其他湞江一級支流治理工程的設(shè)計要點分析

張士潔

（成都嶺南工程勘察設(shè)計有限公司，成都 512026）

1 工程概述

其他湞江一級支流治理工程分布于韶關(guān)市。本工程位于北江流域上游，氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，所處的地理位置及地形條件有利于暴雨的形成。流域水量充沛，濕潤多雨，洪水由暴雨導(dǎo)致。該河屬于山區(qū)性河流，總體來說山高坡陡，溪河狹窄，洪水匯流時間短，在短時間內(nèi)就形成洪峰，河水暴漲，易造成山洪災(zāi)害。由于本次工程涉及的流域河床比降較大，匯流時間短，洪水洪峰流量大，致使兩岸人民經(jīng)常受到洪水的侵害，根據(jù)政府記載的資料，1998年-2016年18a中共發(fā)生有記載的大小洪災(zāi)有8次，平均2～3a發(fā)生一次，現(xiàn)狀河道兩岸防洪標(biāo)準(zhǔn)均屬未設(shè)防狀態(tài)，洪水一來兩岸街道房屋受浸，農(nóng)田被毀，農(nóng)作物減產(chǎn)失收，嚴(yán)重影響了兩岸人民的生產(chǎn)和生活，制約了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，河道治理勢在必行。

2 設(shè)計要點

2.1 清淤疏浚設(shè)計

根據(jù)工程現(xiàn)場調(diào)查，項目區(qū)內(nèi)各河段均屬山區(qū)河流，坡降較陡，清淤效果不明顯。下游河岸低洼，水流流速較緩，導(dǎo)致河道淤積嚴(yán)重，使河床抬高，對河道兩岸產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，為保證河道行洪安全，擬對治理河段全線進行清淤。其余河流在淤積不嚴(yán)重的河段不進行全線清淤，僅在坡降相對平緩或人村密集、河道中垃圾及雜物較多的河段進行少量清淤。

項目區(qū)內(nèi)有多座交通橋，在工程清淤過程中，需在其基礎(chǔ)上下游各預(yù)留20m采用人工清淤，清淤深度不宜過深，以免影響橋墩及翼墻基礎(chǔ)安全[1]。本次清淤范圍分布在10個流域，清淤長度共計11.57km。

2.2 洪水設(shè)計

1）計算范圍。本次治理設(shè)計河道水面線計算河道總長23.232km。

2）斷面資料。采用2019年實測斷面資料，共布設(shè)110個斷面，平均間距約50m。

3）河道糙率。由于缺乏實測水文資料，無法通過水力學(xué)公式計算河道糙率，本報告根據(jù)河道特征，結(jié)合《水力學(xué)》（1990年科學(xué)出版社出版）里提供的糙率表進行選取?，F(xiàn)狀河道斷面較為整齊，床面以卵石及少許孤石組成。綜合考慮，糙率取0.033；治理后河道斷面整齊，河床以卵石、礫石為主，孤石及叢木均已被清理，綜合考慮，有治理措施的兩岸建設(shè)護岸及清淤疏浚的河道糙率取0.03[2]。

采用廣東省水利廳建設(shè)管理中心和廣州沃亞軟件有限公司聯(lián)合開發(fā)的HydroLab 1.0版“水面線計算”程序推求，計算原理為伯努里方程，即能量方程：

式中：

Z1、V1為斷面1的水位和流速；Z2、V2為斷面2的水位和流速；hW為斷面1到斷面2之間的水頭損失。

本工程治理河道的16座為全開敞式水陂，均可直接利用堰流公式計算該溢流堰的泄流能力，偏安全考慮，在泄流能力計算中，不考慮輸水建筑物的泄洪作用[3]。

式中：σs為淹沒系數(shù)；m0為流量綜合系數(shù)，按折線形實用堰的流量系數(shù)表取值；B為溢流堰凈寬；H0為堰頂水頭，取H0=H+v02/2g。

2.3 岸坡整治及護岸工程

護岸工程一般可選用坡式、壩式、墻式護岸和其他護岸型式。本工程從節(jié)省投資，減少開挖占地等方面綜合考慮墻式護岸與坡式護岸型式[4]。本工程為達到更好的治理效果結(jié)合地形條件、過水?dāng)嗝?、征地拆遷難易程度、以及生態(tài)環(huán)境等因素分別對護岸類型提出比選方案。由于本工程治理河段屬于山區(qū)性蜿蜒型河道，河流坡降陡，流速大，河流彎曲，洪水陡升陡降，容易造成河岸沖刷，塌岸、進占農(nóng)田等現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，本次治理護岸型式的選擇將重點考慮護腳的防洪抗沖及保持岸坡穩(wěn)定性等。同時，為了避免護岸的建設(shè)破壞河道原有生態(tài)，護腳的型式將注重親水性，護腳高度不宜太高。

2.3.1 護腳型式比選

1）護腳材料比選。對于本次護腳的材料，根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，主要可采用埋石混凝土、格賓石籠、混凝土、生態(tài)漿砌石、漿砌預(yù)制砼塊這五種材料，見表1。

表1 護腳材料比選

通過以上的護腳材料比較可知，混凝土與埋石混凝土在施工及使用等方面優(yōu)缺點相當(dāng)，但生態(tài)型均較差，結(jié)合本工程實際情況，本次設(shè)計不推薦使用。格賓石籠生態(tài)性較好，造價不高，適用于水下施工，作為本次治理的護岸推薦方案之一。本次治理河段坡降較大，河道較窄，漿砌石抗沖刷能力較強，施工時不用使用模板，且漿砌石通過表面不勾縫等工藝，可以增強一定的生態(tài)性，做為本次治理的護岸推薦方案之一。漿砌預(yù)制混凝土塊施工中能夠預(yù)留魚槽作為水生動植物棲息場所，生態(tài)性較好，但造價較高，抗沖刷性較差等原因本工程不予使用。機械疊砌大塊石護腳，適用于各種坡降的河床，整體性好，施工速度快，基本不受河道水位的影響，大塊石間的孔隙有利于水生環(huán)境；但受石材供應(yīng)的影響，本工程不予使用。

2）護腳方案比選。本治理工程結(jié)合實際地形條件、過水?dāng)嗝?、以及生態(tài)環(huán)境等因素提出如下5種護腳方案，可結(jié)合自身實際情況，選擇合適的方案。

護腳方案一：重力式（階梯式）護腳。該護腳采用重力式混凝土擋墻護腳，如圖1所示，具體尺寸根據(jù)實際需要確定，該方案優(yōu)點為：混凝土護腳抗沖刷能力強，擋墻為直墻式能減少占用河道，施工方便，前坡階梯式，面層貼一層漿砌鵝卵石有利于親水，同時也方便人類及牲畜下河涉水等活動。缺點：開挖面大，混凝土擋墻生態(tài)效果較差。適用于局部河道較寬，人村較密集的河段，本次治理項目區(qū)內(nèi)河道普遍較窄，不宜采用此種方案。

圖1 重力式混凝土擋墻護腳結(jié)構(gòu)示意圖

護腳方案二：仰斜式生態(tài)漿砌石護腳（如圖2所示）。護腳采用 M7.5 砌筑，墻頂寬 0.5m，迎水坡坡比為1:0.5，迎水面表面不露漿，具有一定的生態(tài)性。優(yōu)點為：抗沖刷能力強，可降低土壓力，斷面尺寸小，開挖小，節(jié)省材料。缺點：擋墻自身穩(wěn)定性較差。該方案適用于高度小于4.0m、河道較窄、開挖條件較差的河段。

圖2 仰斜式生態(tài)漿砌石護腳

護腳方案三：仰斜式埋石混凝土護腳（如圖3所示）。護腳采用C15埋石混凝土澆筑，墻頂寬0.5m，前坡坡比為1:0.5，后坡坡比為1:0.25。優(yōu)點為：抗沖刷能力強，整體性較好，可降低土壓力，斷面尺寸小，開挖小，節(jié)省材料。缺點：擋墻自身穩(wěn)定性較差，埋石砼護腳施工時單面模板施工難度大，質(zhì)量及外觀不易控制。本次設(shè)計不采用此種護腳。

圖3 仰斜式埋石混凝土護腳

護腳方案四：格賓石籠護腳。該護腳采用格賓石籠堆疊成擋墻護腳，該方案優(yōu)點：結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)能適應(yīng)易變形基礎(chǔ)，材料可以保證河流水體與土體中水正常交換，利于水生動植物的生長，生態(tài)效果明顯，且可水下施工，不需要圍堰。缺點：格賓籠容易鉤掛垃圾和樹枝，較難清理。

墻式護岸方案五：重力式護腳。擋墻采用M10漿砌石砌筑，墻頂寬0.5m，迎水面垂直，后坡坡比為1:0.4，該方案適用于擋墻高度＜4.0m的護岸，優(yōu)點為：抗沖刷能力強，對地基承載力要求小，施工方便。缺點：斷面尺寸大，開挖量大。

2.3.2 護岸工程設(shè)計

兩岸新建護岸長度0.57km，其中：左岸0.389km，右岸新建護岸0.185km。本次設(shè)計擬在上游河兩岸新建格賓石籠護岸及格賓石籠+雷諾護墊護岸。其余河段僅在沖刷嚴(yán)重河段采用格賓石籠護岸。河道兩岸岸坡整治長度0.57km，其中格賓石籠護岸長0.439km，格賓石籠+雷諾護墊0.135km。根據(jù)《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，格賓擋墻抗傾計算可忽略墻前的被動土壓力，抗傾覆安全系數(shù)K0可按下列公式計算：

式中：ΣMV、ΣMH分別為對墻基底前趾的抗傾覆力矩、對墻基底前趾的傾覆力矩。

抗傾安全系數(shù)要求符合下列條件：5級水工擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.40；在特殊荷載組合條件，不論擋土墻的級別，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均≥1.30。格賓擋墻抗滑安全系數(shù)ks應(yīng)按下式計算：

C0、ΣG、ΣH、f分別為基底黏聚力、—作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載、作用在擋土墻行全部平行于基底面的荷載、基礎(chǔ)摩擦系數(shù)。

2.4 水面線計算

最基本最簡單的水面線計算公式為明渠均勻流公式，在水利工程中的應(yīng)用比較常見。明渠均勻流的流量公式可以按照連續(xù)方程與謝才公式予以確定：

式中：Q、n、A、R、i分別為流量、粗糙系數(shù)、面積、水利半徑、渠道比降。

水面線計算時，可以按照明渠恒定非均勻漸變流能量方程確定，在計算時公式如下：

式中：Z1、Z2、V1、V2、HW、α分別為上游斷面的水位、下游斷面的水位、上游平均流速、下游平均流速、上下游斷面之間的能量損傷、動能修正系數(shù)。軟件對動量方程與連續(xù)性方程進行確定。

式中：t、Q、x、g、C、、R、q、h分別為時間、流量、過水?dāng)嗝婷娣e、沿河道距離、重力加速度、謝才系數(shù)、動力擴散系數(shù)、水力半徑、側(cè)向入流流量、河道水位。

式中Hydrolab Basic軟件對控制方程進行計算：

式中：Z1、H1、α、v1、Z2、H2、v2分別為上游河底高度、上游河道高度、流量系數(shù)、上游斷面平均速度、下游河底高程、下游河道水位、流量系數(shù)、下游平均流速。

3 結(jié) 語

綜上所述，其他湞江一級支流治理工程在保護生態(tài)安全、附近流域居民和設(shè)施安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在治理實踐過程中，需要嚴(yán)格控制治理工程的各個設(shè)計要點，做好清淤疏浚設(shè)計、洪水設(shè)計、岸坡整治及護岸工程設(shè)計以及水面線計算等工作，以此保證其他湞江一級支流治理工程的整體質(zhì)量和效果。