秦安縣葫蘆河鄭川段河道治理方案設(shè)計(jì)

劉興強(qiáng)

(甘肅甘蘭水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 河道概況

葫蘆河因河床狹窄多曲折，形似"葫蘆"得名，屬渭河一級(jí)支流，黃河二級(jí)支流，發(fā)源于寧夏西吉縣月亮山，自北向南流經(jīng)寧夏(西吉)、甘肅(靜寧、秦安)兩省等各縣，于甘肅省天水三陽(yáng)川匯入渭河，葫蘆河流域面積10740 km2，河長(zhǎng)287 km，葫蘆河在秦安縣境內(nèi)長(zhǎng)45.2 km[1]，本次工程河段位于秦安縣鄭橋村～安坪村段，屬葫蘆河中下游河段，河谷兩側(cè)為強(qiáng)烈侵蝕的低山丘陵，山洪溝道發(fā)育，暴雨來(lái)臨時(shí)，山洪兇猛，危害甚大，同時(shí)，大多數(shù)居民座落及已開(kāi)發(fā)區(qū)在葫蘆河兩岸的Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地上，由于階地與河床相對(duì)高差小，極易遭受洪水危害。工程擬設(shè)防段處沒(méi)有完整的防洪體系，一遇洪水，股流擺動(dòng)，侵蝕河床，近年來(lái)河床來(lái)回?cái)[動(dòng)，部分河岸耕地沖刷嚴(yán)重，河道狹窄，行洪不暢，洪水泛濫，險(xiǎn)情環(huán)生，給兩岸的寶蘭客專、天巉公路及已開(kāi)發(fā)區(qū)的防洪安全形成嚴(yán)重威脅。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，葫蘆河鄭川段左岸已建斜坡式砼堤防1.1 km，右岸已建斜坡式砼堤防1.3 km，該段堤防建設(shè)年代久遠(yuǎn)，工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，目前基礎(chǔ)淘刷嚴(yán)重，部分護(hù)坡脫落，現(xiàn)已基本失去防洪功能，其余段耕地及園地高于河床1 m～3.5 m，未做任何防護(hù)。因此，通過(guò)河道治理，提高區(qū)域防洪標(biāo)準(zhǔn)，增加鄭川新城規(guī)劃面積，增強(qiáng)抵抗自然災(zāi)害的能力，對(duì)保護(hù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展成果，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展是十分必要的。

2 工程布置

本次河道治理工程布置結(jié)合治理段現(xiàn)狀極易遭受洪水危害及鄭川新城的全面建設(shè)需要，在滿足河道治理有關(guān)規(guī)范中河道布置原則下，葫蘆河鄭川段工程布置進(jìn)行維持原河道走向和將新區(qū)內(nèi)葫蘆河改線沿天平高速布置兩種方案的比較[2]。

(1)方案一，維持原河道走向布置：此方案與天然河勢(shì)保持一致，有利于減少人為改變天然溝道而帶來(lái)的不利影響，施工難度小，工程造價(jià)較低，不涉及占地及拆遷，可以有效地保障河道，提高兩岸企事業(yè)單位及基本農(nóng)田抵御洪水的能力。但該方案葫蘆河將新區(qū)分為左右兩片，開(kāi)發(fā)效益低，為了連接兩岸需在新區(qū)內(nèi)葫蘆河上修建兩座交通橋，不利于鄭川新城的全面建設(shè)。

(2)方案二，將新區(qū)內(nèi)葫蘆河改線沿天平高速布置：鄭川新區(qū)位于鄭川村附近，現(xiàn)狀葫蘆河將新區(qū)分為左右兩片，根據(jù)《公路安全保護(hù)條例》的規(guī)定，高速公路兩側(cè)的防護(hù)距離最低為30 m，在滿足適當(dāng)?shù)叹嘁蟮那闆r下，將新區(qū)內(nèi)葫蘆河進(jìn)行改線沿天平高速外30 m布置，改線后開(kāi)發(fā)區(qū)全部位于河道左岸，總開(kāi)發(fā)面積約1067畝(方案一總開(kāi)發(fā)面積約1055畝)，可連片進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，有效增加鄭川新城規(guī)劃面積，增強(qiáng)抵抗自然災(zāi)害的能力。此方案砂礫石開(kāi)挖總量106.24萬(wàn)m3，新建堤防所需砂礫石夯填總量為42.75 m3，原河道砂礫石夯填總量約46.45萬(wàn)m3，故棄土量為17.03萬(wàn)m3。缺點(diǎn)是施工難度大、造價(jià)偏高。

方案一 斜坡式、直墻式相結(jié)合復(fù)式斷面

隨著鄭川新城的全面建設(shè)，葫蘆河兩岸的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模逐步增大，增加鄭川新城規(guī)劃面積、連片進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)是十分有必要的，故推薦方案二將新區(qū)內(nèi)葫蘆河改線沿天平高速布置。秦安縣葫蘆河鄭川段段堤防治理工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇洪水，工程級(jí)別為4級(jí)，本次治理河長(zhǎng)3.5 km，經(jīng)綜合分析考慮該防護(hù)區(qū)新建堤防5.342 km(其中葫蘆河左岸新建堤防2.436 km，葫蘆河右岸新建堤防2.906 km，具體布置為：左岸樁號(hào)0+000～2+436段新建堤防2436 m，起點(diǎn)與天巉公路6#橋墩順接，末端與天巉公路7#橋墩順接，右岸樁號(hào)0+000～0+779段新建堤防779 m，起點(diǎn)與葫蘆河已建堤防末端相接，末端與天巉公路6#橋墩順接，右岸樁號(hào)0+792～2+919段新建堤防2127 m，沿新建天平高速布置，起點(diǎn)接天巉公路6#橋墩，末端以山體高岸坎結(jié)束。

方案二 C20砼墻式護(hù)岸

3 堤防設(shè)計(jì)

3.1 堤岸防護(hù)型式及襯砌材料選擇

(1)堤岸防護(hù)型式的比選

河道堤岸型式較為常見(jiàn)的有坡式、墻式，墻式也稱重力式[3]，其防護(hù)形式的特點(diǎn)以適用范圍見(jiàn)表1。

表1 坡式、墻式(重力式)防護(hù)型式比較表

由于本次治理段堤高較高，選用墻式護(hù)岸工程量較大，造價(jià)偏高，施工難度較大，故治理河段對(duì)堤身結(jié)構(gòu)進(jìn)行斜坡式、直墻式相結(jié)合復(fù)式斷面、斜坡式(夯填砂礫石梯形斷面土堤護(hù)岸)兩種方案的比較，根據(jù)相似斷面對(duì)兩種護(hù)岸進(jìn)行比較(不計(jì)價(jià)差)，堤高均按12 m計(jì)，護(hù)岸防護(hù)型式的比選見(jiàn)圖1和表2，復(fù)式護(hù)岸斷面每千米投資約1191萬(wàn)元，斜坡式護(hù)岸相似斷面每千米投資約878萬(wàn)元，從工程經(jīng)濟(jì)角度比較，每千米造價(jià)斜坡式護(hù)岸低于復(fù)式護(hù)岸357萬(wàn)元，從技術(shù)角度比較，采用斜坡式、直墻式相結(jié)合復(fù)式斷面具有抗沖能力強(qiáng)、耐久性好、挖方量較小，實(shí)施比較容易等優(yōu)點(diǎn)，復(fù)式護(hù)岸結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于坡式護(hù)岸，因此治理段堤岸防護(hù)型式選用復(fù)式斷面護(hù)岸。

表2 堤防(護(hù)岸)型式比較表

(2)復(fù)式護(hù)岸構(gòu)筑材料的比選

本次治理段斷面形式采用復(fù)式護(hù)岸，迎水面邊坡為1∶1.5，背水面邊坡為1∶1.25。C20砼護(hù)面型式為常規(guī)斜坡式護(hù)岸護(hù)面做法，其優(yōu)點(diǎn)為可就地取材，投資較少，強(qiáng)度及抗沖能力均能滿足設(shè)計(jì)要求。但隨著社會(huì)的發(fā)展，河道的治理已經(jīng)不在局限于防汛，而應(yīng)注重人與自然和諧相處，集防汛生態(tài)平衡為一體的綜合型河道。因此對(duì)復(fù)式護(hù)岸斜坡段構(gòu)筑材料用C20砼和格賓石籠護(hù)面進(jìn)行比較，構(gòu)筑材料的比選見(jiàn)圖2和表3，經(jīng)分析復(fù)式護(hù)岸斜坡段C20砼護(hù)岸每千米直接投資約1280萬(wàn)元，格賓石籠護(hù)岸每千米直接投資約1191萬(wàn)元，因此復(fù)式護(hù)岸斜坡段構(gòu)筑材料選用格賓石籠。

表3 墻式堤防(護(hù)岸)材料比較表

圖2 復(fù)式斷面格賓石籠坡式斷面

圖3 復(fù)式斷面C20砼坡式斷面

格賓石籠植草綠化防護(hù)是目前夯填砂礫石梯形斷面護(hù)面常見(jiàn)的一種生態(tài)治理型式。格賓石籠厚度計(jì)算參考《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 353:2013)中綠濱護(hù)坡厚度計(jì)算。綠濱墊中填石的平均粒徑Dm應(yīng)按下式計(jì)算：

(1)

Cv=1.283-0.2log(R/b)

(2)

綠濱墊厚度：t=2.0Dm

式中：Dm為填石的中值粒徑，50%的填石粒徑超過(guò)該值；S0為粒徑安全系數(shù)，本文推薦最小1.1；Cs為填石穩(wěn)定系數(shù)，本文取0.1；Cv為流速分面系數(shù)，Cv≥1.0，在堤和混凝土渠道的端部一般為1.25；D為流速V處局部水深，m，取2.33 m;rs為填石的重度，kN/m3，取26.5 kN/m3；γw為水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；V為斷面平均流速，m/s，通常取水面以下0.6倍水深處流速，或者取0.2倍、0.8倍水深處流速平均值，取2.42 m/s;G為重力加速度，9.81 m/s2；K1為邊坡修正因子，1∶2取0.88，1∶3取0.98，1∶4以上取1.0；R為水力半徑，取34.54；B為水面寬度，取33.71。

經(jīng)計(jì)算，綠濱墊中填石的平均粒徑Dm為0.156 m，故綠濱墊厚度應(yīng)不小于0.31 m，查《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 353:2013)綠濱護(hù)坡厚度表3知：襯砌厚度0.4 m，填石尺寸100 mm～200 mm時(shí)，臨界流速為5.5 m/s，極限流速為7.2 m/s，故本次設(shè)計(jì)格賓石籠厚度取為0.40 m。格賓石籠上可鋪設(shè)種植土，上面噴射高性能生態(tài)基層，種植低矮植物。

3.2 堤防設(shè)計(jì)

葫蘆河新建復(fù)式斷面堤防采用斜坡式格賓石籠護(hù)坡與C15砼重力式擋土墻相結(jié)合形式，堤防設(shè)計(jì)主體為夯填砂礫石，要求相對(duì)密實(shí)度不小于0.60，橫斷面設(shè)計(jì)為梯形，設(shè)計(jì)堤頂寬度3.0 m，斜坡式格賓石籠護(hù)坡厚40 cm，臨水面邊坡1∶1.5，背水面邊坡1∶1.25，重力式擋土墻材料為現(xiàn)澆C15砼，頂寬40 cm，擋土墻高為5.5 m，迎水面坡比1∶0.4，背水面為直墻，前后趾寬×高為0.30 m×0.60 m，墻身采用夯填砂礫石，夯填相對(duì)密度應(yīng)不小于0.60。斜坡式格賓石籠護(hù)坡與重力式擋土墻之間設(shè)2 m寬親水平臺(tái)，鋪設(shè)40 cm厚格賓石籠，重力式擋土墻臨水面深弘高程處鋪設(shè)12 m長(zhǎng)、0.4 m高格賓石籠水平防沖層。重力式擋土墻沿堤線每10 m設(shè)一道寬20 mm的橫向伸縮縫，縫寬2 cm，填縫材料為閉孔聚乙烯泡沫板，砼抗凍等級(jí)為F150，抗?jié)B等級(jí)為W6。

4 結(jié)論及建議

葫蘆河鄭川段防洪工程的修建可保護(hù)興國(guó)鎮(zhèn)鄭川村708戶居民2774人及2612畝耕地、邢灣村234戶居民977人及2321畝耕地、西川鎮(zhèn)安坪村388戶居民1772人及2815畝耕地、鄭橋村276戶居民1278人及1747畝耕以及鄭川新城的安全。根據(jù)防洪區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀堤防建設(shè)情況和存在問(wèn)題，綜合治理河長(zhǎng)3.5 km，經(jīng)綜合分析考慮該防護(hù)區(qū)新建堤防5.342 km，其中葫蘆河左岸新建堤防2.436 km，葫蘆河右岸新建堤防2.906 km。河道治理工程于2019年完工，河道治理后，防洪效果明顯。