黃河寧夏段河道治理工程設(shè)計(jì)

婁森元

摘要：為進(jìn)一步控制黃河寧夏段游蕩性河勢(shì)，規(guī)順?lè)帚庑秃佣沃兴硬?，使其逐步穩(wěn)定，工程設(shè)計(jì)中結(jié)合河道治理現(xiàn)狀，采用了“微彎型整治+就岸防護(hù)”的綜合整治方案。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，根據(jù)每處工程所處地理位置、地形條件、河勢(shì)變化、迎送流情況，考慮新建、續(xù)建、改建工程與己建工程的一致性，確定了工程的布置方案及結(jié)構(gòu)型式。隨后采用三維有限元模型對(duì)河道整治工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定該工程護(hù)根內(nèi)坡坡比采用1∶1.2，外坡坡比采用1∶1.5較為合理。研究成果對(duì)游蕩性河道治理工程設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：河道治理； 游蕩性河道； 就岸防護(hù)； 黃河寧夏段

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.025

0引 言

由于黃河寧夏段河勢(shì)還未得到有效控制，加上部分河段缺乏堤防保護(hù)，寧夏河段防洪保障總體不足的問(wèn)題在近年汛期暴露較為突出。堤防、岸坡出險(xiǎn)較多，超出防汛搶險(xiǎn)能力，對(duì)兩岸防洪安全構(gòu)成直接威脅，其主要原因是黃河寧夏段游蕩性河道治理不甚完善。

以往游蕩性河道治理方式主要是單岸、雙岸控制，在彎道凹處建設(shè)控導(dǎo)、防護(hù)等工程，且工程以丁壩護(hù)岸等為主［1］。因此，在吸取過(guò)往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)河道治理現(xiàn)狀，針對(duì)黃河寧夏段提出了“微彎型整治+就岸防護(hù)”的綜合整治方案。

微彎型整治能夠有效控導(dǎo)河勢(shì)、減輕河勢(shì)游蕩、保堤護(hù)灘，是從以往治理黃河“隨彎就曲”的治理思路中發(fā)展而來(lái)的［2］，較符合水流運(yùn)動(dòng)和河床演變的發(fā)展規(guī)律。它依據(jù)“河性行曲特性”的學(xué)說(shuō)，在河勢(shì)演變的基礎(chǔ)上，歸納出幾條基本流路，進(jìn)而選擇一條中水流路作為整治流路，與洪水、枯水流路相近。就岸防護(hù)依堤防或?yàn)┑氐淖呦颉⒌匦涡藿?，無(wú)控導(dǎo)河勢(shì)的作用，主要作用為保堤護(hù)灘。

1工程概況

黃河寧夏段防洪二期工程是國(guó)務(wù)院確立的172項(xiàng)重大水利工程之一，工程建設(shè)將進(jìn)一步完善寧夏自治區(qū)河道防洪工程體系，增強(qiáng)河道抵御洪凌災(zāi)害能力。工程主要建設(shè)內(nèi)容包括：加固改建總長(zhǎng)16.65 km的堤防，堤防建筑物21座；河道整治工程73處，工程總長(zhǎng)118.04 km，其中新建長(zhǎng)97.09 km的壩垛、護(hù)岸工程，加固壩垛254道（座），工程長(zhǎng)度20.95 km，以及配套管理設(shè)施等。

2河道治理工程布置

2.1微彎型整治方案河段工程布置形式

采用微彎型整治方案的河段，主要是沿規(guī)劃治導(dǎo)線在彎道凹岸修建工程，這種工程布置不但能適應(yīng)不同的來(lái)流方向，而且導(dǎo)送流能力強(qiáng)，能很好地控制河勢(shì)，因而是比較理想的平面布置形式［3］，續(xù)建新建的工程仍然按凹入型布置，遵循“上平、下緩、中間陡”的原則。

2.2就岸防護(hù)整治方案河段工程布置形式

采用就岸防護(hù)整治方案的河段，主要是考慮在保證現(xiàn)有河汊正常過(guò)水，穩(wěn)定汊道的前提下，根據(jù)水流頂沖堤岸的位置，就岸布設(shè)短壩小垛或平順護(hù)岸，以防止河岸坍塌，確保沿河堤防、村莊、學(xué)校等安全。從歷年的河道地形分析來(lái)看，惠農(nóng)農(nóng)場(chǎng)至石嘴山河段主流靠右岸，河道順直，而且較窄，河勢(shì)穩(wěn)定，末端已接近石嘴山峽谷段。故工程布置采取就岸防護(hù)，對(duì)現(xiàn)狀掏刷塌岸嚴(yán)重段布置平順護(hù)岸。

2.3河道整治工程位置線

河道整治工程的長(zhǎng)度及壩頭位置，需依據(jù)工程位置線和規(guī)劃治導(dǎo)線確定。整治工程位置線是壩垛頭部的連線，主要有分組彎道式、單壩獨(dú)挑式、連續(xù)彎道式3種。其中連續(xù)彎道式的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)流能力強(qiáng)，出流方向穩(wěn)，壩前掏刷較輕，易于防守，近些年黃河下游和寧夏河段河道整治工程均采用此種形式。

2.4建筑物類(lèi)型及布置

河道整治建筑物一般包括丁壩、垛和護(hù)岸3種型式，多以丁壩為主，垛為輔，壩垛之間必要時(shí)修筑護(hù)岸。該段丁壩以直線型為主、垛以拋物線形為主，壩垛的布置主要采用30°方位角。除特殊情況外，新建續(xù)建工程丁壩長(zhǎng)度取90 m，間距與壩長(zhǎng)的比例按1∶1～1∶2控制。

對(duì)于拋物線型的垛，其背水面有托流外移減弱回流的作用，坡降值可以適當(dāng)放大。黃河寧夏段近年來(lái)采用的垛半徑一般為10～20 m，垛間距50～70 m，新建垛的凈間距一般不大于40 m，中間空檔由護(hù)岸連接。

3河道治理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1工程頂部高程確定

3.1.1控導(dǎo)工程

控導(dǎo)工程的作用是控導(dǎo)河勢(shì)，導(dǎo)引水流。依據(jù)GB 50707-2011《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］中要求，除險(xiǎn)工段外，其余控導(dǎo)工程頂部高程應(yīng)高于河道整治流量相應(yīng)水位以上0.5 m，黃河寧夏段近期防洪工程和二期防洪工程中，控導(dǎo)工程頂高程按設(shè)計(jì)整治流量相應(yīng)水位加1.0 m超高確定?？紤]到本次治理工程頂高程與以往工程標(biāo)準(zhǔn)的一致性，除險(xiǎn)工段外，其余控導(dǎo)工程頂部高程均按設(shè)計(jì)整治流量相應(yīng)水位加1.0 m超高確定。

3.1.2防護(hù)工程

（1） 堤防防護(hù)工程。

堤防防護(hù)工程由于經(jīng)常受水流沖刷，出險(xiǎn)幾率大，為了保證堤防在設(shè)計(jì)洪水條件下的安全，需要有較大的強(qiáng)度和足夠的超高。依據(jù)GB 50707-2011《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，堤防防護(hù)工程頂高應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)洪水位0.5 m。黃河寧夏段近期防洪工程和二期防洪工程中，頂高程按低于設(shè)計(jì)堤頂工程1.0 m計(jì)，此次工程依舊使用此標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 灘岸防護(hù)工程。

依據(jù)GB 50707-2011《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，海灘防護(hù)工程頂高程應(yīng)與灘面相平或略高于灘面。

3.1.3占體高程和根石頂高程

對(duì)于水中進(jìn)占的壩垛，其占體高程以施工期水位加0.5 m超高確定。根石拋投的頂高程按照施工期水位確定，為了對(duì)護(hù)根根石下沉起到預(yù)警作用，根石上方增設(shè)根石臺(tái)，根石臺(tái)頂部高程按施工期水位加0.5 m超高確定，根石臺(tái)寬2 m。

3.2斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)每處工程所處地理位置、地形條件以及河勢(shì)變化、迎送流情況，并考慮新建、續(xù)建、改建工程與己建工程的一致性，確定工程的結(jié)構(gòu)型式。本次設(shè)計(jì)的壩垛為土石結(jié)構(gòu)，分為旱地挖槽結(jié)構(gòu)和水中進(jìn)占結(jié)構(gòu)兩種型式。

3.2.1丁壩設(shè)計(jì)斷面

丁壩均為土心丁壩，考慮施工搶險(xiǎn)及堆放搶險(xiǎn)物料的需要，頂寬取10 m。

旱地施工時(shí)，壩體采用壤土或礫石土填筑，分層碾壓，其裹護(hù)段邊坡坡比在施工期水位以上為1∶2，施工期水位以下為1∶1.2。

典型河道整治工程丁壩斷面如圖1～2所示。

水中進(jìn)占時(shí)，由于人工成本提升及施工效率的需要，不再采用草土埽體，仁存渡以上改用散拋石進(jìn)占，仁存渡以下用格柵土枕進(jìn)占。由于進(jìn)占時(shí)局部流速大，占體需要一定寬度才能保證其整體穩(wěn)定，且高流速下施工進(jìn)占強(qiáng)度要求高［5］，考慮到機(jī)械化施工作業(yè)空間及安全需求，占體頂寬6.0 m，頂高程超過(guò)施工期水位0.5 m，外邊坡坡比為1∶1.0，內(nèi)邊坡坡比為1∶0.75。

以施工期水位為界，將裹護(hù)體分為護(hù)坡和護(hù)根兩部分，施工期水位以上為護(hù)坡，以下為護(hù)根。根據(jù)已建工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，此次治理工程每處丁壩由迎水側(cè)壩根開(kāi)始裹護(hù)，裹護(hù)至壩頭圓弧段再回裹5 m。

護(hù)坡材料的選擇應(yīng)考慮堅(jiān)固耐久、就地取材、利于施工和維修，既能滿足水流沖刷和自身穩(wěn)定，同時(shí)也能達(dá)到美化環(huán)境、提高護(hù)岸生態(tài)性及自然性的目的。目前常見(jiàn)的護(hù)坡型式有干砌石護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡、格賓網(wǎng)墊、土工生態(tài)袋、生態(tài)混凝土、混凝土磚等?？紤]生態(tài)效果、抗沖刷、耐久性等要求，此次治理河段護(hù)坡選用鍍鋅格賓網(wǎng)墊。自壩根至壩頭圓弧段再回裹5 m范圍內(nèi)裹護(hù)體厚度取0.5 m，背水側(cè)其它位置不再裹護(hù)。

護(hù)根工程是河道整治工程的根基，其穩(wěn)定性決定著河道整治工程的成?。?］。通過(guò)對(duì)常用幾種護(hù)根結(jié)構(gòu)形式的比較，并考慮工程、當(dāng)?shù)夭牧霞吧鷳B(tài)效果的需求，最終確定下河沿至仁存渡河段河床以砂卵石為主，為充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，護(hù)根部分采用混凝土四腳體（占3/4）與散拋石（占1/4）混拋［7］，拋投外邊坡坡比為1∶1.5，內(nèi)邊坡坡比為1∶1.2；仁存渡至石嘴山河段：河床以沙質(zhì)河床為主，護(hù)根根石采用石籠網(wǎng)兜（占3/4）與散拋石（占1/4）混拋。拋投外邊坡坡比為1∶1.5，內(nèi)邊坡坡比為1∶1.2。

3.2.2人字垛設(shè)計(jì)斷面

用散拋石進(jìn)占及填土填筑垛體，其做法與丁壩相同。垛體采用全裹護(hù)，裹護(hù)長(zhǎng)度為垛的臨水周長(zhǎng)，內(nèi)外邊坡坡比均為1∶2。裹護(hù)體的材料、具體制作方法、裹護(hù)體厚度和抗沖粒徑及單個(gè)塊體重量要求與丁壩裹護(hù)體相同［8］。

3.2.3護(hù)岸和聯(lián)壩斷面設(shè)計(jì)

丁壩間由聯(lián)壩相連，垛間用護(hù)岸相連，均采用壤土或者礫石土填筑，分層碾壓［9］。平順護(hù)岸、垛間護(hù)岸及聯(lián)壩頂部高程與壩、垛頂相齊，頂寬均為6.0 m，背水側(cè)邊坡坡比為1∶2，平順護(hù)岸、垛間護(hù)岸臨水側(cè)均采用鍍鋅格賓網(wǎng)墊裹護(hù)，內(nèi)外邊坡坡比均為1∶2。聯(lián)壩臨水側(cè)無(wú)需裹護(hù)，水上邊坡坡比為1∶2，水下邊坡坡比為1∶4。

3.2.4備防石

考慮到黃河河道特殊的水沙條件，目前河勢(shì)并不十分穩(wěn)定，中小水的來(lái)流方向經(jīng)常處于變化中，在水流頂沖的壩垛和壩垛局部段會(huì)出現(xiàn)實(shí)際沖坑深度大于穩(wěn)定沖刷深度（模擬計(jì)算值）的現(xiàn)象。同時(shí)，工程長(zhǎng)時(shí)間靠流運(yùn)行，會(huì)存在根石大量損失現(xiàn)象［10］。因此，工程實(shí)施時(shí)按照計(jì)算沖刷深度拋投護(hù)根，仍然可能出險(xiǎn)，故需設(shè)置備防石?？紤]實(shí)際擺放場(chǎng)地的限制和已建工程預(yù)留備防石搶險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)，丁壩按工程裹護(hù)長(zhǎng)度5 m3/m設(shè)置備防石，護(hù)岸及人字垛按照工程裹護(hù)長(zhǎng)度3 m3/m設(shè)置備防石。根據(jù)不同河段護(hù)根材料的特點(diǎn)，仁存渡上游河段備防石中四腳體體積占1/3、散拋石體積占2/3，仁存渡下游河段備防石均由散拋石組成。

3.3典型工程三維有限元的穩(wěn)定性分析

假設(shè)水下拋投根石在達(dá)到設(shè)計(jì)沖刷深度后處于穩(wěn)定狀態(tài)，采用三維有限元數(shù)值模擬分析對(duì)邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證［11］。由于丁壩的穩(wěn)定沖刷深度最大（仁存渡以上河段為10 m，仁存渡以下河段為15 m），本次計(jì)算選取具有代表性的仁存渡以上河段七星渠口險(xiǎn)工工程和仁存渡以下河段六頃地防護(hù)工程的丁壩進(jìn)行分析。

三維數(shù)值模擬分析主要利用Midas/GTS軟件，采用了基于有限元法的強(qiáng)度折減法。通過(guò)試算逐漸減小的剪切強(qiáng)度，計(jì)算至模型沒(méi)有收斂為止，將沒(méi)有收斂的階段視為破壞，并將該階段最大的強(qiáng)度折減率作為邊坡的最小安全系數(shù)。

3.3.1建 模

計(jì)算模型的寬度取沿壩長(zhǎng)方向10 m寬，模型中各種材料的物理力學(xué)性能均采用莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。所建模型見(jiàn)圖3～4。

3.3.2邊界條件及荷載情況

地表為自由邊界條件，不設(shè)置任何方向的約束；模型側(cè)面的側(cè)向水平位移限制為零，豎向自由；模型底部的豎向位移限制為零，不設(shè)置側(cè)向水平約束。

計(jì)算主要考慮壩體的自重應(yīng)力，由于實(shí)際土體的初始應(yīng)力狀態(tài)無(wú)法精確計(jì)算，作為近似估計(jì)，采用土體自重應(yīng)力。

3.3.3計(jì)算工況

主要考慮以下3種工況：

① 整治流量水位條件；

② 施工期水位條件；

③ 由洪水位或中水水位驟降至施工期水位條件。

3.3.4計(jì)算結(jié)果

整體穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表1，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有工程的抗滑穩(wěn)定系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，其斷面要經(jīng)過(guò)多次下蟄、搶險(xiǎn)后方能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4結(jié) 語(yǔ)

黃河寧夏段“微彎型整治+就岸防護(hù)”綜合整治方案符合河道治理現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)河道工程布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面具體的分析可知，設(shè)計(jì)方案合理。目前黃河寧夏段二期防洪河道整治工程已實(shí)施完畢，從實(shí)際效果看，能夠基本控制河勢(shì)，歸順河道主槽，消除險(xiǎn)情隱患，確保設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)洪水以?xún)?nèi)的防洪防凌安全，保障灌區(qū)和供水工程引水安全。

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（編輯：胡旭東）