定性分析采用簡(jiǎn)化畢肖普法，計(jì)算見(jiàn)圖6，最大剖面上游在設(shè)計(jì)水位下，單寬滲透流量2.47*10-5m3/s，滲流出口處最大滲透坡降0.023，土堤允許滲透坡降為0.5。計(jì)算成果見(jiàn)表8。從計(jì)算結(jié)果可看出，所擬土堤邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

圖6 生態(tài)土堤擋墻典型斷面

表8 土堤邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.4.3 地基承載力

新建堤防重力式擋墻基礎(chǔ)全部置于砂卵礫石層，基底應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表6。從計(jì)算可看出，在各運(yùn)行工況下，基底均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，其最大壓應(yīng)力為76kPa，其他均小于該值。最大應(yīng)力比為0.3，地基允許承載力為250kPa，可見(jiàn)，各工況地基承載力均滿足規(guī)范要求。

新建堤防地基承載力須不小于250kPa。

3.4.4 堤基處理

堤防的基礎(chǔ)承載力不足的河段，對(duì)地基進(jìn)行夯實(shí)后，用碎石進(jìn)行基礎(chǔ)換填。堤防基礎(chǔ)施工時(shí)，臨水面護(hù)腳基礎(chǔ)埋置深度滿足抗沖刷要求。

3.4.5 背河側(cè)處理

上部生態(tài)土堤并植喬、灌、地被、草被護(hù)河堤、土堤背河側(cè)植草護(hù)坡，河堤設(shè)計(jì)斷面參數(shù)見(jiàn)表9。

表9 河道防護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

表10 程海區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)2019-2020年7月16日降雨情況

4 成果抗洪能力監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.1 程海區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)2019全年及2020年1月1日－7月30日降雨強(qiáng)度

2019年單次24h內(nèi)降雨40mm以上共計(jì)11次，最高降雨92.7mm；2020年7月30日止月單次24h內(nèi)降雨20mm以上共計(jì)4次，最高降雨58.9mm。2019年年降雨量與正常年份一致。見(jiàn)表10。

4.2 成果抗洪能力監(jiān)測(cè)結(jié)果

2019年年降雨量與正常年份一致情況下，13條河道治理段無(wú)洪水沖刷損毀。

表11 河門(mén)口治理段治理后抗洪能力監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）對(duì)程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目（一期）工程水土流失嚴(yán)重的入湖河道河門(mén)口進(jìn)行工程治理防護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)減少入湖河道水土流失、改善入湖水質(zhì)、生態(tài)美觀、確保工程區(qū)內(nèi)河道的防洪及攔截泥石流入湖能力、改善入湖水質(zhì)具有重要的作用和意義。

（2）通過(guò)對(duì)程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目（一期）工程入湖河道現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀、洪水特性、地質(zhì)等調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)13條入湖河道河門(mén)口治理作出設(shè)計(jì)策略，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果及水力學(xué)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)出堤防基礎(chǔ)埋設(shè)深度、導(dǎo)流墻及固床壩等埋設(shè)深度、堤身結(jié)構(gòu)等結(jié)論，成果經(jīng)1a洪水沖刷無(wú)損毀，監(jiān)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)理論相一致，具備設(shè)計(jì)要求的抗洪能力?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)撰寫(xiě)論文，為二期及類似工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

（3）工程區(qū)無(wú)洪水分析資料情況下，根據(jù)谷歌地球儀量算流域特征值，各河道流域面積、河長(zhǎng)、比降成果，通過(guò)暴雨洪水特性分析的水庫(kù)流域的點(diǎn)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)及流域特征值、產(chǎn)匯流參數(shù)，根據(jù)《云南省暴雨洪水查算圖表實(shí)用手冊(cè)》中的暴雨洪水計(jì)算方法，推求得到各河段設(shè)計(jì)洪水峰量成果，作為河道工程治理數(shù)據(jù)依據(jù)使用。