山區(qū)河流的堤防工程設(shè)計(jì)研究

盧錦城

(龍巖市永定區(qū)水利工作站，福建 龍巖 364101)

1 研究區(qū)域概況

岐嶺溪發(fā)源于湖雷鎮(zhèn)高地大雪崠，海拔高程1085 m，流經(jīng)陳東鄉(xiāng)和岐嶺鄉(xiāng)的蕉坑、榕蛟、共星、湖河、井下、下山和蒲山7個(gè)村，于岐嶺鄉(xiāng)蒲山村匯入金豐溪主河道。岐嶺溪全流域面積98.1 km2，河道總長(zhǎng)度為24 km，平均坡降10.1‰。根據(jù)現(xiàn)有研究成果《永定區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果》，岐嶺溪流域內(nèi)共有4個(gè)危險(xiǎn)區(qū)，分別為岐嶺鄉(xiāng)井下村、下山村，陳東鄉(xiāng)焦坑村、榕蛟村。危險(xiǎn)區(qū)人口共1688人，涉及戶數(shù)316戶，房屋226座。這些農(nóng)民每年都因岐嶺溪的洪水而遭受土地和財(cái)產(chǎn)的巨大損失[1]。

2 方法與實(shí)例分析

本文對(duì)岐嶺溪河道堤防進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型研究，堤防斷面如圖1所示，進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型研究，根據(jù)河道調(diào)查資料，采用一維數(shù)學(xué)模型HEC-RAS估算河道洪水位。在HEC-RAS模型中，采用54個(gè)斷面模擬了河流的總長(zhǎng)度。利用經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出該河流100年重現(xiàn)期的流量數(shù)據(jù)。該河段的曼寧糙率值為0.035。為不同河段提供了100年一遇的洪水重現(xiàn)期，用作上游邊界條件。在下游邊界，在沒(méi)有測(cè)量流量數(shù)據(jù)的情況下，假設(shè)正常深度條件[2-3]。

圖1 土堤的典型斷面

2.1 模擬研究

最初的數(shù)學(xué)模型研究是在沒(méi)有再現(xiàn)擬建堤壩的情況下進(jìn)行的。研究表明不同河段100年重現(xiàn)期的預(yù)測(cè)水位與工程主管部門(mén)用于防洪堤設(shè)計(jì)的水位基本一致。

2.2 筑堤

在數(shù)學(xué)模型上再現(xiàn)了河岸兩岸橫截面末端的堤岸。對(duì)上述上游和下游邊界條件進(jìn)行了模擬；使用所描述的模型計(jì)算水位以及沿河的流速。表1為設(shè)計(jì)流量為1318.62 m3時(shí)，岐嶺溪不同河段的最大預(yù)測(cè)水位和流速。

表1 有堤和無(wú)堤水位的比較

2.3 河道整治工程

基于從一維數(shù)學(xué)模型中提取的不同水力參數(shù)，設(shè)計(jì)了兩種護(hù)岸工程。(1)斜坡堤防護(hù)工程。(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和特定河段的實(shí)際情況實(shí)施上述土堤形式的保護(hù)工程[4-5]。

2.3.1 防護(hù)工程的設(shè)計(jì)

如圖1所示的保護(hù)工程適用于通過(guò)填充或挖掘的方式來(lái)修整河岸。應(yīng)注意的是，在用填土修整邊坡時(shí)，河岸內(nèi)的面積不應(yīng)超過(guò)該段原始河流總寬度的10%～15%。

(1)斜坡堤防工程的典型計(jì)算?；緟?shù)速度(v)為3.32 m/s,石頭的比重(Ss)為2.655 g/cm3,用于填充底板的石塊尺寸D50為175 mm(根據(jù)規(guī)范，建議使用125～225 mm的石塊，D50尺寸設(shè)定為中間值175 mm；平均流量(q)為4.914 m3/s；峰值流量(Q)為112.52 m3/s；摩擦系數(shù)(f)為6.87。

底板的表觀比重如式(1)、式(2):

Gs=Ss(1-ε)

(1)

(2)

式中：Gs為底板的表觀比重,g/cm3；Ss為石頭的比重,g/cm3;ε為空隙率。

底板重量如式(3)計(jì)算得：

(3)

式中：V為底板體積,m3；K為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)， 一般取值范圍為0.60～0.85。當(dāng)K的取值分別為K=0.62(岸坡為2H/1V)、K=0.76(岸坡為2.5H/1V)、K=0.83(岸坡為3H/1V)；W的計(jì)算值分別為W=151.147 kg(岸坡為2H/1V)、W=123.305 kg(岸坡為2.5H/1V)、W=112.905 kg(岸坡為3H/1V)。

底板厚度如式(4)計(jì)算得：

(4)

計(jì)算結(jié)果為T(mén)=0.3405 m。

暫時(shí)將底板尺寸設(shè)計(jì)為0.5 m×0.5 m×0.4 m(0.1 m3)(岸坡為2H/1V)、0.45 m×0.45 m×0.4 m(0.081 m3)(岸坡為2.5H/1V)、0.42 m×0.42 m×0.4 m(0.071 m3)(岸坡為3H/1V)。

檢查厚度計(jì)算中，速度壓頭：hv=v2/2g=0.5617 m，對(duì)抗負(fù)壓頭所需厚度：T=hv/(Ss-1)=0.3408 m<0.4 m，底板的厚度為0.4 m，幾乎等于負(fù)壓頭所需的厚度。因此上述各岸坡底板的尺寸是滿足要求的。

(2)典型護(hù)坦厚度計(jì)算?？紤]最大流量時(shí)，HFL以下的沖刷深度DL=1.201 m。

當(dāng)最大泄流強(qiáng)度q=4.194 m3/s，HFL以下的沖刷深度DL=1.840 m。

因此，考慮到上述兩種情況的最大值，HFL以下的沖刷深度DL=1.85 m被用于設(shè)計(jì)水下護(hù)坦。

臥式金屬底板的重量計(jì)算可知重量為93.711 45 kg，底板的體積為0.051 m3假定為0.1 m3，水下護(hù)坦的尺寸為0.20 m×0.20 m×1.25 m，分為兩層。

坡岸防護(hù)工程適用于控制水土流失和滑坡，提高邊坡穩(wěn)定性和阻止巨礫層狀推移質(zhì)。此類(lèi)型的保護(hù)工程同樣適用于通過(guò)填充或挖掘來(lái)修整河岸。

2.3.2 土堤形式的防護(hù)工程

山區(qū)河流的大多數(shù)岸坡比3H/1V情況下更為平坦。因此本文設(shè)計(jì)的土堤防護(hù)工程適用于大多數(shù)河段，河岸土壩坡岸需要用護(hù)坡、護(hù)腳墻和水下護(hù)坦進(jìn)行防護(hù)。

3 結(jié)論與建議

本文應(yīng)用一維數(shù)學(xué)模型HEC-RAS估算百年重現(xiàn)期的洪水位?；谝陨涎芯?，得出以下結(jié)論與建議：

(1)通過(guò)添加足量的底板，利用在堤防模型研究中獲得的最高水位，確定岐嶺溪及其支流堤防的最高水位。

(2)對(duì)于3H/1V的岸坡，建議修筑防護(hù)坡度小于該坡度的土堤防護(hù)工程。

(3)建議在底板中填充石料，用于斜坡堤防護(hù)和防止高速水流對(duì)土堤的沖刷。

(4)路堤的頂部寬度可保持為3 m。

(5)建議將堤岸對(duì)齊，使河流的彎曲部分在堤岸內(nèi)，寬度覆蓋整個(gè)河流。

(6)為了避免在將石頭填入底板時(shí)損壞土工織物過(guò)濾器，應(yīng)在土工織物過(guò)濾器上覆蓋15 cm厚的粗砂或礫石層。

(7)建議將大塊巨石從河中心移走，或?qū)⑵渚偷貞?yīng)用于護(hù)岸工程。

(8)建議護(hù)岸工程(不包括水下護(hù)坦)不得侵占原有河道寬度的15%以上。

(9)建議恢復(fù)和維護(hù)現(xiàn)有的防護(hù)工程，以避免對(duì)河岸造成進(jìn)一步損害。