義縣前楊鎮(zhèn)佟沙河河道治理工程設(shè)計(jì)

劉艷芬

(義縣水利局，遼寧 義縣121100)

1 工程概況

前楊鎮(zhèn)位于義縣城以南10 km，佟沙河是前楊鎮(zhèn)內(nèi)一條較大的河流。水文分區(qū)VI1區(qū)，沙河子以上集雨面積18.45 km2，長(zhǎng)度8.3 km，平均比降14.87‰，防洪標(biāo)準(zhǔn)10 a一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量159 m3/s。當(dāng)?shù)赜谫∩澈恿饔蚪ㄔO(shè)的“高效農(nóng)業(yè)基地”是群眾致富的重要基礎(chǔ)，房屋、農(nóng)田、道路也因此大多集中于水邊，一旦發(fā)生洪水將直接對(duì)村屯和耕地造成沖擊，不利于人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的保障。

就目前情況來(lái)看，佟沙河現(xiàn)存問(wèn)題主要有3個(gè)方面:

1)防洪標(biāo)準(zhǔn)低，河道防洪壓力過(guò)大。

2)在多年淤積的影響下河床抬高，行洪能力下降。

3)河流彎道部位沖刷嚴(yán)重，部分河段險(xiǎn)工已逼近堤腳。擬建佟沙河防洪工程的主要任務(wù)是為沿岸定居區(qū)與耕地提供保護(hù)，保護(hù)范圍較廣、保護(hù)對(duì)象較多，因此無(wú)論從推動(dòng)流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展還是沿岸居民生存環(huán)境改善的角度來(lái)看，此項(xiàng)工程的建設(shè)都既是必要的、也是可行的［1］。

2 設(shè)計(jì)范圍、標(biāo)準(zhǔn)和原則

2.1 設(shè)計(jì)范圍與標(biāo)準(zhǔn)

佟沙河在沙河子以上長(zhǎng)度為8.3 km，本次設(shè)計(jì)范圍由沙河子至上游1.2 km，全場(chǎng)1.2 km，考慮到項(xiàng)目對(duì)于下游地區(qū)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重要程度，根據(jù)《大凌河流域防洪規(guī)劃》的要求，確定佟沙河防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇。佟沙河保護(hù)地區(qū)主要為農(nóng)村，保護(hù)面積29 km2，耕地面積約666.67 hm2，均為旱田;保護(hù)范圍內(nèi)有村屯5個(gè)，人口0.7 萬(wàn)。

2.2 設(shè)計(jì)原則

1)安全性原則。經(jīng)治理后的河道需安全下泄設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水，有效保護(hù)兩岸農(nóng)田、村莊和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，因此應(yīng)修筑在土質(zhì)較好且穩(wěn)定的地方。

2)經(jīng)濟(jì)性原則。河道治理應(yīng)充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，盡可能減少對(duì)耕地、林地的占用，不拆遷或少拆遷，同時(shí)提高與堤路的結(jié)合程度，以便交通和防汛搶險(xiǎn)［2］。

3)自然性原則。以河道天然現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，摒棄裁彎取直的平面規(guī)劃原則，盡可能尊重河流原有的自然形態(tài)。

4)生態(tài)性原則。河道治理應(yīng)為動(dòng)植物生長(zhǎng)棲息提供條件，避免河流的渠道化及非連續(xù)性，使淺灘、深潭、緩流、急流等自然狀態(tài)得到有效保存。

5)景觀性。在發(fā)揮工程防洪效益的同時(shí)，力爭(zhēng)將其打造為環(huán)境工程景觀，使沿岸綠化和美化水平得到提升。

3 堤線與堤距的確定

堤線布置原則需從建筑功能、造價(jià)、遠(yuǎn)近效益、地質(zhì)等方面進(jìn)行綜合考慮，以此實(shí)現(xiàn)確定堤線方案的最佳化。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了以下幾點(diǎn)問(wèn)題:

1)河勢(shì)流向適應(yīng)，與設(shè)計(jì)洪水主流線基本平行，確保水流通暢。

2)堤線力求平順，各段連接平緩，彎曲河段的曲率半徑適當(dāng)選擇，避免出現(xiàn)急速轉(zhuǎn)彎和折線段。

3)堤線盡可能走高埠土質(zhì)良好地帶，在滿足滲流控制、穩(wěn)定與變形要求的同時(shí)，更好的實(shí)現(xiàn)堤身低、穩(wěn)定與安全目的［3］。

4)同時(shí)兼顧上下游，避免束窄河道。

5)有利于工程管理與防汛搶險(xiǎn)。

6)在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，使工程經(jīng)濟(jì)效益得到最大限度的實(shí)現(xiàn)。

佟沙河治理段不存在橋梁等跨河建筑，因此本次設(shè)計(jì)擬定兩岸堤線均以現(xiàn)狀河道走向作為基礎(chǔ)。

4 水面線計(jì)算

水面線計(jì)算推求提防修筑后P =10%頻率下的河道過(guò)水情況，根據(jù)水文勘探結(jié)果，在沙河子村北斷面處，10 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為159 m3/s。采用沙河子村北斷面處水位～流量關(guān)系，獲得10%頻率設(shè)計(jì)洪峰下水位，并將其作為水面線計(jì)算的起始水位，結(jié)果如表1 所示。

表1 沙河子村北起點(diǎn)水位表

根據(jù)能量平衡原理，水面線計(jì)算方程式為:

式中:Z1、Z2分別代表上、下斷面水位;分別代表上、下斷面流速水頭;hf、hj分別代表兩斷面間沿程水頭損失、局部水頭損失。

將以上兩公式合并后可得:

式中:E2、E1分別代表上、下斷面總水頭。

根據(jù)現(xiàn)有條件和參數(shù)，佟沙河建堤后河段P =10%標(biāo)準(zhǔn)的水面線計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

5 壩頂高的確定

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—98)的要求，堤防工程級(jí)別確定為5 級(jí)。佟沙河流域多年平均最大風(fēng)速18.2 m/s，水面吹程D =10 m。在靜水位以上的壩頂超高按下式計(jì)算:

式中:y 為壩頂超高，m;Rp為壩坡上最大波浪的爬高，m;e 為最大風(fēng)壅水面高度，m;A 為安全加高，m。

表2 水面線計(jì)算結(jié)果 m

5.1 波浪爬高Rp

在計(jì)算波浪爬高Rp前需對(duì)波浪參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—98)莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算。

5.1.1 平均波高h(yuǎn)m

莆田試驗(yàn)站公式:

式中:hm為平均波高，m;Tm為平均波周期，s;W 為計(jì)算風(fēng)速，取多年平均年最大風(fēng)速的1.5 倍，即27.3 m/s;D 為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，取10 m;Hm 為水域的平均水深，m;g 為重力加速度，取9.81 m/s2。

5.1.2 平均波長(zhǎng)

式中:Lm為平均波長(zhǎng)，m;Tm為平均波周期，s;H 為壩迎水面前水深，m。

5.1.3 設(shè)計(jì)波浪爬高Rp

土壩上游坡1∶2.25為單坡，坡度范圍1.5 ～5.0，按正向來(lái)波計(jì)算，平均波浪爬高Rp的計(jì)算采用下式:

式中:Rp為平均波浪爬高，m;m 為單坡的坡度系數(shù)，取值2.25;K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù)，取值0.8;Kw為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值1.3;Kp為爬高累計(jì)頻率換算系數(shù)，取值1.94。

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，土壩波浪爬高計(jì)算參數(shù)與結(jié)果如表3 所示。

表3 波浪爬高Rp 計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

5.2 風(fēng)雍水面高度e

風(fēng)雍水面高度e 的計(jì)算公式為:

式中:e 為計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)壅水面高度，m;D 為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m;K 為綜合摩阻系數(shù)，取值3.6 ×10－6;W 為計(jì)算風(fēng)速;β 為計(jì)算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，取0。最終計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 風(fēng)壅水面高度計(jì)算結(jié)果

5.3 安全加高A

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—98)，該堤防為5 級(jí)堤防，安全加高為0.5 m。根據(jù)前文公式及相關(guān)參數(shù)，土壩壩頂超高計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 土壩壩頂超高計(jì)算結(jié)果 m

6 石籠壩基礎(chǔ)深度計(jì)算

佟沙河河床多為粉土，建堤后，原有的河槽流態(tài)將會(huì)改變，流速將超過(guò)河床允許值，進(jìn)而對(duì)堤腳形成沖刷，需設(shè)置護(hù)腳來(lái)防止沖刷破壞。護(hù)腳埋深計(jì)算按10 a一遇沖刷深度，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用以下公式計(jì)算:

式中:△hp為從河底算起的局部沖刷深度，m;α 為水流流向與岸坡交角，取值115.2°;m 為邊坡系數(shù)，取值0;d 為坡腳處土壤計(jì)算粒徑，取值2 cm;Vj為水流局部沖刷流速，取值4 m/s。經(jīng)計(jì)算，岸堤防堤腳沖刷深度為0.89 m，取值1.0 m。

7 清淤、護(hù)岸與過(guò)水路面工程

清淤工程布置范圍由沙河子村開(kāi)始，至上游1.2 km 為止，平均寬度、深度分別為15 m、0.5 m。

護(hù)岸工程主要在易沖刷段修筑石籠壩0.4 km，石籠高1.5 m、頂寬0.5 m、底寬1.5 m，基礎(chǔ)寬1.5 m、深1.0 m，采用鐵絲網(wǎng)片包石結(jié)構(gòu)［4］。

過(guò)水路面工程長(zhǎng)40 m、寬4 m 一座，長(zhǎng)30 m、寬4 m 三座。基礎(chǔ)部分采用漿砌石結(jié)構(gòu)，根據(jù)沖刷計(jì)算所得結(jié)果，基礎(chǔ)深度、寬度分別選為2.0 m和6 m。基礎(chǔ)以上澆筑C25 混凝土，厚度0.2m、寬度4 m;過(guò)水路面下游鋪筑干砌石護(hù)坦，鐵絲網(wǎng)片包石，寬度與過(guò)水路面相同，長(zhǎng)10 m、厚0.5 m［5］。

8 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，本工程經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為12.92% ＞12%;經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值109.61 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比1.67 ＞1，說(shuō)明工程效益顯著，國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)較為滿意，具有合理性和可行性。

［1］李鈞. 貴州山區(qū)河道治理工程設(shè)計(jì)總結(jié)與思考［J］. 人民珠江，2011(04):30 －31.

［2］孫倩，邢華. 桐柏縣五里河固縣段河道治理工程設(shè)計(jì)［J］.科技視界，2014(05):320 －320.

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［4］晁陽(yáng). 水利工程中河道治理設(shè)計(jì)方法［J］. 科技致富向?qū)В?012(03):239 －240.

［5］李霄榮. 五寨縣清漣河河道治理工程設(shè)計(jì)［J］. 山西水利，2012(12):14 －15.