佳縣荷葉坪村堤防建設(shè)方案比選探析

張飛飛

(佳縣水利工作服務(wù)中心，陜西 榆林 719099)

1 概 況

佳縣坑鎮(zhèn)河荷葉坪段河道防洪整治項目位于坑鎮(zhèn)河入黃河口處，規(guī)劃整治河段全長2.95 km，河道蜿蜒曲折，河面寬20～50 m。河道兩岸有荷葉坪小學、73.33 hm2棗園及前荷葉坪、后荷葉坪村812口人。工程河段目前只有3段354.71 m擋墻，其余河段均沒有防洪工程，河岸為自然土質(zhì)或石質(zhì)岸坡，且高低不一，汛期洪水受黃河頂托作用洪水位很大程度上被雍高，河水倒流，導致淹沒。加之土質(zhì)岸坡在洪水的浸泡及沖刷作用下，變得更加疏松，局部薄弱地段極易形成塌方，灌入兩岸農(nóng)田，淹沒房屋?？逅耐潦奖粵_入河 道，阻礙行洪，使河道行洪更加不順暢。

2 河道特性及河道演變分析

坑鎮(zhèn)河屬于黃河流域，源于米脂縣姬家岔鄉(xiāng)大坪村，經(jīng)姬家岔、 大佛寺、坑鎮(zhèn)，至螅鎮(zhèn)鄉(xiāng)荷葉坪村入黃河，全長34.80 km，流域面積247.40 km2。佳縣境內(nèi)流長23.75 km，境內(nèi)流域面積131.44 km2。常年平均流量0.47 m3/s。

黃河中游大北干流段及支流河道受山體束縛，穿行于晉陜峽谷[1]，河床較為彎曲，總體上蜿蜒曲折。本次擬建工程位于黃河右岸的凹岸，上游有坑鎮(zhèn)政府所在地及坑鎮(zhèn)水庫，河流下游有前荷葉坪村、后荷葉坪村、村委、小學等，入黃口建有沿黃觀光路橋。該段黃河主流偏左岸，大水時頂沖坑鎮(zhèn)河入黃口段。

從坑鎮(zhèn)河河道形態(tài)看，河勢基本符合峽谷型河道“S”彎的轉(zhuǎn)點，即主流受地形制約及彎道環(huán)流影響，一般靠凹岸。工程區(qū)段河道橫斷面呈寬深的“U”形,兩岸山體陡峭而直立，形成懸崖，河谷深切，岸高谷深，凹岸多處基巖裸露，凸岸形成灘地成為當?shù)貤棃@、菜園等經(jīng)濟作物和蔬菜作物的種植地。

因工程區(qū)段缺少必要的河勢觀測資料，通過現(xiàn)場勘察調(diào)查得知，工程區(qū)地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)無大的差異，河段經(jīng)歷了多次洪水，主流流向基本固定，近期也沒有出現(xiàn)較為明顯的河勢變化。

3 洪水及河道沖淤特性

以申家灣水文站資料作為參照對比分析可知，項目區(qū)地處黃土丘陵溝壑區(qū),區(qū)內(nèi)植被差、雨強大，洪水來勢猛，峰型尖瘦，峰高量小，含沙量大?？渔?zhèn)河水量大，比降大，流速大，挾沙能力強，沖刷能力也強，斷面沖淤變化多發(fā)生在洪水期，其特點多表現(xiàn)為漲沖落淤，即漲水時段斷面沖刷，落水時段斷面淤積。最大沖刷一般發(fā)生在洪水峰頂附近或峰后。小水年份多發(fā)生淤積，大水年份多發(fā)生沖刷，而且洪水越大沖刷也越大。斷面沖淤是交替進行的，河床沖淤一般圍繞在平均底高程上下變動。

4 堤防設(shè)計方案

按照《防洪標準》(GB 50201—2014)[2]和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)[3]的規(guī)定，綜合考慮保護區(qū)耕地及人口、公路等，確定坑鎮(zhèn)河荷葉坪段防洪整治工程防護段防洪標準為10年一遇，出口段為20年一遇。結(jié)合已有的道路及河道水流特性，選擇工程造價低、占地少、方便工程施工及運行管理的防護形式；防護工程頂部高程應(yīng)滿足安全超高要求，保證防護工程沿線封閉；防護工程基礎(chǔ)埋深滿足基礎(chǔ)應(yīng)力、抗沖刷、凍土深度要求。

4.1 防護工程頂部高程確定

根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013要求,堤頂高程由設(shè)計洪水位加超高值確定。超高為安全加高、波浪爬高和風壅增水高度三者之和。計算如式(1)：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為堤頂超高，m；R為設(shè)計波浪爬高，m；e為設(shè)計風雍增水高度，m；A為安全加高，m。

(1)風雍水面高度。以當?shù)囟嗄昶骄畲箫L速代替多年汛期最大風速，取值13.4 m/s，多年平均風速方向為西北。由于項目區(qū)吹程較小，風雍水面高度計算結(jié)果均小于 0.01 m，可忽略不計。

(2)設(shè)計波浪爬高。依據(jù)規(guī)范GB 50286—2013附錄 C.3.1-1，m=1.5～5.0 時采用如式(2)計算，m<1時采用式(3)計算。

(2)

(3)

(3)安全加高計算。安全超高值根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013確定，4、5級堤防不允許越浪，安全加高值為0.6 m。

根據(jù)以上計算結(jié)果，結(jié)合當?shù)毓こ虒嶋H，經(jīng)綜合考慮，20年一遇段堤防工程超高取值為1.1 m。本次設(shè)計堤頂高程按設(shè)計洪水位加堤頂超高確定。

4.2 堤基設(shè)計

根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013，護堤布置時根據(jù)地形條件，堤線力求平順，各堤段平緩連接，不采用折線或急彎，彎道半徑須大于3倍槽寬，以削弱螺旋流的沖淤影響，此時水流對防護岸坡產(chǎn)生的沖刷可按水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷式(4)～式(5)計算。

(4)

(5)

式中：hS為從護岸底起算的局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；UCP為近岸垂線平均流速，m/s；UC為河床面上允許不沖流速，m/s；U為行近流速，m/s；n與護岸在平面上的形狀有關(guān)，一般取n=1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)。

河床面上允許不沖流速UC計算公式(6)為：

(6)

式中：UC為河床面上允許不沖流速，m/s；λs、λ為相應(yīng)泥沙和水的容重，t/m3；H0為行近水流水深，m；d50為泥沙的中值粒徑，m；g為重力加速度，取9.82 m/s2。

式中相關(guān)參數(shù)取值及計算結(jié)果見表1。

表1 基礎(chǔ)沖刷計算表

經(jīng)計算，由于各段河道沉積物及水力要素各不相同，護岸沖刷深度也各段不同,沖刷深度范圍1.92～2.43 m，結(jié)合地質(zhì)現(xiàn)場調(diào)查及現(xiàn)狀實際沖刷深度，確定護岸基礎(chǔ)深度為2.5 m,基巖段埋深為基礎(chǔ)深入基巖0.5 m。

4.3 堤防設(shè)計方案比選

工程鄰近居民區(qū)段，治理方式采用20年一遇堤防結(jié)合擋墻護面型式。經(jīng)過現(xiàn)場勘查、洪水計算、地勘資料分析，確定兩種設(shè)計斷面型式，方案A為埋石混凝土擋墻+漿砌石擋墻護面堤防，方案B為漿砌石擋墻+自嵌式擋墻護面堤防。兩種方案對照見表2。

表2 堤防設(shè)計方案比選對照表

A方案采用復合斷面，下部采用C30埋石混凝土擋土墻,頂部高程與原地面線相當，并設(shè)置2.5 m寬巡堤步道，上部設(shè)計砂礫石填筑堤防結(jié)合鋼筋混凝土防浪墻，并采用漿砌石護坡護面，該比選方案擋墻穩(wěn)固，安全性高,但造價過高，護面觀賞性差，施工較為復雜。B方案采用復合斷面，下部采用M7.5漿砌石擋墻，埋石率25%，墻高約6 m，設(shè)置2.5 m寬巡堤步道，上部設(shè)計砂礫石填筑堤防結(jié)合鋼筋混凝土防浪墻，并采用自嵌式生態(tài)擋土墻護坡護面，該比選方案擋墻穩(wěn)固，安全性滿足防洪要求，護面美觀，砌塊空心可植草，增加景觀效果，施工方便。綜合考慮，方案B更適合本次工程堤防治理段，為本次設(shè)計的推薦方案。

4.4 堤防工程布置

根據(jù)河道現(xiàn)狀以及兩岸現(xiàn)狀，本次治理在居民區(qū)、學校段等河段以20年一遇堤防工程標準對河道進行治理，基巖裸露地帶不進行護砌，維持原狀，對已建成的防護工程進行加高處理，對已遭損壞的干砌石陡坎進行拆除重建。具體分段治理情況見表3。

表3 左右岸堤防工程布置匯總

5 結(jié) 語

特殊的地理環(huán)境使得坑鎮(zhèn)河洪水在入黃時，經(jīng)常受到黃河水頂托，加重了荷葉坪村的洪災(zāi)。為推進佳縣旅游業(yè)發(fā)展空間，解決坑鎮(zhèn)河基本的防洪安全，為當?shù)匕l(fā)展農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)、畜牧業(yè)等提供發(fā)展空間和環(huán)境，通過對項目區(qū)的河勢演變和洪水沖淤特性進行分析，以及沖刷計算探討，提出了采用漿砌石擋墻+自嵌式擋墻護面堤防復合斷面的堤防建設(shè)方案。工程實施后，穩(wěn)定了河道岸坡，規(guī)整了雜亂的岸線，大大降低了河岸被洪水沖垮的可能，提高了防護區(qū)的防洪能力，將很大程度上減少沿岸遭受洪水災(zāi)害的頻次和損失，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)、旅游業(yè)及其他社會經(jīng)濟的發(fā)展起到積極的推進作用。