三山河治理工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

范啟儉

(江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 工程概況

三山河位于恩平市境內(nèi)北部，是潭江一級(jí)支流，主流河谷彎曲狹窄、水流湍急，自北向南流經(jīng)良西鎮(zhèn)、圣堂鎮(zhèn)，在圣堂鎮(zhèn)村委會(huì)注入錦江干流。三山河流域面積57.7 km2，河流全長16.6 km，平均比降11.1‰。本次三山河治理工程包含三山河干流、黑泥排洪渠支流以及西邊凹支流，位于三山河干流上游段，治理河道長度9.11 km，其中河道清淤長度6.94 km，治理河長2.17 km，河道護(hù)岸加固工程3.74 km。此次三山河治理采取的措施主要是清淤與護(hù)岸兩個(gè)部分。由于本次治理工程防護(hù)等級(jí)為Ⅳ等，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10～20 a一遇，為此，本次設(shè)計(jì)良西圩鎮(zhèn)段(樁號(hào)GK0+000～GK1+852段)防洪標(biāo)準(zhǔn)取10 a一遇，其余河段為村莊和農(nóng)田段，防洪標(biāo)準(zhǔn)取5 a一遇。本工程實(shí)施后，保護(hù)了河兩岸9個(gè)村莊人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 河道現(xiàn)狀

三山河本次治理河段由于長期得不到系統(tǒng)治理，沿河兩岸淤積大量泥砂，局部形成心灘、邊灘，淤積嚴(yán)重，已嚴(yán)重阻塞行洪；河段兩岸雜草、灌木較多，部分河道被擠占，導(dǎo)致汛期排洪不暢；局部河段岸坡不穩(wěn)，容易塌岸，防洪能力較低；河道主河槽蜿蜒曲折，彎道眾多且多急彎，每到汛期水流湍急，堤腳受激流沖刷，堤防迎流頂沖，多處堤腳已被沖刷淘空，造成局部險(xiǎn)段發(fā)生小面積崩(滑)塌險(xiǎn)情；局部岸坡位于河床凹岸，迎流頂沖，坡頂為魚塘，坡面為人工堆填填土，土質(zhì)以砂性土、粉質(zhì)黏土為主，坡腳陡立，岸坡穩(wěn)定性較差，存在抗沖穩(wěn)定問題，已嚴(yán)重威脅到堤身安全。加上三山河流經(jīng)良西鎮(zhèn)，兩側(cè)為密集的居民區(qū)，但河道周邊基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較差，河道功能單一，生態(tài)及景觀功能差。為了保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)三山河河道進(jìn)行治理工作已刻不容緩[1]。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

3.1.1 左岸設(shè)計(jì)

三山河左岸護(hù)岸形式從上游至下游分別為：

(1)C20混凝土擋墻一護(hù)岸。樁號(hào)范圍GZK0-030～GZK0+525，護(hù)岸總長0.555 km。 采用C20混凝土重力式擋土墻，墻總高1.8 m，凈高1.0 m，基礎(chǔ)埋深0.8 m。墻頂寬0.5 m，擋墻臨水坡1∶0.1，背水坡1∶0.4。墻底總寬2.0 m，墻趾、墻踵長度均為0.4 m，底板厚0.4 m。擋墻設(shè)置一排Φ50排水孔，排水孔間距2.0 m。墻前采用干砌石護(hù)腳，齒墻前干砌石寬1.0 m，厚0.8 m。新建擋墻每隔10 m設(shè)一道分縫，聚乙烯閉孔泡沫板(PE板)填縫。

(2)現(xiàn)狀混凝土擋墻增設(shè)種植槽。樁號(hào)范圍樁號(hào)GZK0+534～GZK1+274，護(hù)岸總長0.74 km。 擋墻臨水面植筋，增設(shè)一排C25混凝土種植槽，種植槽順?biāo)飨蜷L2.0 m，間隔6.0 m布置。種植槽寬0.3 m，高0.4 m，槽內(nèi)回填種植土，種植勒杜鵑、黃金葉。

(3)C25混凝土自救式擋墻。 樁號(hào)范圍GZK1+644～GZK1+854，護(hù)岸總長0.21 km。 自救式擋墻護(hù)岸凈高1.8 m，基礎(chǔ)寬1.5 m，基礎(chǔ)埋深0.8 m，墻后坡比1∶0.75。臨水坡采用臺(tái)階式，每級(jí)臺(tái)階寬0.75 m，高差0.50 m，在每級(jí)臺(tái)階上設(shè)置種植槽，填土種植水生植物，底下兩層種植黃金葉，最上層種植勒杜鵑、綠籬。擋墻設(shè)置一排Φ50排水孔，排水孔間距2.0 m。新建擋墻每隔10 m設(shè)一道分縫，聚乙烯閉孔泡沫板(PE板)填縫。墻前采用干砌石護(hù)腳，干砌石寬1.0 m，厚0.8 m。

(4)C20混凝土重力式擋墻二。 樁號(hào)GZK3+785～GZK3+985、GZK4+120～GZK4+450段護(hù)岸為新建C20混凝土重力式擋土墻，護(hù)岸總長0.53 km。墻總高2.4 m，凈高1.5 m，基礎(chǔ)埋深0.9 m。墻頂寬0.5 m，擋墻臨水坡1∶0.1，背水坡1∶0.4。墻底總寬2.3 m，墻趾、墻踵長度均為0.4 m，底板厚0.4 m。擋墻設(shè)置兩排Φ50排水孔，排水孔間距2.0 m。墻前采用干砌石護(hù)腳，齒墻前干砌石寬1.0 m，厚0.9 m。新建擋墻每隔10 m設(shè)一道分縫，聚乙烯閉孔泡沫板(PE板)填縫。

3.1.2 右岸設(shè)計(jì)

三山河右岸護(hù)岸形式從上游至下游分別為：

(1)C20混凝土擋墻一。樁號(hào)范圍GYK0+000～GYK0+520，護(hù)岸總長0.52 km。 采用C20混凝土重力式擋土墻，墻總高1.8 m，凈高1.0 m，基礎(chǔ)埋深0.8 m。墻頂寬0.5 m，擋墻臨水坡1∶0.1，背水坡1∶0.4。墻底總寬2.0 m，墻趾、墻踵長度均為0.4 m，底板厚0.4 m。擋墻設(shè)置一排Φ50排水孔，排水孔間距2.0 m。墻前采用干砌石護(hù)腳，齒墻前干砌石寬1.0 m，厚0.8 m。新建擋墻每隔10 m設(shè)一道分縫，聚乙烯閉孔泡沫板(PE板)填縫。

(2)生態(tài)框格護(hù)岸。樁號(hào)范圍樁號(hào)GYK0+554～GYK0+964、GYK1+164～GYK1+249、GYK1+644～GYK1+854，護(hù)岸總長0.705 km。生態(tài)框最下層設(shè)C20混凝土塊，混凝土塊寬1.0 m，厚0.5 m。然后在混凝土基礎(chǔ)上部疊放3層生態(tài)框，底層生態(tài)框內(nèi)回填碎石，上兩層生態(tài)框內(nèi)回填土并種植水生植物。生態(tài)框后包反濾土工布并用碎石回填開挖間隙。每層生態(tài)框高0.5 m，生態(tài)框護(hù)岸總高1.5 m，生態(tài)框后斜坡采用草皮護(hù)坡。堤頂設(shè)休閑步道，步道總寬2.24 m，路面凈寬2.00 m，路面采用透水磚路面，路面兩側(cè)設(shè)置預(yù)制路側(cè)石，尺寸為0.12 m×0.35 m。

(3)C25混凝土自救式擋墻。樁號(hào)范圍樁號(hào)GYK0+964～GYK1+164，護(hù)岸總長0.2 km。 自救式擋墻護(hù)岸凈高1.8 m，基礎(chǔ)寬1.5 m，基礎(chǔ)埋深0.8 m，墻后坡比1∶0.75。臨水坡采用臺(tái)階式，每級(jí)臺(tái)階寬0.75 m，高差0.50 m，在每級(jí)臺(tái)階上設(shè)置種植槽，填土種植水生植物。擋墻設(shè)置一排Φ50排水孔，排水孔間距2.0 m。新建擋墻每隔10 m設(shè)一道分縫，聚乙烯閉孔泡沫板(PE板)填縫。墻前采用干砌石護(hù)腳，干砌石寬1.0 m，厚0.8 m。墻后斜坡采用草皮護(hù)坡，堤頂設(shè)休閑步道，步道總寬2.24 m，路面凈寬2.00 m，路面采用透水磚路面，路面兩側(cè)設(shè)置預(yù)制路側(cè)石，尺寸為0.12 m×0.35 m。

(4)C20混凝土重力式擋墻二。樁號(hào)GYK3+785～GYK3+895、GYK4+020～GYK4+140段護(hù)岸為新建C20混凝土重力式擋土墻，護(hù)岸總長0.23 km。墻總高2.4 m，凈高1.5 m，基礎(chǔ)埋深0.9 m。墻頂寬0.5 m，擋墻臨水坡1∶0.1，背水坡1∶0.4。墻底總寬2.3 m，墻趾、墻踵長度均為0.4 m，底板厚0.4 m。擋墻設(shè)置兩排Φ50排水孔，排水孔間距2.0 m。墻前采用干砌石護(hù)腳，齒墻前干砌石寬1.0 m，厚0.9 m。新建擋墻每隔10 m設(shè)一道分縫，聚乙烯閉孔泡沫板(PE板)填縫。

(5) C20混凝土重力式擋墻三。樁號(hào)GYK0+534～GYK0+554、GYK1+249～GYK1+279段護(hù)岸為連接現(xiàn)狀交通橋兩側(cè)新建C20混凝土重力式擋土墻，護(hù)岸總長0.05 km。 墻總高2.3～6.1 m，凈高1.5～5.3 m，基礎(chǔ)埋深0.8 m。墻頂寬0.5 m，擋墻臨水坡1∶0.1，背水坡1∶0.5。墻底總寬2.4～4.98 m，墻趾、墻踵長度均為0.4 m，底板厚0.4 m。擋墻設(shè)置兩排Φ50排水孔，排水孔間距2.0 m。墻前采用干砌石護(hù)腳，齒墻前干砌石寬1.0 m，厚0.8 m。新建擋墻每隔10 m 設(shè)一道分縫，聚乙烯閉孔泡沫板(PE板)填縫。

3.1.3 護(hù)岸沖刷深度計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)，平順護(hù)岸沖刷深度可按式(1)～式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中:hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；n為形擾系數(shù)，與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查規(guī)范GB 50286—2013附錄表D.2.2。

本工程屬于砂質(zhì)河床可采用張瑞瑾公式如式(3)計(jì)算：

(3)

式中:d50為床砂的中值粒徑(由地質(zhì)報(bào)告提供的顆粒分析曲線查算)，m；γs為泥沙的容重取21 kN/m3；γ為水的容重，取10 kN/m3。

斷面沖刷深度計(jì)算結(jié)果如表1所示，從表1可以看出，良西鎮(zhèn)附近河道的沖刷深度為0.74 m，本次埋深取0.80 m，三山水閘下游河道的沖刷深度為0.85 m，本次埋深取0.90 m。

表1 斷面沖刷深度計(jì)算表

3.1.4 擋土墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算

本次護(hù)岸采用C20素混凝土衡重式擋土墻標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

(1)計(jì)算公式。

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379—2007)，土質(zhì)地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，按下列公式式(4)計(jì)算：

(4)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；G為作用于擋墻上全部豎向荷載，kN；H為作用于擋墻上全部水平向荷載，kN。

抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)按下式(5)計(jì)算：

(5)

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑Mv為對(duì)擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為對(duì)擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

擋墻基底壓應(yīng)力按下式(6)計(jì)算：

(6)

式中：Pmax(min)為基底的最大和最小壓應(yīng)力，kPa；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑M為作用在擋土墻上的全部荷載對(duì)于水平面平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和，kN·m；A為擋墻底面面積，m2；∑W為擋土墻基底面對(duì)于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩，m3。

(2)計(jì)算參數(shù)。

墻后回填土采用粉質(zhì)黏土，天然容重18 kN/m3，計(jì)算指標(biāo)采用綜合抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：黏聚力c=0 kPa,內(nèi)摩擦角Φ=30°，摩擦系數(shù)取0.4。地基土承載力強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖取500 kPa。

(3)計(jì)算工況。

根據(jù)規(guī)范GB 50286—2013、規(guī)范SL 379—2007、《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5124—2018)，本工程擋土墻按以下幾種工況計(jì)算：

完建期：墻前墻后無水，屬正常運(yùn)用；

常水位期：墻前為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查常洪水位，墻前水深1.2 m，屬正常運(yùn)用；

(4)計(jì)算結(jié)果。

本次計(jì)算采用理正擋土墻軟件，計(jì)算結(jié)果見表2：

表2 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

從上表計(jì)算結(jié)果可以看出，各擋土墻地基承載力、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求[2]。

3.2 清淤工程設(shè)計(jì)

3.2.1 清淤的縱比降

河道疏浚設(shè)計(jì)比降的確定與河道所經(jīng)過的地形、土質(zhì)、水流流量及含沙量等條件有關(guān)，并應(yīng)滿足不沖不淤的要求。天然情況下，河床演變具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用，即從輸沙不平衡向輸沙平衡的方向發(fā)展。河道現(xiàn)狀縱比降是河道經(jīng)過長年累月運(yùn)行的結(jié)果，是河道自動(dòng)調(diào)節(jié)的結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)河道縱比降取值與每段河道實(shí)測(cè)平均縱比降基本擬合。

確定河道設(shè)計(jì)縱比降后，按照以下公式(7)，確定河道疏浚底高程。

Zi=Z0-JLi

(7)

式中：Zi為計(jì)算點(diǎn)處河道疏浚的底高程；Z0為河道疏浚的起點(diǎn)高程；J為河道的設(shè)計(jì)縱比降；Li為河道疏浚的起點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)處距離。

3.2.2 清淤的橫斷面

(1)一般情況下，疏浚后的河道，應(yīng)有足夠的行洪斷面。根據(jù)現(xiàn)狀河道地形，本次對(duì)主槽部分進(jìn)行挖深，加大過流斷面面積，但基本保留河道中間的沙洲。

(2)河道清淤應(yīng)基本保留兩岸的樹木、竹林，僅對(duì)影響行洪的樹木予以清理。

(3)清淤斷面1：對(duì)于寬度較大的河道，邊灘或者中灘較寬，則在河道范圍內(nèi)，清除河道內(nèi)坡腳的淤泥和雜草、灌木為主，以利于行洪，本次治理干流下游河段多按此類清淤斷面。

(4)清淤斷面2：按原河道寬度進(jìn)行清淤，以設(shè)計(jì)河底高程進(jìn)行控制。

從上文清淤工程可以看出，本次清淤設(shè)計(jì)能夠使河道在疏浚后擁有足夠的行洪斷面，且恢復(fù)排洪能力，這不僅保障了河道汛期行洪安全，同時(shí)，還改善了河道水環(huán)境與沿河兩岸生態(tài)環(huán)境，使河道綜合功能恢復(fù)正常[3]。

4 結(jié) 語

本次對(duì)三山河干流上游段進(jìn)行護(hù)岸設(shè)計(jì)和清淤設(shè)計(jì)，能夠解決河道嚴(yán)重淤積、河段岸坡崩塌，抗沖刷能力低與防洪能力弱等安全隱患，幫助河道恢復(fù)原有的行洪能力，使河道汛期排洪通暢，河道的水環(huán)境得到改善。這對(duì)保護(hù)沿河兩岸居民的安全與生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展都發(fā)揮了推動(dòng)作用。