蛤蜊河設(shè)計(jì)水面線推求及防護(hù)方案分析

劉兆楠

(大連市水務(wù)集團(tuán)水研究院有限公司，遼寧 大連 116100)

河道綜合治理工程旨在改善河道防洪能力不足，岸坡穩(wěn)定性較差的現(xiàn)狀。通過(guò)實(shí)施河道治理工程，可以提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，保障河道沿線居民的安全，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展。河道綜合治理工程涉及到多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)復(fù)雜的工程。河道沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，治理工程里程較長(zhǎng)，因此，選取適宜的治理方案，可以節(jié)約工程投資，保障工程安全[1-3]。

1 工程概況

蛤蜊河治理工程的主要任務(wù)對(duì)河道兩岸堤防進(jìn)行加高、局部河段清除河底漂石、對(duì)兩岸岸坡進(jìn)行賓格網(wǎng)箱防護(hù)等，并使河道滿足防洪要求、岸坡穩(wěn)定及抗沖刷要求；同時(shí)對(duì)岸坡通過(guò)換填種植土、撒播草籽、種植楓楊等綠化種植措施，使河道達(dá)到生態(tài)景觀的需要；在河道兩岸有排水要求的堤防上修建排水涵，滿足兩岸排水要求。蛤蜊河步云山鄉(xiāng)段防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為10～20年一遇。綜合考慮謙泰村在步云山鄉(xiāng)未來(lái)的發(fā)展定位和目標(biāo)，蛤蜊河謙泰村段(步云山大橋至馬屯大橋、29+143—32+207)采用20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，其他河段(23+400—29+143、32+207—34+150)采用10年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。

2 水面線推算

2.1 計(jì)算條件

2.1.1計(jì)算范圍

本次水面線計(jì)算范圍為蛤蜊河步云山鄉(xiāng)東地橋向上游至呂家屯(23+400—34+150)，計(jì)算河長(zhǎng)10.75km。

2.1.2地形資料

本次有實(shí)測(cè)1∶500平面帶狀地形圖及實(shí)測(cè)現(xiàn)狀橫斷面圖，水面線計(jì)算采用設(shè)計(jì)河道平面及斷面、并結(jié)合現(xiàn)狀進(jìn)行水面線推求。

2.1.3起推水位

計(jì)算段河道為緩坡，自下游向上游推求水面線。本次起推位置采用治理段下游起點(diǎn)(23+400)向下游2.5km處，治理段以下2.5km的河道橫斷面采用《大連市蛤蜊河河道治理規(guī)劃報(bào)告》中橫斷面，該處水位采用明渠均勻流計(jì)算，通過(guò)計(jì)算該處10年一遇設(shè)計(jì)洪水水位為140.14m，向上游推求到治理起點(diǎn)23+400處水位為151.94m。則，本次治理段起點(diǎn)10年一遇起推水位為151.94m，采用此水位作為蛤蜊河治理段的起推水位向上游推求水面線。

2.1.4控制斷面處水位

治理后河道上穿河建筑物有莊蓋高速橋下過(guò)水路(25+143)、老虎汀過(guò)水路(30+556)、攔沙跌水壩5～1(26+929、27+036、27+128、29+242、29+319)。

在過(guò)水路及攔沙跌水壩處按照堰流計(jì)算該斷面水位，并以此為水位繼續(xù)向上游推求水面線。

堰流計(jì)算公式，具體如下：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；B—堰長(zhǎng)，m；m—流量系數(shù)；σs—淹沒(méi)系數(shù)；σc—側(cè)收縮系數(shù)，無(wú)測(cè)收縮，取1；H0—堰前水頭，m；H—堰上計(jì)算水深，m。

通過(guò)判斷，4#攔沙跌水壩為淹沒(méi)出流，其余均為自由出流的實(shí)用堰，堰上水深計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 各控制斷面控制水位計(jì)算成果表

2.1.5糙率選取

河道糙率取值參考《水力計(jì)算手冊(cè)》中的河道糙率表，然后結(jié)合本次治理后河道的實(shí)際情況綜合確定。

通過(guò)對(duì)治理段河道的現(xiàn)場(chǎng)勘查并結(jié)合治理后河道的實(shí)際情況分析，河道彎道較多、斷面較規(guī)整、河道較寬、水流較通暢、河床為卵石，河道糙率采用0.033。

2.2 計(jì)算方法

本次水面線的推算方法是依據(jù)能量守恒定律，自下游向上游逐斷面推算水面線，主要公式如下：

(2)

(3)

2.3 設(shè)計(jì)成果

河道水面線計(jì)算成果如圖1所示。

圖1 蛤蜊河10年一遇設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算成果表(23+400—29+143)

3 堤防工程

3.1 堤防設(shè)計(jì)

3.1.1堤防斷面設(shè)計(jì)

河道堤防為土堤，設(shè)計(jì)堤頂寬度為3m，根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算，堤防迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比為1∶2.0。

堤防加高培厚采用河床開(kāi)挖料回填，河床開(kāi)挖首先去除表層漂石，用于附近河床整平，漂石以下土層開(kāi)挖用于堤防填筑。

3.1.2堤防超高計(jì)算

堤頂超高由下式計(jì)算：

Y=R+e+A

(4)

式中，Y—堤頂超高，m；R—設(shè)計(jì)波浪爬高，m；e—設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度，m；A—安全加高，按不允許越浪取0.5m、0.6m。

堤頂超高計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 堤頂超高計(jì)算成果表

設(shè)計(jì)堤頂高程成果如圖2—3所示。

圖2 左岸堤頂設(shè)計(jì)高程

圖3 右岸堤頂設(shè)計(jì)高程

圖4 標(biāo)準(zhǔn)斷面1

圖5 標(biāo)準(zhǔn)斷面2

3.2 防護(hù)設(shè)計(jì)

3.2.1防護(hù)型式比選

本次治理河段流速基本都大于2m/s，需采用硬質(zhì)護(hù)坡。結(jié)合本工程特點(diǎn)，防護(hù)型式的選擇應(yīng)滿足抗沖要求，又應(yīng)該符合生態(tài)景觀要求，本工程采取兩種方案。

方案一是賓格網(wǎng)墊護(hù)坡。該方案采用編織的聚脂膜賓格網(wǎng)墊內(nèi)回填塊石，其結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，整理性好，抗沖流速大，并具有透水性、透氣性，可形成自然生物帶，生態(tài)效果較好，網(wǎng)墊表層也可覆土種植，可以實(shí)現(xiàn)景觀種植要求，其造價(jià)較高。

賓格網(wǎng)墊護(hù)坡既能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，又能覆土種植滿足景觀要求，且該方案現(xiàn)在應(yīng)用廣泛，效果較好。工程大部分護(hù)坡均采用賓格網(wǎng)墊護(hù)坡。

方案二是干砌石護(hù)坡。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用廣泛，與賓格網(wǎng)墊相比，抗沖流速低，但其造價(jià)低于賓格網(wǎng)墊護(hù)坡。

干砌石護(hù)坡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，因此在現(xiàn)狀沖刷不大的治理段末端漂流段采取干砌石護(hù)坡，節(jié)省造價(jià)。

3.2.2防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同河段沖刷程度，堤防迎水坡防護(hù)型式設(shè)計(jì)為4種，為標(biāo)準(zhǔn)斷面1—標(biāo)準(zhǔn)斷面4；另外，老虎汀左岸交通路路基和喬溝右岸交通路路基采用混凝土擋土墻防護(hù)；下游漂流段右岸緊鄰交通路，所以，在堤肩與路之間建設(shè)防浪墻[7]。

(1)標(biāo)準(zhǔn)斷面1

應(yīng)用于河道較順直、現(xiàn)狀沖刷較小的河段凸岸，在治理段下游，總長(zhǎng)1.96km。

堤防迎水坡采用干砌石護(hù)坡，護(hù)坡厚度250mm，堤頂防護(hù)長(zhǎng)度0.5m，護(hù)坡下鋪設(shè)400g/m2無(wú)紡布反濾；護(hù)腳采用1.0m×1.0m賓格網(wǎng)箱防護(hù)，護(hù)腳下鋪設(shè)400g/m2無(wú)紡布反濾；塊石粒徑不小于200mm，塊石強(qiáng)度等級(jí)MU40；護(hù)腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設(shè)計(jì)洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5×1.5m布置，楓楊種植采用生態(tài)袋(袋裝種植土)，生態(tài)袋尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設(shè)計(jì)洪水位與堤頂之間鋪設(shè)種植土100mm厚，并播撒草籽。

(2)標(biāo)準(zhǔn)斷面2

應(yīng)用于現(xiàn)狀沖刷較重、岸坡坍塌的河段或凹岸，及羅島周圍岸坡，總長(zhǎng)6.438km。

堤防迎水坡采用賓格網(wǎng)墊護(hù)坡，護(hù)坡厚度500mm，堤頂防護(hù)長(zhǎng)度0.5m，護(hù)坡下鋪設(shè)400g/m2無(wú)紡布反濾；護(hù)腳采用賓格網(wǎng)箱防護(hù)，網(wǎng)箱采用“L”型，水平防護(hù)長(zhǎng)度為2.5m，防護(hù)厚0.5m，前沿防護(hù)深為1.0m，護(hù)腳下鋪設(shè)1層400g/m2無(wú)紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強(qiáng)度等級(jí)MU40，網(wǎng)孔80mm×115mm；護(hù)腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設(shè)計(jì)洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5m×1.5m布置，楓楊種植采用生態(tài)袋種植，生態(tài)袋尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設(shè)計(jì)洪水位與堤頂之間鋪設(shè)種植土100mm厚，并播撒草籽。

(3)標(biāo)準(zhǔn)斷面3

應(yīng)用于大部分河段，總長(zhǎng)13.519km，應(yīng)用具體河段如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)斷面3

堤防迎水坡采用賓格網(wǎng)墊護(hù)坡，護(hù)坡厚度300mm，堤頂防護(hù)長(zhǎng)度0.5m，護(hù)坡下鋪設(shè)400g/m2無(wú)紡布反濾；護(hù)腳采用賓格網(wǎng)箱防護(hù)，網(wǎng)箱采用“L”型，水平防護(hù)長(zhǎng)度為1.5m，防護(hù)厚0.5m，前沿防護(hù)深為1.0m，護(hù)腳下鋪設(shè)一層400g/m2無(wú)紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強(qiáng)度等級(jí)MU40，網(wǎng)孔80mm×115mm；護(hù)腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設(shè)計(jì)洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5m×1.5m布置，楓楊種植采用坑換種植土，種植坑尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設(shè)計(jì)洪水位與堤頂之間鋪設(shè)種植土100mm厚，并播撒草籽。

(4)標(biāo)準(zhǔn)斷面4

應(yīng)用在老虎汀右岸，現(xiàn)狀干砌石護(hù)坡較完整、坡腳被沖毀段，總長(zhǎng)0.722km。如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)斷面4

保留現(xiàn)有干砌石護(hù)坡，重新修建護(hù)腳，護(hù)腳采用斜墻式賓格網(wǎng)箱防護(hù)，斜墻網(wǎng)箱高2.0m，基礎(chǔ)埋深1.0m，網(wǎng)箱尺寸采用3m×1.5m×1.0m。網(wǎng)箱下鋪設(shè)一層400g/m2無(wú)紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強(qiáng)度等級(jí)MU40，網(wǎng)孔80mm×115mm；護(hù)腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

3.2.3護(hù)坡厚度計(jì)算

賓格網(wǎng)箱護(hù)坡厚度計(jì)算采用《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中公式，公式及計(jì)算過(guò)程如下：

t=2.0Dm

式中，t—網(wǎng)墊最小厚度，m；Dm—填石的中值粒徑，m；S0—博粒徑安全系數(shù)，；Cs—填石穩(wěn)定系數(shù)，；Cv—流速分布系數(shù)，；d—流速V處局部水深，m；V—斷面平均流速，m/s；γs、γw—填石、水的容重，kN/m3，取26.5kN/m3和10.0kN/m3；K1—邊坡修正因子，坡度1∶2.5時(shí)取0.94。

選取典型斷面一25+200處(河道較順直、現(xiàn)狀沖刷較小的河段凸岸)：流速為3.56m/s，堤腳處水深為2.68m。通過(guò)計(jì)算Dm=0.09m，t=0.17m，故本次設(shè)計(jì)賓格網(wǎng)墊護(hù)坡厚度為0.25m，網(wǎng)墊內(nèi)要求填石粒徑不小于200mm。

選取典型斷面二30+200處(大部分河段)：流速為4.09m/s，堤腳處水深為1.99m。通過(guò)計(jì)算Dm=0.13m，t=0.26m，故本次設(shè)計(jì)賓格網(wǎng)墊護(hù)坡厚度為0.3m，網(wǎng)墊內(nèi)要求填石粒徑不小于200mm。

選取典型斷面三31+100處(現(xiàn)狀沖刷較重、岸坡坍塌的河段或凹岸)：流速為5.56m/s，堤腳處水深為3.77m。通過(guò)計(jì)算Dm=0.24m，t=0.48m，故本次設(shè)計(jì)賓格網(wǎng)墊護(hù)坡厚度為0.5m，網(wǎng)墊內(nèi)要求填石粒徑不小于200mm。

3.2.4沖刷深度計(jì)算

河道沖刷計(jì)算采用GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D中公式，公式及計(jì)算過(guò)程如下。

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)算：

式中，hs—局部沖刷深度，m；H0—沖刷處的水深，m；Ucp—近岸垂線平均流速，m/s；Uc—泥沙起動(dòng)流速，m/s；U—行進(jìn)流速，m/s；n—岸坡形狀系數(shù)，；η—水流流速不均勻系數(shù)；γs、γ—泥沙與水的容重，kN/m3。

計(jì)算分別針對(duì)流速較大段和轉(zhuǎn)彎段進(jìn)行沖刷計(jì)算，轉(zhuǎn)彎段選取樁號(hào)為30+900，流速較大段選擇樁號(hào)28+000為最不利典型斷面，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 護(hù)岸沖刷深度計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)歷史沖刷調(diào)查，較順直河段沖刷深度較小，在轉(zhuǎn)彎河段凹岸沖刷較嚴(yán)重。所以根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)護(hù)腳采用“L”型賓格網(wǎng)箱型式：在較順直河段護(hù)腳水平鋪設(shè)長(zhǎng)度采用1.5m、防護(hù)厚0.5m、前沿防護(hù)厚為1.0m；轉(zhuǎn)彎段凹岸加大護(hù)腳尺寸，水平鋪設(shè)長(zhǎng)度采用計(jì)算深度的1.5倍，即水平鋪設(shè)長(zhǎng)度為2.5m、防護(hù)厚0.5m、前沿防護(hù)厚為1.0m。

3.3 堤岸岸坡滑動(dòng)穩(wěn)定分析

堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算分4種工況：

(1)穩(wěn)定滲流期(設(shè)計(jì)水位)的背水坡；

(2)水位驟降期(堤前水深為設(shè)計(jì)水深的1/3)的臨水側(cè)岸坡；

(3)完建期的臨水側(cè)岸坡；

(4)完建期的背水側(cè)岸坡。

滑弧穩(wěn)定計(jì)算利用理正巖土計(jì)算軟件，采用瑞典圓弧法，選擇典型斷面進(jìn)行計(jì)算[4-6]。

3.3.1計(jì)算參數(shù)選擇

根據(jù)地勘資料，現(xiàn)有河道河底卵石的容重均為19.6kN/m3，飽和容重為22kN/m3，黏聚力為0，內(nèi)摩擦角36°。由于堤防采用河道原狀土(卵石)回填，因此填筑料容重采用19.6kN/m3，飽和容重為22kN/m3，黏聚力為0，內(nèi)摩擦角36°。

3.3.2計(jì)算典型斷面

正常運(yùn)用時(shí)期為工況(1)—(2)。選取堤防最不利斷面23+800作為計(jì)算典型斷面，此斷面堤頂高程為159.14m，河底高程為153.72m，堤高5.42m，設(shè)計(jì)水位為157.94m，堤前水深為4.22m，背水坡地下水位為154.76m，水深為1.04m；特殊工況1為施工期。

只列出穩(wěn)定滲流期的背水坡圓弧滑動(dòng)示意圖如圖8所示，各工況的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖8 滑動(dòng)計(jì)算結(jié)果

表4 岸坡圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，護(hù)岸岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)基于能量守恒定律、實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)以及收集到的水文資料，對(duì)蛤蜊河23+400—29+143段水面線進(jìn)行推求，進(jìn)而獲取設(shè)計(jì)堤頂標(biāo)高數(shù)據(jù)。

(2)結(jié)合治理段河道的實(shí)際情況，分別采取賓格網(wǎng)墊護(hù)坡、干砌石護(hù)坡型式，以適應(yīng)于不同段河道的治理需求。

(3)根據(jù)治理河道特點(diǎn)，確定4種標(biāo)準(zhǔn)斷面型式，在不同的河道段加以應(yīng)用。經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性復(fù)核分析，安全性滿足要求。

(4)河道綜合治理工程涉及到多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，尤其是現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念逐漸受到重視，在河道綜合治理工程中，需要結(jié)合城市發(fā)展規(guī)劃建設(shè)，選擇環(huán)境適宜性、規(guī)劃符合性更好的斷面型式。