山陽縣色河鋪鎮(zhèn)防洪工程探析

沙盼盼

(商洛市水電勘測設(shè)計院，陜西 商洛 726000)

1 概況

色河鋪鎮(zhèn)位于陜西省山陽縣縣河下游，距山陽縣城15 km，下轄11個行政村61個村民小組，全鎮(zhèn)總?cè)丝?4 107人，耕地11.73 km2。屬亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)性半濕潤山地氣候，年均降雨量709 mm。色河鋪鎮(zhèn)僅工程區(qū)上游有98 m堤防，為干插石結(jié)構(gòu)，堤根基本塌陷，其余河段尚無堤防。

2 存在問題

色河鋪鎮(zhèn)的村民基本沿縣河居住，經(jīng)常遭遇洪水威脅。

2.1 防洪能力缺失

工程區(qū)堤防建設(shè)未列入基建投資計劃，已成堤防多為20世紀(jì)70年代群眾自行修建，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差，且大多損毀，現(xiàn)在只有少部分河段有堤防，但均達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 河床下切嚴(yán)重

山陽縣色河鋪鎮(zhèn)峪口村河道防洪存在著很大的隱患，河床為松散砂卵石，且以礫石為主，無膠結(jié)，抗沖刷能力差，洪水沖刷導(dǎo)致河床下切嚴(yán)重。歷經(jīng)多次洪水破壞，致使部分堤腳懸空，堤身坍塌、損毀等，至今未恢復(fù)。

3 河道特征及演變分析

根據(jù)工程區(qū)1980年1∶50 000航測編繪、2005年1∶50 000土地利用現(xiàn)狀圖和本次設(shè)計河段的實(shí)測地形圖對比，發(fā)現(xiàn)該段河道總體平面形狀基本沒有變化，說明縣河河勢總體比較穩(wěn)定，只是局部主槽深泓橫向和縱向形狀有所不同。主槽的局部擺動主要原因是由于河床漫灘由粗砂、砂質(zhì)壤土和松散的砂卵石組成，其抗沖刷能力較弱，每遇較大水流，就會造成主槽岸坡漫灘沖(淘)刷，使主槽偏移。

3.1 河道沖淤變化

由于規(guī)劃段河道缺少不同時期可以對比的實(shí)測斷面資料，所以無法就該段河道從定量上具體分析其沖淤變化情況。本次規(guī)劃河段的河床質(zhì)與南寬坪水文站處河道河床質(zhì)基本相同，即上層為粗砂、砂卵石，下層為砂質(zhì)壤土和砂卵礫石層，故借用南寬坪站不同時期實(shí)測斷面資料間接對規(guī)劃的河道沖淤變化情況進(jìn)行分析。經(jīng)分析，縣河流域規(guī)劃段河道演變規(guī)律為漲水沖刷，落水淤積，大水發(fā)生較大的沖刷變化，造成河床質(zhì)不斷沖刷，大斷面總的趨勢有沖有淤，沖大于淤，造成河道處于沖淤不平衡狀態(tài)。

3.2 河道演變趨勢分析

縣河屬山區(qū)性河流，兩岸為一級階地，階地地形開闊，地勢較為平坦。本次規(guī)劃設(shè)計的河段河道主槽由于左岸為高速路，右岸為耕地，因此，河道在兩岸堤防約束下，平面形態(tài)基本為連續(xù)的“S”型。在近幾年不斷修建防洪堤，完善防洪安全的情況下，水流受堤防控制，河勢形態(tài)進(jìn)一步趨于穩(wěn)定。修建整治物對穩(wěn)定河勢和平衡河道沖淤起到一定促進(jìn)作用。

預(yù)測該河段總的變化趨勢，河道基本處于沖淤相對平衡狀態(tài)，形態(tài)不會發(fā)生大的改變。

4 堤防方案

本次治理范圍：以縣河支流峒嶼河簡易鐵架橋處為起點(diǎn)，堤防樁號為0+000，到縣河下游(色河鋪鎮(zhèn)峪口村關(guān)店組)山體處，堤防樁號為0+710.81。工程建設(shè)的原則是因勢利導(dǎo)，對無堤河段修建堤防，對阻礙行洪建筑物進(jìn)行拆除，建設(shè)完整的、高標(biāo)準(zhǔn)的堤防工程。工程綜合治理長度0.90 km，新修堤防工程710.81 m。項目區(qū)保護(hù)范圍為峪口村，耕地0.50 km2，工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。

4.1 堤身設(shè)計

按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286-2013)[1]規(guī)定，本次工程為3級以下堤防，依據(jù)以往堤高，堤頂高為6.0 m，堤頂寬度取0.6 m。堤距按已成堤岸寬度確定，設(shè)計縣河色河鋪鎮(zhèn)峪口村段堤距≥55.0 m。

4.2 堤防斷面形式

由于該工程所處河段河寬較窄，且河道左岸為高速路，右岸為耕地，用地緊張，空間有限。采用梯形護(hù)岸斷面占地面積大，并且護(hù)坡抗沖刷能力差。故不考慮梯形護(hù)岸。

采用仰斜式堤防斷面，可以加大過水?dāng)嗝婷娣e，降低洪水位，并且抗沖刷效果好。根據(jù)工程區(qū)地形、地質(zhì)條件，綜合分析比較，堤防斷面選用擋墻式斷面形式。擋墻式斷面形式主要有：重力式C20埋石混凝土擋土墻、衡重式C20埋石混凝土擋土墻、懸臂式鋼筋混凝土擋土墻和扶壁式鋼筋混凝土擋土墻等。下面對幾種擋墻進(jìn)行比選：

(1)重力式C20埋石混凝土擋土墻(推薦方案)。重力式擋土墻用墻體本身重量平衡外力以滿足穩(wěn)定要求[2]，重力式擋土墻由于體積和重量較大，受地基承載力的限制，不能太高。高的重力式擋土墻由于斷面大，材料耗費(fèi)較多，亦不經(jīng)濟(jì)，一般高度在6.0 m左右。因?yàn)楸竟こ淘O(shè)計堤岸高度均在6.0 m左右，另外重力式擋土墻多就地取材，構(gòu)造簡單，施工方便，經(jīng)濟(jì)效果較好，所以本次設(shè)計斷面形式選取重力式擋土墻。

(2)衡重式C20埋石混凝土擋土墻。衡重式擋土墻由上墻、衡重臺和下墻三部分組成[3]。其穩(wěn)定主要靠墻身自重和衡重臺上填土重量來滿足。其衡重臺下部為仰斜式，可以減少部分土壓力，使得基底應(yīng)力趨于平衡，可提高擋土高度，但擋墻基寬不能過大[4]，對于本工程而言，重力式擋墻經(jīng)濟(jì)適用性優(yōu)于衡重式擋土墻。

(3)懸臂式鋼筋混凝土擋土墻(“L”型擋土墻)。對于較高擋土墻，采用懸臂式鋼筋混凝土形式，由于土壓力全部依靠懸臂結(jié)構(gòu)阻擋，為了滿足擋土墻的整體穩(wěn)定、堤基應(yīng)力及底部結(jié)構(gòu)要求，往往致使懸臂墻底部厚度很大，底板很寬，且配筋率一般較大，由于尺寸及施工條件的要求，施工時造成挖、填方量很大，而且施工要求高，造價相對較高。墻體均為立模現(xiàn)場澆筑施工。懸臂式擋土墻對于本工程不適用。

(4)扶臂式鋼筋混凝土擋土墻。是在懸臂式鋼筋混凝土擋墻基礎(chǔ)上為了減小底板內(nèi)力而增加扶壁結(jié)構(gòu)，從而減少底板設(shè)計尺寸，其穩(wěn)定性主要依靠底板以上填土及底板的寬度來保證。對于高擋土墻，為了滿足擋土墻的整體穩(wěn)定及底部結(jié)構(gòu)要求，施工時挖、填方量大，夯實(shí)難度高，造價相對較高。墻體均為立模現(xiàn)場澆筑施工。懸臂式擋土墻對于本工程不適用。

根據(jù)當(dāng)?shù)匾殉傻谭罃嗝嫘问胶凸こ探?jīng)驗(yàn)，本次推薦仰斜式C20埋石混凝土擋土墻，斷面采用C20埋石混凝土澆筑，擋墻外側(cè)坡比1∶0.3，墻背直立，頂寬0.6 m。采用C20埋石混凝土澆筑，墻趾寬0.3 m，堤防背水坡坡比為1∶2.0。

4.3 擋墻基礎(chǔ)設(shè)計

由于山區(qū)河流坡陡流急，行洪時往往對河床產(chǎn)生較大的沖刷，所以在設(shè)計擋墻基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)埋深應(yīng)依據(jù)堤岸沖刷深度來確定。

(1)順直河段堤岸沖刷深度依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)附錄D推薦公式(1)計算：

(1)

式中：hB為局部沖刷深度，m；hp為一般沖刷處的水深，取4.0 m；n為平面形態(tài)系數(shù)，根據(jù)防護(hù)地段在平面上的形態(tài)而定，一般取1/4；vp為河床容許的不沖流速，取1.20 m/s；vH為主河槽計算水位時的平均流速，取 5.09 m/s。

本次設(shè)計取0+312.68斷面進(jìn)行順直段沖刷深度計算。深泓高程為591.80 m，洪水位為595.80 m，經(jīng)計算，局部沖刷深度為0.61 m。

經(jīng)計算，工程區(qū)段順直河段堤岸局部沖刷深度為0.6～0.7 m；根據(jù)規(guī)范，基礎(chǔ)埋置深度在沖刷深度以下0.5～1.0 m。參照計算結(jié)果和埋深要求，結(jié)合工程區(qū)現(xiàn)狀查勘和實(shí)際調(diào)查情況，項目區(qū)河水沖刷下切嚴(yán)重，因此本次設(shè)計順直段的基礎(chǔ)底埋置深度均按深泓以下2.0 m。

(2)彎曲河段堤岸沖刷深度采用規(guī)范GB 50286—2013附錄D推薦的公式(2)計算。

(2)

式中:Δhp為從河底算起的局部沖深，m；α為水流流向與岸坡的夾角，取5°；vj為水流的局部沖刷流速，m/s,取7.31；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù),取0.4；g為垂力加速度,m/s2；d為坡腳處土壤計算粒徑，對非黏性土，取>15%(按重量記)的篩孔直徑,取0.1 cm。

經(jīng)計算，彎曲河段堤岸沖刷深度為2 m。根據(jù)規(guī)范，基礎(chǔ)埋置深度在沖刷深度以下0.5～1.0 m。因此本次斜沖段的基礎(chǔ)埋置深度在深泓以下2.5 m。項目區(qū)內(nèi)河道基本順直，水流流向與岸坡夾角基本可以忽略不計，因此本次設(shè)計埋深均采用順直段埋深。

4.4 擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算

本次工程設(shè)計擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算選擇0+312.68斷面為代表性計算斷面。擋墻回填砂礫料的物理力學(xué)參數(shù)內(nèi)摩擦角為32°，黏聚力為0，容重20 kN/m3，漿砌石容重23 kN/m3。

根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013中附錄F中公式F.0.6如式(3)所示：

(3)

式中:Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為底板與壩基之間的摩擦系數(shù)(黃土0.35，卵石、礫石0.50，砂巖0.60)；∑W為作用于墻體上的全部垂直力的總和，kN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和,kN。

施工完建期，背水側(cè)地下水位與深泓齊平，臨水側(cè)無水。 考慮洪水驟降時，擋土墻臨水側(cè)水位低于設(shè)計洪水位1 m，背水側(cè)水位取設(shè)計洪水位。穩(wěn)定計算結(jié)果見表1。

表1 擋土墻穩(wěn)定計算結(jié)果

根據(jù)計算，基底最大應(yīng)力小于地基的允許承載力，且最大值與最小值之比<3.0，說明擋土墻的抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定及基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，擋土墻設(shè)計是安全的。

5 結(jié) 語

由于山區(qū)性河流洪水暴漲暴落，沖刷力強(qiáng)。本文以山陽縣河色河鋪段為例，在分析河勢演變基礎(chǔ)上，對該段堤防建設(shè)方案及斷面形式選取進(jìn)行了重點(diǎn)探討，提出仰斜式C20埋石混凝土擋土墻科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、抗沖刷力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適宜山區(qū)防洪堤防建設(shè)。