規(guī)劃階段水利工程河道防洪治澇設(shè)計

◎董莎莎 寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測設(shè)計院

1.引言

洪水的成因有很多：暴雨、嚴重的水風(fēng)、不正常的漲潮、海嘯、大壩、水位、蓄水池或其它水結(jié)構(gòu)的失效。很多河流經(jīng)常會被洪水淹沒，這就是所謂的泛濫平原。雨水或下雪時，池塘或泥土里的水分會被草木所吸收，有些會被蒸發(fā)掉，剩下的則會以地面上的徑流形式流動。當(dāng)池塘、湖、河床、泥土、植物不能完全吸收水分的時候，就會出現(xiàn)水災(zāi)。從陸地上流出的水無法通過河流輸送到自然的水塘、湖和人工蓄水池。30%的降水量是很少的，而且隨著雪的消融，這種數(shù)量也會越來越多。洪水一般是由于暴雨造成的，有時由于積雪融化而增多。如果沒有事先的預(yù)警，就會快速上漲，這就是所謂的洪災(zāi)。為了避免洪災(zāi)對人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)工作造成影響，提高水利工程的防洪效果，下述將開展規(guī)劃階段水利工程河道防洪治澇的設(shè)計研究。

2.工程概況

以某地區(qū)水利工程項目為依托，為保證防洪、排澇的安全，應(yīng)采取行之有效的措施，緩解城市建設(shè)對河道生態(tài)環(huán)境的影響。本項目全長7.6公里，新挖出5.8公里的截流河道，對原有河道進行了拓寬，洪水等級為100年一遇、200年一遇、50年一遇的內(nèi)澇控制標準。新截流河段的河床寬度為70～110米，河床的設(shè)計控制水位為5.12米，河床為梯形復(fù)式斷面[1]。通過減小雨水的排泄距離，降低截流河道的泄洪壓力。在原有兩條河道的基礎(chǔ)上，又增設(shè)了一條南北連通的水渠。南北連接溝全長1.9千米，南部43公尺。河堤的設(shè)計控制高程為2.9米，河段為梯形復(fù)式，南段的連接渠道全長1.9公里[2]。河床為長方形，河床設(shè)計控制水位為5.9米，河床下寬35米。

3.規(guī)劃階段水利工程河道防洪治澇

3.1 水利工程河道堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了達到防洪、排澇的目的，必須對現(xiàn)有河道進行拓寬，并對違法占道的設(shè)施進行清理。同時，根據(jù)水利工程河道具體情況，完成對堤防結(jié)構(gòu)的設(shè)計。針對上述依托的水利工程項目，在工程所在區(qū)域內(nèi)由于洪水的突然爆發(fā)，會帶來大量的碎石，這些碎石會給堤壩帶來很大的沖擊，嚴重影響到工程區(qū)的安全。同時，由于內(nèi)部基礎(chǔ)的強度和軟弱的基礎(chǔ)厚度都很大，因此，豎向護岸容易發(fā)生不均勻的沉陷[3]。采用斜坡式防洪堤，具有材料充足、工期短、施工工藝簡單等優(yōu)點。因此，從整體上看，采用坡面式護岸是堤型的最佳選擇。在對堤防寬度進行設(shè)計時，將提升河道防洪治澇的安全性作為目標。通過合理的拓寬，可以有效降低河道內(nèi)水流的速度，同時可將下述公式作為河道寬度計算依據(jù)：

公式中，D表示水利工程河道水面寬度；A表示闡述系數(shù)，Q在本文中A的取值為1.5；表示造床流量；J表示河床比降。通過上述公式可以計算得出水利工程河道斷面的頂寬和底寬。在此基礎(chǔ)上，還需要確定堤防的高度，堤防超高通常包含波浪排高、風(fēng)壅增水高度以及安全加高，將各項參數(shù)通過測量和設(shè)計得到后，將其數(shù)值綜合作為河道堤防的超高[4]。通過上述計算，按成對河道堤防斷面的設(shè)計，如圖1所示。

圖1 水利工程河道堤防斷面設(shè)計圖

在充分考慮到河道堤防穩(wěn)定性的前提條件下，結(jié)合上述水利工程項目基本概況，將該河道堤防的邊坡系數(shù)設(shè)置為1:1.25。除此之外，對水利工程河道堤防使用的建筑材料選用鉛絲籠、塊石、柴草，將其應(yīng)用在護岸以及各個基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。將護坡的襯砌厚度設(shè)置為0.25m，將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的襯砌厚度設(shè)置為0.65m。

3.2 清除河道阻水物

通過對水利工程河道分析得出，主要阻水物可分為三種類型，第一種，跨江橋涵和水閘的孔口偏小、底板偏高、壅水導(dǎo)致上游水位升高；第二種，導(dǎo)流樞紐加固大壩，使上游水位升高；第三種，排水管溝被非法劃線、違章建筑、占用行洪段、阻礙養(yǎng)護和管理。針對規(guī)劃區(qū)域內(nèi)水利工程河道沿線影響防洪安全的阻水物，根據(jù)相關(guān)規(guī)定進行清除[5]。在實施過程中，要針對不同的障礙，進行具體的分析，逐個處理。對歷史上形成的各種有礙行洪的橋、涵、閘、壩，要仔細地研究，查明其現(xiàn)存的作用，凡是已經(jīng)結(jié)束使用功能的建筑物、構(gòu)筑物，應(yīng)盡快拆除，不留痕跡，如已喪失灌溉引水功能的水閘、水壩等；對仍可利用的攔洪工程，必須按照規(guī)劃凈空的規(guī)定進行改建或拆除。

清除河道阻水物后，河床的設(shè)計標高和底板高度有很大的差異，如果在清淤中不采取有效的措施，勢必會導(dǎo)致堤壩的地基不穩(wěn)定而坍塌。在進行松木樁施工時，為了能將倒灌和滲入的少量水流集中在河道低洼處，不會對工程造成任何影響。松木樁材選用松木，樹干直徑不低于100 mm，質(zhì)量優(yōu)良，單邊彎曲不得超過2%，整體無枯節(jié)、透心、穿心裂。為了增強松木樁的防腐耐用性，在施工之前，可以將樁身的一端削尖，然后用火將樁身表面燒成炭化。在進行樁身施工時，采用機械打樁方式，樁身在持力層內(nèi)不少于1m，同時保證樁的軸向偏移不超過5-6cm，并對樁的保持層和樁頂高度進行控制。拋石為塊石，石料選用微風(fēng)化石，禁止使用風(fēng)化石、強風(fēng)化石。在實施中嚴格按照尺寸分布，拋出的塊石重量超過50kg，孔隙率不超過75%，孔隙度不超過25%，用大塊石頭做頂板，確保工程質(zhì)量。在進行拋石之前，要先把石頭放入水中，然后用竹子之類的東西做記號，然后在漲潮的時候用小船把石頭運到工地進行人工投擲，或者是在岸上直接扔石頭。拋入時應(yīng)注意拋準、拋勻、拋足，應(yīng)遵循由上而下、由遠到近、由深到淺、由點到線的先后順序，逐步進行，分層拋入，不能亂拋，否則會影響工程質(zhì)量。

3.3 設(shè)置防洪治澇生態(tài)護岸

規(guī)劃階段對水利工程河道防洪治澇的設(shè)計主要是為了防止洪澇問題的產(chǎn)生，或盡可能減少洪澇災(zāi)害對水利工程項目以及周圍地區(qū)造成的威脅。基于此，在完成對河道堤防結(jié)構(gòu)的設(shè)計和對河道當(dāng)中阻水物的清除后，通過設(shè)置生態(tài)護岸的方式，也能夠在極大程度上提升河道的承泄能力。通過生態(tài)護岸的設(shè)置可以有效提高河道邊坡的穩(wěn)定性，同時也能達到美化環(huán)境的效果。可采用植物護岸的方式，護岸形式充分發(fā)揮了天然景觀與生態(tài)功能，采取了以植物為主體的緩坡進水方式，加強了水生植物和親水植物的使用。本方法的目的在于利用植物本身的生物固定和凈化功能，并在不同的植物之間形成一個多樣化的濱水區(qū)景觀。圖2為植物護岸基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 植物護岸基本結(jié)構(gòu)示意圖

除此之外，還可采用人工仿生材料護岸，這種生態(tài)護岸是指利用生態(tài)磚、生態(tài)袋、仿木樁等人造仿生材料進行圍堰施工，不僅可以達到圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、抗沖刷性能，而且還能滿足河道生態(tài)建設(shè)的需要。針對生態(tài)護坡的施工，結(jié)合洪澇發(fā)生時間、工程特點等，將施工順序規(guī)劃為：基礎(chǔ)開挖——碎石墊層——墻身砌筑——預(yù)制砌塊壓頂——土方回填。在具體施工中，按照這一流程進行，確保生態(tài)護岸充分發(fā)揮其防洪治澇的作用。

4.防洪治澇效果分析

為實現(xiàn)對上述河道防洪治澇設(shè)計方案應(yīng)用可行性的驗證，將設(shè)計方案導(dǎo)入到DHI MIKE FLOOD軟件中，并通過設(shè)置2年一遇降雨情況和50年一遇降雨情況兩種條件，對應(yīng)用設(shè)計方案后的水利工程河道承泄能力進行分析。選擇將兩種降雨情況條件下的河道積水深度作為評價河道承泄能力的指標，若河道積水深度越淺，則說明越不容易出現(xiàn)內(nèi)澇，河道承泄能力越強；反之，若河道積水深度越深，則說明越容易出現(xiàn)內(nèi)澇，河道承載能力越弱。通常情況下，在水利工程當(dāng)中，規(guī)劃階段要求的河道積水深度不得超過15cm?；谶@一要求，對應(yīng)用本文上述防洪治澇方案后的水利工程河道的積水情況進行記錄。選擇將河道劃分為5個分區(qū)，并分別編號為HD-#1、HD-#2、HD-#3、HD-#4和HD-#5，針對五個分區(qū)分別測定其不同降雨條件下的河道積水深度，并得到如表1所示的結(jié)果。

表1 不同降雨條件下河道積水深度記錄表

從表1中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，無論是在2年一遇的降雨條件下，還是在50年一遇的降雨條件下，應(yīng)用本文上述提出的防洪治澇方案后，該河道五個分區(qū)的積水深度均沒有超過標準設(shè)定的15cm范圍。因此，通過上述驗證本文在規(guī)劃階段提出的河道防洪治澇方案在實際應(yīng)用中可以有效促進河道承泄能力的提升，減少甚至避免出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害問題，大大提高水利工程的安全性和抗災(zāi)能力。

5.結(jié)束語

針對部分地區(qū)水利工程中河道洪災(zāi)內(nèi)澇情勢，提出了一種新的防洪治澇方案，并實現(xiàn)了對該方案可行性的驗證。在實際開展對水利工程河道的防洪治澇時，還應(yīng)當(dāng)充分遵循整體與局部原則。水利項目是關(guān)系到人民群眾的正常生產(chǎn)與生活，因此，在進行水利項目規(guī)劃時，必須從全局的角度來考慮，以提高水庫的綜合效益。尤其是在河道防洪治澇設(shè)計時，要重視下游及兩岸洪水防御，并強化治水問題。同時，規(guī)劃設(shè)計單位應(yīng)明確項目建設(shè)的總體任務(wù)，對洪水進行有效地防護與疏導(dǎo)。在施工中，要強化主次與重點相結(jié)合，尤其是在名勝古跡、交通要道、農(nóng)田要地等方面，要從全局上考慮，才能更好地兼顧整體和局部，充分發(fā)揮水利工程的建設(shè)作用。