河道治理堤防整治工程設(shè)計(jì)探討

陳遠(yuǎn)奇

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng)110003)

1 工程概況

某河道治理工程治理河段總長(zhǎng)度為8.4 km，新建防洪堤11.17 km，修復(fù)防洪堤4.52 km，新建左堤岸6.11 m、右堤岸5.66 km。堤基承載力350 kPa，與地基間的摩擦系數(shù)為0.52;堤基大部為卵石、漂石混合土，局部為卵石混合土。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，本次工程堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為10 a一遇，洪峰流量1 115 m3/s，建筑物級(jí)別5 級(jí)。就目前的實(shí)際情況來(lái)看，河道汛期洪水集中、暴漲暴落，現(xiàn)有的河槽泄洪能力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)洪水要求，若遭遇較大洪水，勢(shì)必會(huì)對(duì)兩岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，整治工程的必要性和重要性非常突出［1－2］。

2 堤防寬度

對(duì)于地處沖擊平原的河流來(lái)說(shuō)，若其長(zhǎng)期處于可自由發(fā)展的狀態(tài)，那么河床與河段實(shí)際情況間通常會(huì)處于一種均衡狀態(tài)，例如，河寬、水深、比降等均衡形態(tài)的相關(guān)因素往往與含沙量、流量、粒徑等反映來(lái)水來(lái)沙及河床地質(zhì)條件的物理量存在某種函數(shù)關(guān)系，在相關(guān)理論研究或工作實(shí)踐中一般將其稱為河相或沿程河相關(guān)系［3－5］。

2.1 穩(wěn)定河寬

穩(wěn)定河寬，即指河床斷面、主槽位置變化可以忽略不計(jì)的河段。通過(guò)對(duì)該指標(biāo)的計(jì)算和分析，設(shè)計(jì)人員可了解堤防寬度的最小值，進(jìn)而為河道兩岸治導(dǎo)線的合理確認(rèn)提供依據(jù)和保障。在本次工程中，設(shè)計(jì)人員為保障計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，分別采用了阿爾圖寧公式以及聯(lián)立求解對(duì)穩(wěn)定河寬進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 阿爾圖寧公式

阿爾圖寧計(jì)算公式為:

式中:A 為穩(wěn)定河寬系數(shù)(取值1.3);Q 為造床流量(取10a 一遇洪峰流量，m3/s);J 為河道比降。

在本次工程中，河道主槽縱坡9‰～15‰，將相關(guān)數(shù)值代入公式，可得穩(wěn)定河寬最小值100.5 m，最大值111.3 m。

2.1.2 聯(lián)立求解水流阻力公式為:

水流連續(xù)公式為:

河相關(guān)系式為:

聯(lián)解以上公式，可得:

式中:h 為計(jì)算河段水深，m;J 為比降(主河槽平均坡度);Q 為造床流量，m3/s;B 為計(jì)算河段河寬，m;ξ為河相系數(shù)(取值6);n 為綜合糙率(取值0.035)。

將相關(guān)數(shù)值代入公式，可得穩(wěn)定河寬最小值118.2 m，最大值111.3 m。

綜上，阿爾圖寧公式的計(jì)算結(jié)果為100.5 ～111.3 m;聯(lián)立求解的計(jì)算結(jié)果為118.2 ～111.3 m?？梢钥闯觯瑑煞N方法所得結(jié)果還是非常接近的，結(jié)合本次整治工程的任務(wù)要求以及河道的實(shí)際情況，穩(wěn)定河寬最終確認(rèn)為120 ～150 m。

2.2 堤防治導(dǎo)線

在設(shè)計(jì)流量下，河道經(jīng)整治后的平面輪廓線即為治導(dǎo)線。由于治導(dǎo)線是工程臨河面的邊界聯(lián)線、可為建筑物布置提供參考和依據(jù)，因此對(duì)于治導(dǎo)線的確認(rèn)也就成為了設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容之一。在確定治導(dǎo)線寬度的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)周邊建筑物布置、河床及已建堤防寬度等因素進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)，還要注意順應(yīng)河勢(shì)發(fā)展，盡可能與天然河勢(shì)保持一致，將裁彎取直壓縮到最低限度，以免各類人為因素對(duì)天然河道造成過(guò)多的負(fù)面影響［6－8］。

本次工程的治理對(duì)象屬于洪水型河槽，由于整治目的是提高其防洪能力，因此采用設(shè)計(jì)洪峰流量(1 115 m3/s)下的河槽整治線進(jìn)行控制，所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定河寬為120 ～150 m。同時(shí)，為順應(yīng)天然河勢(shì)，將部分河段的治導(dǎo)線布置為彎道，結(jié)合河相、河道走向的相關(guān)關(guān)系，確定彎道半徑為水面寬3 ～5 倍。

2.3 河道水面線

在前期階段，設(shè)計(jì)人員初步選擇了“直立擋土墻+斜坡式齒墻”結(jié)構(gòu)，采用下面的公式對(duì)水位進(jìn)行推算。

式中:△l 為分段長(zhǎng)度，m;h2為下游斷面水深，m;α為流速系數(shù);v2為下游斷面流速，m3/s;h1分別為上游斷面水深，m;v1為上游斷面流速，m3/s;i 為渠道縱坡;J 為水力要素均值;E2為下游斷面比能;E1為上游斷面比能;g 為渠道糙率(取值0.035)。

在計(jì)算過(guò)程中，可對(duì)一端斷面水深進(jìn)行假定，并計(jì)算出△l 的值。若該值與假定值一致，則認(rèn)為假定值即為斷面水深的實(shí)際值，若計(jì)算結(jié)果與假定值存在差異，則重新假定、計(jì)算和對(duì)比，直至計(jì)算所得值與假定值相同。最終結(jié)果顯示，0+000 ～8+400 段設(shè)計(jì)洪水水深為1.58 ～2.11 m。

通過(guò)以上計(jì)算，設(shè)計(jì)人員確定了本次整治工程的穩(wěn)定河寬、堤防治導(dǎo)線以及河道水面線，為下一步工作中整治線以及堤防高度的合理確認(rèn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)、提供了可靠依據(jù)。

3 堤防設(shè)計(jì)

3.1 沖刷深度

設(shè)計(jì)人員采用了水流平行、斜沖岸坡兩種情況對(duì)沖刷深度進(jìn)行計(jì)算，前者主要于彎道過(guò)渡段發(fā)生，后者主要于彎道凹岸發(fā)生。

在平順段，可采用下面的公式計(jì)算沖刷深度:

式中:HB是由河岸起算的局部沖刷深度，m;HP為沖刷處水深，m;VCP為平均流速(最大洪水情況下，m/s);V允為河床面允許的不沖流速，m/s;n 為系數(shù)。

在彎道凹岸段，沖刷深度的計(jì)算公式改為:

式中:△HP是由河岸起算的局部沖刷深度，m;α 為岸坡、水流方向間的夾角(實(shí)測(cè)值為20°);Vj為水流的局部沖刷流速，m;m 為系數(shù)(防護(hù)壩斜坡護(hù)腳齒墻迎水面邊坡，取值0.5);d 為巖土計(jì)算粒徑(坡角處，取值0.23m)。

結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)、沖刷深度對(duì)防洪墻基礎(chǔ)埋置深度加以確認(rèn)，要求在沖刷線下0.5 ～1.0 m。沖刷深度計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1 沖刷深度計(jì)算結(jié)果匯總表

3.2 堤防形式

堤防形式可分為鋼筋混凝土堤、重力式漿砌石堤以及梯形斷面土堤，其中，鋼筋混凝土堤具有保證度高、占地面積小的優(yōu)勢(shì)，缺陷在于需要大量的資金投入，因此多用于城市地區(qū);重力式漿砌石堤的優(yōu)勢(shì)與鋼筋混凝土堤相同，由于本次工程所在地區(qū)可就近提供砌筑用卵石，因此建設(shè)成本相對(duì)低廉;梯形斷面土堤的填筑全部采用土料，雖然造價(jià)最為低廉，但占地面積大、保證程度不高［9－11］。

本次工程的設(shè)計(jì)原則是“在滿足防汛及管理要求的前提下最大程度減少建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益的雙豐收”，結(jié)合山區(qū)河道易沖刷的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)人員最終采用了“重力式擋土墻護(hù)堤+斜坡式齒墻護(hù)腳”的復(fù)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)建設(shè)成本較低、占地面積較小，并且在行洪的過(guò)程中對(duì)主堤具有良好的保護(hù)作用，消除了因避免沖刷主堤基礎(chǔ)而大幅削減高程的問(wèn)題［12］。

堤身和護(hù)腳全部采用M7.5 水泥砂漿砌塊石;堤頂寬0.5m，采用10cm 厚C15 混凝土壓頂;迎水面邊坡1∶0.4，背水面上部高0.5m 直立，下部邊坡1∶0.1;斜坡式齒墻邊坡1∶1，深度1.5 ～2.0m，厚度0.5m。抗滑安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為1.37、抗傾安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為2.06，均滿足規(guī)范要求。

另外，設(shè)計(jì)人員還于堤身設(shè)置了排水孔(孔徑100mm、間隔3m)，以此減輕堤防后背水壓力，同時(shí)，在排水孔進(jìn)口處設(shè)置反濾層，以此為排水孔提供更多保護(hù)。每隔15 m設(shè)置寬度為2 cm的伸縮縫一道，縫內(nèi)夾聚乙烯閉孔板;在臨水側(cè)2 cm深處，以瀝青水泥砂漿(1∶1.4)封口。

3.3 安全超高及堤高

結(jié)合《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—98)的要求以及本次工程防洪標(biāo)準(zhǔn)、建筑物等級(jí)的實(shí)際情況，堤防安全超高應(yīng)為0.5m。利用河道控制斷面的水力特性以及多年平均最大風(fēng)速的1.5 倍對(duì)堤頂超高和波浪進(jìn)行計(jì)算，所用公式如下所示:

式中:y 為堤頂高程，m;R 為設(shè)計(jì)波浪爬高，m;A 為安全超高，m;e 為設(shè)計(jì)壅水增加高度，m。

綜合計(jì)算結(jié)果，可知河道設(shè)計(jì)洪水水深1.58 ～2.11m，堤防基礎(chǔ)埋深0.5m，河道設(shè)計(jì)沖刷深度1.5～2.0m，堤防超高0.75m。斜坡式齒墻深度1.5 ～2.0m，沿河道重力式擋土墻高度2.83 ～3.36m。

4 結(jié) 語(yǔ)

在本次河道整治工程設(shè)計(jì)工作中，堤防結(jié)構(gòu)采用了“重力式擋土墻護(hù)堤+斜坡式齒墻護(hù)腳”的復(fù)式結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算和論證，證實(shí)該斷面在本次工程中具有較高的適用性和經(jīng)濟(jì)性。項(xiàng)目建成至今，始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，設(shè)計(jì)工作中所采用的思路和方法值得在今后同類堤防設(shè)計(jì)中進(jìn)行參考和借鑒。

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