莊河市河道維修養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)探析

李 穎

(遼寧省鐵嶺縣新臺(tái)子鎮(zhèn)水利工作站，遼寧 鐵嶺 112611)

1 莊河河道現(xiàn)狀

莊河發(fā)源于莊河市蓉花山鎮(zhèn)猴石嶺，流經(jīng)莊河市蓉花山、光明山、太平嶺、徐嶺、興達(dá)街道，于城關(guān)街道龍王廟村南端注入黃海。流域面積618 km2，河長(zhǎng)56.5 km，河道平均比降2.83‰。莊河分東西兩大支流，西支發(fā)源于桂云花鄉(xiāng)桂云花山南麓，流經(jīng)桂云花、長(zhǎng)嶺，在太平嶺鄉(xiāng)注入莊河干流，流域面積267 km2，河流長(zhǎng)31 km，河道平均比降2.89‰。莊河市境內(nèi)河流屬黃海水系，河網(wǎng)比較發(fā)育，除碧流河為莊河市與普蘭店市界河外，有九條主要河流獨(dú)立注入黃海。莊河市境內(nèi)有50 km2以上的河流21條，大多河流坡降大、河床窄，流速大，河流洪、枯水位變差大，汛期洪水暴漲暴落，洪峰持續(xù)時(shí)間短。多支河道存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低，洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，缺乏全河道的防洪、生態(tài)、水質(zhì)保護(hù)和全流域的水土保持規(guī)劃。

2 擬維修養(yǎng)護(hù)河段問(wèn)題分析

本次以莊河一段10 526 m的長(zhǎng)河道研究對(duì)象，該段河道存在淤積較重，雜草從生，河道面貌不堪，行洪斷面狹窄；現(xiàn)有部分段堤壩由于沒(méi)有防護(hù)措施，受水流沖刷，已經(jīng)形成陡坎、片坡[1]，已嚴(yán)重威脅到堤防安全，一旦遭遇大洪水，現(xiàn)狀河道將形成很大的洪水災(zāi)害，沿岸大量民房、果樹、糧田將會(huì)收到洪水沖擊，給當(dāng)?shù)厝嗣裆睢⑸a(chǎn)帶來(lái)災(zāi)害性的威脅，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，為了保障兩岸民房、耕地、人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，必須對(duì)河道進(jìn)行清淤，對(duì)堤防進(jìn)行防護(hù)，對(duì)壩炕進(jìn)行修復(fù)及綠化，提高河道防洪能力，減少洪水災(zāi)害，為人民生活生產(chǎn)提供安全保障是當(dāng)務(wù)之急[2]。

3 河段維修養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)分析

3.1 堤防工程

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，堤頂設(shè)計(jì)高程按設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高確定，堤頂超高為安全超高加風(fēng)浪爬高加風(fēng)壅水面高[3]。堤頂超高由下式計(jì)算：

Y=R+e+A

(1)

式中：R為堤頂超高(m)；e為設(shè)計(jì)波浪爬高(m)；A為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度，(m)(忽略不計(jì))；為安全加高，不允許越浪取0.5m。

其中的風(fēng)浪要素按下列公式計(jì)算確定：

(2)

(3)

按平均波周期計(jì)算波長(zhǎng)L由下式確定：

安全加高根據(jù)堤防工程級(jí)別由規(guī)范查取[4]，安全加高A值按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，本設(shè)計(jì)堤防等級(jí)為5級(jí)，在不允許越浪的情況下，取A=0.5 m。波浪爬高計(jì)算如下：

(4)

在風(fēng)的直接作用下，根據(jù)規(guī)范，正向波在單一斜坡上的波浪爬高按下列公式計(jì)算[5]：

當(dāng)m=1.5～5.0時(shí)，按下式計(jì)算，

(5)

式中：RP為波浪爬高(m)；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，楓楊與干砌塊石護(hù)面K△=0.8。KV為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；KP為爬高換算系數(shù)；m為斜坡坡率(m=1.5～5.0時(shí))，m=ctgα，α為斜坡坡角(度)；為堤前波浪的平均波高(m)；L為堤前波浪的波長(zhǎng)(m)。

河道堤頂高程設(shè)計(jì)成果見表1。

表1 各河道堤頂高程設(shè)計(jì)成果表 m

3.2 塊石粒徑選擇及護(hù)砌厚度確定

3.2.1 護(hù)坡厚度計(jì)算

由于設(shè)計(jì)采用干砌石護(hù)坡，根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算干砌石護(hù)坡厚度如下：

(6)

m=cotα

式中：t為斜坡干砌塊石護(hù)坡厚度(m)；K1為系數(shù)，干砌石取0.266；γb為塊石的容重(kN/m3)，26.5kN/m3；為水的容重(kN/m3)，10kN/m3；H為計(jì)算波高(m)，當(dāng)d/L≥0.125，取H4%，當(dāng)d/L<0.125，取H13%，d為堤前或岸坡前水深(m)；L為波長(zhǎng)(m)；m為斜坡坡率；

3.2.2 塊石粒徑計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，可按下式計(jì)算：

(7)

式中：d為折算直徑，m，按球型折算；V為水流流速；g為重力加速度；C為石塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)；傾斜坡底取C=0.9；γs為石塊的重率，可取γs=2.65 g/cm3；γ為水的重率，γ=1.0 g/cm3。

經(jīng)計(jì)算，塊石粒徑d計(jì)算值為0.19～0.27 m，考慮當(dāng)?shù)貕K石粒徑及護(hù)坡安全，本設(shè)計(jì)取護(hù)坡的厚度為0.30 m。

3.3 沖刷深度計(jì)算

1)河道沖刷計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式計(jì)算水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度：

(8)

(9)

(10)

式中：hs為局部沖刷深度(m)；H0為沖刷處的水深(m),以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替，Ucp為近岸垂線平均流速(m/s)；Uc為泥沙起動(dòng)流速(m/s)；U為行進(jìn)流速(m/s)；n為岸坡形狀系數(shù)，n=1/4～1/6，取1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查得1.0；γs、γ為礫砂與水的容重(17 kN/m3)，取10 kN/m3；d50為床沙的中值粒徑(m)。

2)河道沖刷計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-98)附錄D.2中公式計(jì)算水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度：

(11)

(12)

式中：hB為局部沖刷深度，m。hp為沖刷處水深，m，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替。Vcp為近岸垂線平均流速，m/s； V為行進(jìn)流速(m/s)；V允為允許不沖流速，m/s；n為系數(shù)，n=0.25。η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查得η=1.0。

3)設(shè)計(jì)最大沖刷深度取值

以上分別采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)沖刷深度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算沖刷深度分別為0.7～1.13 m。經(jīng)與莊河市河道管理處、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站、當(dāng)?shù)匮鼐€村屯百姓溝通了解，本次治理段河道歷年平均沖刷深度均未超過(guò)1.2 m。結(jié)合以上情況綜合分析，本次設(shè)計(jì)沖刷深度取1.0 m、1.2 m，護(hù)腳綠格網(wǎng)箱地面以下埋深為1.0 m、1.2 m。

3.4 擋墻穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

以李洞河擋用北京理正水工擋土墻穩(wěn)定計(jì)算得出：通過(guò)計(jì)算可知，抗滑穩(wěn)定系數(shù)1.399大于1.20，滿足規(guī)范規(guī)定要求，故橫道河河道護(hù)岸漿砌石擋墻滿足穩(wěn)定安全要求[6]。

3.5 無(wú)紡布規(guī)格

無(wú)紡布作為干砌塊石護(hù)坡的反濾層對(duì)護(hù)坡的穩(wěn)定性和耐久性非常重要，必須選擇質(zhì)量較好的無(wú)紡布為護(hù)坡反濾層，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，300 g/m2無(wú)紡布利用到本工程中較為合適，建議無(wú)紡布各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)如表2所示。

表2 聚酯長(zhǎng)絲紡粘針刺無(wú)紡布技術(shù)指標(biāo)

3.6 護(hù)腳綠格網(wǎng)箱

3.6.1 綠格網(wǎng)箱材料

綠格網(wǎng)箱采用專業(yè)生產(chǎn)廠家的成品網(wǎng)箱，現(xiàn)場(chǎng)組合而成。矽膠涂塑鋼絲為鍍鋅鋼絲經(jīng)深度防腐加工而成，在鍍鋅鋼絲和涂塑層間用矽膠層緊密粘合，將金屬與空氣、水隔絕，從而防止其氧化生銹。

3.6.2 網(wǎng)箱規(guī)格

干砌石護(hù)腳網(wǎng)箱 長(zhǎng)×寬×高=4 m×1 m×1.2 m(4 m×0.8 m×1.0 m)，護(hù)岸綠格網(wǎng)箱長(zhǎng)×寬×高=4 m×(1～2.2)m×(0.7～1.0)m

3.6.3 網(wǎng)孔與網(wǎng)絲規(guī)格

網(wǎng)孔100×120 mm，網(wǎng)絲Φ2.5 mm矽膠涂塑后Φ3.5 mm，邊絲Φ3.2 mm矽膠涂塑后Φ4.2 mm。

3.6.4 矽膠涂塑鋼絲力學(xué)性能

拉強(qiáng)度>400Mpa；斷裂延伸率>10%。

3.6.5 矽膠涂塑鋼絲外覆聚酯膜力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度>215 mpa，斷裂延伸率>180%。

3.7 橋涵維修工程

3.7.1 工程等別和標(biāo)準(zhǔn)

本工程為村級(jí)道路跨河建筑物，橋涵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：(1)設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅱ級(jí)。(2)車橋設(shè)計(jì)洪水頻率：十年一遇。(3)涵洞設(shè)計(jì)洪水頻率：十年一遇。

3.7.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋涵工程結(jié)構(gòu)采用交通部《小橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖集》，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算從略。

3.7.3 主要材料

(1)砼標(biāo)號(hào)：行車道板、防撞墻采用C30砼，墩、臺(tái)帽均采用C25砼。

(2)漿砌石：墻體、護(hù)坡、護(hù)底采用M10水泥砂漿砌筑。

(3)鋼筋：直徑Φ≥10 mm者采用HRB335鋼筋，直徑Φ≤10 mm者采用HRB235鋼筋。其技術(shù)符合GB13013、GB1499的規(guī)定。

3.7.4 橋涵過(guò)流能力驗(yàn)算

1)設(shè)計(jì)洪水

本工程新建橋涵7座，相應(yīng)流域洪水主要由暴雨形成，本次設(shè)計(jì)采用交通部公路科學(xué)研究所提出的匯水面積小于10 km2的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

Q=KFn(m3/s)，

式中：K為徑流模數(shù)；n為地區(qū)指數(shù)；n=1(F<1.0 km2)，n=0.85(1.0≤F<10.0 km2)； F為匯水面積(km2)。

2)橋涵過(guò)流能力驗(yàn)算

按寬頂堰自由溢流公式計(jì)算：

式中： b為每孔凈寬；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭；v0為行近流速；m為自由溢流的流量系數(shù)；n為閘孔孔數(shù)；σc為側(cè)收縮系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算橋涵過(guò)流能力均大于相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下洪峰流量，故滿足過(guò)流要求。

4 結(jié)語(yǔ)

河道治理是一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅關(guān)系到區(qū)域防洪安全，還涉及到生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源可持續(xù)利用，在確保防洪安全的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮河道治理的綜合效益，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。本次維修養(yǎng)護(hù)段與農(nóng)村的生產(chǎn)、生活環(huán)境，城鎮(zhèn)、農(nóng)村飲水環(huán)境建設(shè)息息相關(guān)，加強(qiáng)河道維修養(yǎng)護(hù)工程建設(shè)，對(duì)改善農(nóng)村的生產(chǎn)、生活，保障城鎮(zhèn)、農(nóng)村飲水安全起到巨大的促進(jìn)作用，加快了社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)進(jìn)程。