流沙河移民安置防護工程抗沖刷設計研究

楊昌定，陳 林，石 新

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 流沙河防護工程簡介

流沙河移民安置防護工程是一項移民安置工程，工程建設任務是通過流沙河整治開發土地安置移民，兼有防洪等綜合效益。

流沙河移民安置防護工程范圍為兩河鄉富康村1組～九襄鎮民簇村3組，整治河段河道總長約15km。移民安置后，流沙河整治河段總人口約2.9萬人，總耕地面積約0.147萬hm2。

根據工程項目區的地形地質、河道走向、河道現有堤岸及移民安置規劃，采用歸順河道，單邊堤、雙邊堤及護岸相結合的堤岸防護形式，開發河灘地，滿足移民生產安置用地需要。工程布置防護堤堤線總長20.627km，其中左岸堤線長11.493km，右岸堤線長9.134km;新增耕地面積128.6hm2。

2 流沙河河流特性

流沙河是大渡河中游左岸的一級支流，發源于扇子山東麓，整個流域位于漢源縣境內。本流域北面以大相嶺和青衣江分水，南面以雞冠山與大沖河為界，分水嶺最高海拔高程4 021m。流域走向大致為西北～東南向，略呈扇形。流域除四周靠近分水嶺地區為山區地形外，大部為深、淺丘地貌，中、下游干流沿岸有少量平壩。流沙河流域面積共計1 150 km2，主河道河長71.0km。

流沙河防護工程河段，上起九襄鎮民簇村，下至兩河鄉高富康村，左岸至九宜公路以下，右岸與任家灣集中安置區相接，幅員面積12.24km2。工程區地層內基巖埋藏深，堤基地層由上至下為第四系沖洪積含漂砂卵石與侏羅系中統遂寧組強風化的砂巖夾泥巖。經勘探揭示，堤基0～2.3m為稍密卵石，2.3m以下為密實卵石層，其壓縮性低、變形小，承載力和變形滿足筑堤要求。

流沙河屬于典型的山區多泥沙河流，其特性有如下4點:

(1)流沙河防護河段屬典型游蕩型卵石河床，河道平均縱坡13.3‰，河道寬闊，河勢彎曲且十分不穩定，河槽多變、彎曲、分叉。河灘地不穩定，經常被洪水沖毀。小水坐槽，大水漫灘，受洪水沖積，形成多處小沙洲，加劇了河床及河槽的不穩定。

(2)防護河段內支溝匯入較多，匯入流量較大，河床演變特性異常復雜。在工程防護范圍內(約15km)，較大的支溝約有8條，其中田嘴河等5條為泥石流溝(見表1)。各支溝產、匯流參數及流量參數見表 2、3。

(3)流沙河流域內大部為深、淺丘地形，處于大相嶺的焚風區，氣候較干燥，巖體風化較嚴重，導致流域內沖溝發育，暴雨強度大，水土流失較嚴重，泥石流活躍。

據統計，流沙河多年平均懸移質年輸沙量121萬t，多年平均含沙量1 910g/m3，輸沙量年內分配極不均勻，主要集中在汛期(6～9月)，占全年輸沙量的94.2%;其中8月份輸沙量最大，占全年輸沙量的42.3%。

(4)流沙河洪水過程一般為單峰，洪水陡漲陡落，洪水歷時一般不超過一天，加之河道坡降較陡，洪水時挾沙量較大，造成洪水流速大、挾沙量大、沖刷能力強。本工程實施前，流沙河亦曾經歷多次整治，但效果均不佳，究其緣故，大多為河水淘刷防護工程基腳，導致防護工程坍塌。

表1 流沙河移民安置防護工程河段較大支溝泥石流特性

表2 工程區河段較大支溝流域特征值及產、匯流參數

3 防沖設計

3.1 原防沖設計方案

根據堤防布置河段的地形地質條件和當地天然建筑材料的實際情況，以及河道沖刷計算結果，為在滿足防洪需要的前提下，盡可能增加新增耕地面積、提高工程經濟效益，同時其結構型式要盡可能適應建筑物區的地形地質條件，達到使工程安全可靠、便于施工和節省工程投資等目的，原防沖設計方案選取了三種方案進行比較，即:

方案一:漿砌塊石護坡的碾壓砂卵石堤。

方案二:上部采用漿砌塊石護坡，下部采用重力式漿砌塊石擋墻堤。

方案三:重力式漿砌塊石擋墻堤。

方案一投資最小，方案三投資最大，但方案一塊石用量最大，而本工程塊石料場較遠且儲量有限;方案二的防淘刷效果優于方案一;方案二相對方案三投資小、基礎處理簡單、適應地基變形能力較大、施工方法簡單;方案三開挖斷面相對較大，雖抗沖能力較好，造地面積較大，但對地基要求較高，塊石用量相對較大。通過綜合分析，流沙河移民安置防護工程原防沖設計方案推薦采用方案二，即以上部漿砌塊石護坡、下部重力式漿砌塊石擋墻作為防沖方案，并對河槽疏浚，將河道規整為復式河槽。

表3 工程區河段較大支溝設計洪水成果 m3·s－1

護腳設計防沖刷深度H，可按局部沖刷深度hB+安全余度確定，即H=hB+A，依據GB50286－98《堤防工程設計規范》附錄D2.2－1之公式及《水力計算手冊(第二版)》，局部沖刷深度采用下式計算:

式中 hB——局部沖刷深度，m;

hp——沖刷處水深，以近似設計水位最大深度代替，m;

Vcp——平均流速，m/s;

V允——河床面上允許不沖流速，m/s;

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關的參數。

依據防護后的河道水流條件、河床泥沙條件等，計算出防護河段沖刷深度在2.49～4.28m之間。依據各個斷面的沖刷深度，考慮0.5m的安全余度，作為設計沖刷深度H，確定各個斷面防護堤護腳尺寸。

考慮到流沙河洪水期挾沙量大，淘刷能力強，在護腳墻前開挖斷面處平鋪兩層1m×1m鋼筋鉛絲石籠，鋼筋鉛絲石籠上碾壓回填河堤開挖料。

防護方案斷面見圖1、2。

圖1 防護堤典型斷面

圖2 防護堤護腳典型斷面

3.2 修復設計防沖措施

2009年流沙河防護堤白鶴集鎮段，因河道演變使得河床頻繁沖刷。為了減少河床沖刷對防護堤基地帶來的安全隱患，盡量固化河道縱坡及主流方向，在白鶴集鎮段修建了3個橫隔墻(間距500m)及四面體混凝土塊(單個重3t)護腳。經過2010年汛期的運行，橫隔墻固化河床的效果較好;但由于橫隔墻基礎較淺、間距較大、四面體較小等原因而受到不同程度的破壞。

根據2009、2010年兩個汛期洪水對防護堤損毀的不同位置和不同程度及橫隔墻的運行效果，考慮一固一防的防沖措施對原有的流沙河防護堤損毀段防沖設計進行了改進:

一固:采用橫隔墻以固化河床，以穩定河道底坡，減少河道的一般沖刷。橫隔墻的間距取250m;橫隔墻斷面采用梯形設計，頂寬80cm，底寬5.0m，上游坡比1∶0.6，下游坡比1∶0.2，頂部采用兩個圓弧，墻身上部采用C25鋼筋混凝土(鋼筋保護層厚度取10cm)，墻身下部采用C20埋石混凝土。

一防:采用四面體作為減少局部沖刷的措施。在流沙河彎道沖刷較為嚴重的部位采用四面體護腳，四面體底邊長2.0m、頂邊長1.5m、高1.5m，單個重4.8t。

3.3 損毀前后防沖措施對比

流沙河防護工程施工完畢后，連續經歷2年雨季的洪水考驗，防沖措施均有不同程度的損毀。破壞的主要原因為超標準洪水，即最大洪水超過防護工程的設計標準10年一遇。除此之外，還有以下2方面的原因:

(1)由于該河道的特殊性，河道的游蕩及沖淤變化致使河床高程普遍下降，導致防護堤基礎擋墻埋深變淺，沖刷深度不夠。

(2)流沙河洪水期挾沙量、挾沙粒徑和洪水期流速(最大斷面平均流速4.49m/s)均較大。這種特性的河流中洪水挾帶推移質對鋼筋鉛絲等抗沖材料的撞擊較強，極易破壞鋼筋鉛絲類的抗沖骨架，隨即骨架中的石塊等防沖材料被沖毀，導致整個防沖措施失效。

由于以上原因，在類似流沙河這種山區多沙游蕩性且洪水期挾沙粒徑大的河流采用原防沖設計方案將會有以下不足:

(1)流沙河原防沖設計方案雖做了防沖基礎和河道整理，但河床未固化，在經過2年洪水期的運行，洪水挾帶大量泥沙沖向下游，致使河床平均高程下降2m，最大河段下降3m左右，因此在修復設計中采用橫隔墻防沖措施，以固化原有河床，使河床達到沖淤平衡縱坡。根據流沙河已修工程運行結果及實測資料，在河床達到沖淤平衡縱坡時的間隔為220m左右，因此在修復設計防沖措施中考慮一定的經濟性將橫隔墻的間隔取為250m。

從2009年修建的橫隔墻運行情況看，橫隔墻上部結構破壞較為嚴重。為增加橫隔墻頂部的抗沖性和盡可能保持河床固化高程，防止局部破壞缺口對整體的影響，在修復設計防沖措施橫隔墻上部采用C25鋼筋混凝土(鋼筋保護層厚度取10cm);且橫隔墻下游沖刷較為嚴重，沖刷深度很大，為保證橫隔墻安全穩定，在修復設計防沖措施中橫隔墻下游設置長6m、厚80cm的鋼筋混凝土護坦。護坦尾部用大塊石回填(粒徑不小于80cm)，護坦兩側與原基礎擋墻齒墻連接，防止擋墻基礎淘刷。修復設計防沖措施典型橫斷面及縱斷面見圖 3、4。

圖3 河床橫隔墻橫剖面

圖4 河床橫隔墻縱斷面(半剖面)

(2)原防沖設計方案中鋼筋鉛絲石籠中的鋼筋鉛絲極易被洪水中的推移質砸斷，使整個防沖設施失效。長江中下游較常采用的是四面體透水框架。其作用原理為通過改變水流形態、流速，實現水流由沖刷到淤積的轉變，是一種主動型防淘刷設施。對于流沙河這種多泥沙的河流，洪水期水流中往往挾帶有大粒徑推移質，在水流作用下，四面體框架承受不住大粒徑推移質的撞擊而被破壞。鋼筋鉛絲石籠中鋼筋鉛絲骨架的破壞機理也與此類似。因而筆者認為在修復設計防沖措施中采用埋石混凝土四面體作為抗沖措施，通過改變洪水水流形態、降低流速、增加抗沖擊性，具有較好的防沖能力。

4 結 語

通過流沙河移民安置防護工程抗沖刷設計的成果及其運行效果來看，對于這種游蕩型卵石河床、河流坡降較大、洪水時挾沙量及挾沙粒徑較大的河流的抗沖刷設計，應考慮以下4點:

(1)河道沖淤演變對沖刷深度設計的影響，采用橫隔墻或其他固床工程措施，以固化河床高程，消除一般沖刷對沖刷深度設計的影響。

(2)充分考慮橫隔墻頂的抗沖性和橫隔墻下游的防沖措施，設計中橫隔墻頂部應采用高強度混凝土，下游應設防沖刷護坦。

(3)對推移質較多且粒徑較大河段的抗沖刷設計，應避免采用鋼筋鉛絲籠等護腳措施，防止推移質對骨架的損壞導致整體防沖措施失效。

(4)采用較大的四面體混凝土塊護腳作為抗沖措施更為有效，但造價較高，可在頂沖段等關鍵部位局部布置。