黃河蘭州段堤防及護(hù)岸加固斷面型式與材料分析

火慶昌

（杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

新中國成立以來，盡管在黃河上游先后建成了一批具有多年調(diào)節(jié)或年調(diào)節(jié)功能的大型骨干工程和堤防工程，但黃河甘肅段的防洪設(shè)施仍然較為薄弱，防洪能力相對(duì)偏弱，防洪安全問題較為突出，尤其是在經(jīng)歷了2012年黃河上游發(fā)生的10年一遇洪水后，暴露出防洪形勢非常嚴(yán)峻，防洪基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、河道管理問題比較突出等諸多安全隱患，給黃河甘肅段沿河城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村造成較大損失。為給沿黃兩岸居民創(chuàng)造一個(gè)安居樂業(yè)和安全穩(wěn)定環(huán)境，促進(jìn)各州市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，進(jìn)行黃河甘肅段防洪治理工程建設(shè)十分必要和迫切。本研究對(duì)黃河蘭州防洪治理工程中堤防及護(hù)岸加固的斷面型式、加固方案和所選材料進(jìn)行比選研究，為本次河道防洪治理提供技術(shù)參考和依據(jù)。

2 防洪工程在現(xiàn)狀

黃河蘭州市城區(qū)河道西起西柳溝，東至桑園峽，全長47.5 km，岸線總長95.0 km。通過現(xiàn)狀調(diào)查、病害檢測和水下勘察，發(fā)現(xiàn)已建防洪堤大多存在不同程度的問題，包括2012年和2014年行洪過程中垮塌河堤共2.265 km，受水流頂沖、淘刷造成基礎(chǔ)外露或埋置深度不足的防洪堤20.08 km[1]，擋墻墻面破損的防洪堤10.355 km，另外本次通過開展實(shí)測水文大斷面和兩岸堤頂高程、計(jì)算水面線和超高等工作，經(jīng)分析后有29.945 km防洪堤存在超高不足、達(dá)不到百年一遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的問題[2]。

蘭州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道被城區(qū)分隔為上、下兩段，上段河道流經(jīng)西固區(qū)，修建有八盤峽、河口、柴家峽3座電站，境內(nèi)河道長度29.2 km，下段河道流經(jīng)皋蘭縣和榆中縣，修建有小峽、大峽2座電站，境內(nèi)河長70.0 km。河岸現(xiàn)狀及問題如下：

八盤峽電站庫岸，岸邊居民、耕地分布密集，無任何防洪設(shè)施，每遇洪水沖毀道路、村莊、耕地的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，亟待治理防護(hù)。

柴家峽電站下游的河道局部段蜿蜒曲折，河床寬窄變化較大，河道兩岸居民、耕地分布密集，左岸有0.291 km是當(dāng)?shù)卮迕褡越ǖ暮喴赘善鍪o(hù)堤，不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)。

小峽電站下游的什川鎮(zhèn)河道左岸樁號(hào)0+000～0+373和樁號(hào)0+390～2+848河堤迎水面結(jié)構(gòu)基本完好，背水面邊坡變形局部坍塌，導(dǎo)致堤頂防汛道路發(fā)生變性破壞。左岸樁號(hào)2+901～3+498為河口村居民、耕地，無任何防洪設(shè)施，每遇洪水沖毀道路、村莊、耕地的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給當(dāng)?shù)厝罕姷纳a(chǎn)生活帶來了極大的破壞性損失，亟待防護(hù)。

大峽水電站下游河道左岸青城鎮(zhèn)的居民、耕地分布密集，由于地勢較低，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查目前有土沙堤約6.8 km，經(jīng)核實(shí)堤防無法達(dá)到10年一遇的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 堤防、護(hù)岸方案比選

3.1 建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)防護(hù)區(qū)所處各段河勢、地形條件、水情特性、岸坡現(xiàn)狀等，結(jié)合實(shí)際情況，本次河段治理蘭州段擬定為堤防工程、護(hù)坡及護(hù)岸工程、維修加固工程3種防護(hù)類型。

蘭州市城區(qū)段河道長度47.5 km，治理河道長度為38.71 km，治理岸線長度55.11 km，新建堤防長度13.795 km，其中左岸4段，長4.265 km；右岸4段，長9.530 km。維修加固堤防劃分為67段長度共計(jì)41.315 km，其中左岸33段，長19.485 km；右岸34段，長21.830 km，包括垮塌搶修、二級(jí)防洪墻間硬化、加固以及新建護(hù)岸工程等。

蘭州市農(nóng)防段治理河道長度15.4 km，共涉及西固區(qū)達(dá)川鄉(xiāng)、柴家臺(tái)，皋蘭縣什川鎮(zhèn)，榆中縣青城鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。維修加固護(hù)岸3.246 km，均為左岸；新建護(hù)岸16.068 km，其中左岸7.425 km，右岸8.643 km。

3.2 堤防型式及護(hù)面材料選擇

蘭州市城區(qū)段為城市1級(jí)堤防，且城市沿河規(guī)劃道路及建筑較多，土堤占地較多，不符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，參考蘭州市城區(qū)已建堤防工程的經(jīng)驗(yàn)，城區(qū)堤防全部采用防洪墻。

（1）堤防斷面型式選擇

本研究采用重力式、扶壁式、衡重式3種斷面型式進(jìn)行比較。

①重力式防洪墻斷面型式

墻體采用C25混凝土澆筑，墻高為5～10 m，墻頂寬度為0.65 m，底寬4.35～8.5 m，為俯斜式結(jié)構(gòu)，背坡坡比為1∶0.35～1∶0.55，面坡坡度為1∶0.1。墻前設(shè)置1個(gè)擴(kuò)展墻趾臺(tái)階，高0.8 m，寬0.5 mm；墻后設(shè)置1個(gè)擴(kuò)展墻踵臺(tái)階，高0.8 m，寬0.8 mm。防洪墻每10 m設(shè)2 cm寬的伸縮縫一道，內(nèi)塞高密度聚乙烯閉孔泡沫板，采用聚氯乙烯膠泥封口，填深為3 cm。

墻前開挖坡比均為1∶1.25，防洪墻澆筑完成后采用拋填塊石回填，回填線應(yīng)按原有地形標(biāo)高恢復(fù)，并保證高度在防洪墻基底3 m以上。墻后開挖線的比例為1∶1.25，開挖后采用卵、碎石土夯填，夯填至設(shè)計(jì)堤頂高程，其中塊石與細(xì)粒土含量不得超過25%，砂礫土填筑相對(duì)密度不小于0.65，砂壤土壓實(shí)度不小于0.95。堤頂寬度為8 m，堤頂路面均采用C25現(xiàn)澆混凝土，厚度為25 cm，路面基層為30 cm厚5%水泥穩(wěn)定砂礫。堤頂向臨河側(cè)設(shè)坡，坡度為2%。

防洪墻臨水面布置φ=100 mm排水管，排水管按2 m×2 m的間距梅花形布置，坡度為4%，對(duì)于墻后排水管的進(jìn)口，為了防止細(xì)顆粒進(jìn)入排水管，設(shè)置寬砂卵石排水體，排水體的滲透系數(shù)不小于10-3cm/s，為了防止細(xì)顆粒進(jìn)入排水管，在反濾料與防洪墻之間鋪設(shè)一層350 g/m2的土工布。典型斷面見圖1。

圖1 衡重式防洪墻典型橫斷面

②扶壁式防洪墻

墻身和基礎(chǔ)均由鋼筋混凝土澆筑，墻高5～10 m，底板寬4.3～8 m，厚0.8～1.2 m，面板厚0.5 m，扶壁厚0.4～1.0 m，扶壁中心間距3.5 m。防洪墻每10 m設(shè)2 cm伸縮縫一道，內(nèi)塞高密度聚乙烯閉孔泡沫板，內(nèi)、外、頂三側(cè)采用填塞聚氯乙烯膠泥封口，填深為3 cm，典型斷面見圖2。

圖2 扶壁式防洪墻典型橫斷面

③衡重式防洪墻斷面

墻高5～10 m，上墻高2～4 m，下墻高3～6 m，墻頂寬為0.65 m，衡重臺(tái)寬為1～1.8 m，面坡傾斜坡度為1∶0.1，上墻背坡傾斜坡度為1∶0.3～1∶0.5，下墻背坡傾斜坡度為1∶-0.3，墻趾采用1個(gè)擴(kuò)展臺(tái)階，高度1.0 m，寬0.5 m。防洪墻每10 m設(shè)2 cm伸縮縫一道，內(nèi)塞高密度聚乙烯閉孔泡沫板，內(nèi)、外、頂三側(cè)采用填塞聚氯乙烯膠泥封口，填深為3 cm。

扶壁式和衡重式墻前、墻后開挖坡比、防洪墻澆筑完成后回填方式、堤頂路面施工以及排水管型式同重力式防洪墻斷面型式。

（2）斷面型式比較

上述3種斷面結(jié)構(gòu)型式方案，從技術(shù)的合理性、施工難易程度、工期長短、費(fèi)用多少等方面進(jìn)行比較，采用其中較優(yōu)方案，比較方案見表1。

表1 三種斷面型式技術(shù)方案比較表

對(duì)上述3種防洪墻斷面型式進(jìn)行投資比較分析可知，相同高度的墻體，衡重式防洪墻造價(jià)最低，重力式防洪墻造價(jià)次之，扶壁式防洪墻造價(jià)最高。經(jīng)濟(jì)比較見表2。

表2 防洪墻經(jīng)濟(jì)比較表（墻高5 m）

從技術(shù)角度來看，幾種斷面均為常規(guī)性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，各種墻體對(duì)基礎(chǔ)的要求、受力條件相差不大，技術(shù)上均可行；從施工角度來看，各種斷面型式，使用的材料相同，均為混凝土結(jié)構(gòu)，除扶壁式防洪墻由于是鋼筋砼結(jié)構(gòu)，其工序相對(duì)較多，施工工期較長，其他施工條件基本相當(dāng)；從工程造價(jià)角度來看，由于墻體高度不高，扶壁式防洪墻造價(jià)最高，衡重式防洪墻造價(jià)最低，但重力式防洪墻造價(jià)比衡重式防洪墻的造價(jià)不超過10%，并且在水利工程中，重力式防洪墻應(yīng)用更為廣泛一些。因此，結(jié)合實(shí)際情況和各方案的特點(diǎn)，經(jīng)綜合比較，新建堤防推薦采用重力式斷面型式。

3.3 護(hù)岸及護(hù)坡型式、材料的選擇

（1）護(hù)岸、護(hù)坡型式

根據(jù)風(fēng)浪、水流作用、地質(zhì)、地形情況、施工條件、運(yùn)用要求等因素，適宜本工程的護(hù)岸型式有坡式護(hù)岸和墻式護(hù)岸，蘭州城市段及農(nóng)防段地形地質(zhì)較平坦，無高邊坡地形，護(hù)坡、護(hù)岸型式均采用坡式護(hù)岸。

（2）護(hù)岸、護(hù)坡材料

根據(jù)蘭州市當(dāng)?shù)亟ú那闆r以及擬定的護(hù)岸護(hù)坡型式，結(jié)合本區(qū)域已建工程經(jīng)驗(yàn)，護(hù)面材料選擇C25現(xiàn)澆砼、C25預(yù)制塊、格賓等。貼坡式護(hù)面材料組合為方案一：C25現(xiàn)澆砼貼坡式護(hù)岸；方案二：C25預(yù)制塊貼坡式護(hù)岸；方案三：格賓貼坡式護(hù)岸。綜合考慮工程的施工難度、質(zhì)量保證、磨損年限、凍融循環(huán)、抗腐蝕耐久性等因素，并參考當(dāng)?shù)匾呀ɑ炷磷o(hù)岸工程經(jīng)驗(yàn)，C25混凝土頂部厚度取15 cm，底部厚度取20 cm，格賓護(hù)面厚度取0.4 m。格賓貼坡式護(hù)岸典型斷面見圖3。

圖3 格賓貼坡式護(hù)岸典型斷面圖

經(jīng)計(jì)算，主體工程投資經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果見表3。

表3 每1 m單側(cè)護(hù)岸不同型式工程量、投資比較表

（3）優(yōu)缺點(diǎn)比較

結(jié)合上述3種方案，經(jīng)綜合分析比較，其優(yōu)缺點(diǎn)比較見表4。

表4 三種護(hù)岸型式的優(yōu)缺點(diǎn)比較

（4）護(hù)坡、護(hù)岸材料選擇

劉家峽庫區(qū)段落缺乏塊石、卵石料，采用C25混凝土預(yù)制塊護(hù)面，其他河段采用格賓石籠護(hù)面。

4 結(jié)論及建議

本次蘭州黃河段河道治理中城區(qū)段新建堤防14.56 km，新建護(hù)岸4.8 km，維修加固加高堤防37.516 km，蘭州市農(nóng)防段新建護(hù)岸及護(hù)坡12.549 km，維修加固堤防6.071 km。通過工程實(shí)施，可提高黃河干流蘭州段防洪能力、完善區(qū)域防洪體系、改善群眾沿岸生產(chǎn)生活條件，對(duì)保障黃河沿岸防洪安全、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義[3]。