府谷縣皇甫川堤防沖刷及滲流穩定性分析

王功成，尚艷娥

（1.陜西省府谷縣皇甫川流域治理指揮部辦公室，陜西 府谷 719400；2.陜西省府谷縣水利水保工作隊，陜西 府谷 719400）

1 概況

皇甫川發源于內蒙古自治區達拉特旗南部敖包梁和準格爾旗西北部，流經府谷3 個鄉鎮38 個行政村，在陜西省府谷縣下川口村匯入黃河，縣內流程48.0 km，流域面積418 km2，實測多年平均流量為4.4 m3/s，年徑流總量1.39 億m3。1989 年7 月21 日出現最大洪峰11600 m3/s，流域內人口3 萬人，流域范圍耕地面積10.38 萬畝，是府谷縣拓展開發的重要地區。皇甫川無統一的防洪體系，右岸沿線有零散的群眾自建的小土堤，為了確保當地防洪安全，提高河道排洪能力，根據《陜西省府谷縣水利發展規劃》和皇甫川特點及治理現狀，規劃對黃甫鎮太家溝段、藺家灣段進行防洪工程治理，河道綜合治理長度5275 m，工程綜合治理長度5275 m，設防標準20 年一遇。為確保堤防工程安全，這就需對堤防的抗沖刷和滲流穩定性進行分析。

2 堤防工程設計抗沖刷分析

2.1 堤防工程方案

根據工程任務、防洪標準、河道特性及河道演變分析，本次防洪工程太家溝段規劃以沙墻公路大橋為起點，中游彎道段岸線向河道里側靠攏，采用控導措施，左岸進行適當清障，使水流偏向河道左岸，防止河水再次掏刷右岸耕地，其余段根據現狀岸坎線合理布置，終點接黃甫水文站上游基巖；藺家灣段以河道卡口山體為起點，到下游工業園3052 化工廠進廠橋結束。工程以防洪保安為重點，總體布局上維持現狀格局，僅對局部岸線不合理段進行調整，河道采用護岸工程抵御洪水，現存跨河橋梁作為固床節點工程，保證河道縱比降的基本穩定。岸線布置充分考慮工程現狀和區域發展，基本不改變現有河道走向和位置，避免擠占河道。

2.2 岸線布置分析

按照經濟合理，力求平順，利用現有岸坎和有利地形，與河勢流向相適應的原則，進行岸線布置。太家溝段從皇甫川大橋開始，水流經過橋后偏向道左岸，此處布置半徑為1000 m 的彎道；R1+238～R1+779 為耕地水毀段，該段耕地被近年來的洪水掏刷，河道已經向右岸耕地傾向嚴重，為了保護耕地不再受洪水沖毀，按照原有河床和大洪水時的河勢考慮，布置半徑為500 m 的彎道，將水流順勢導向下游。R1+889～R3+294 為直線段，水流沿該段順直下泄；R3+294～R3+776 段也為耕地水毀段，近年來的洪水一直掏刷該段，已經逼近大唐府谷能源有限公司，該段同樣按照原有河道位置布置半徑為500 m 的彎道；R3+776～R4+170 為直線段，將水流導入下游已成防洪工程河段。藺家灣段R0+000～R1+238，從溝壑山體開始，到工業園區大橋結束，岸線布置于河道一階級地，沿河道基本順直布置，中游根據河勢設計彎道，洪水可以平順宣泄到下游。

2.3 護岸工程設計

根據當地工程實際情況，經綜合考慮，確定黃甫鎮段護岸工程超高為0.5 m。

2.3.1 護岸縱斷面

太家溝段河道樁號K0+950～K1+550 段現狀河道左岸為較堅硬砂礫石層，右岸為松軟的土質耕地邊坡，導致洪水期間洪水一直掏刷右岸，破壞耕地。因此護岸岸線布置于沖坑以內，防止洪水繼續沖刷耕地，左岸進行適當開挖，開挖的砂礫石用于填筑料，但開挖深度不超過深泓，河底縱坡以河道現狀縱坡為主。

2.3.2 護岸橫斷面型式

皇甫川沿程沖刷現象比較普遍，所以該防洪工程護岸選擇了坡式護岸型式斷面，其具有斷面結構簡單、施工難度較低，與上下游已成工程銜接較平順等優點，完全滿足抗沖要求，加之岸坡高度較低，梯形斷面結構可就近取材，適應性強，工程等級相對較低，造價便宜。填筑土料選用皇甫川河道和兩岸高低漫灘的砂礫石作為擬建護岸的填筑料，運距500 m，填筑砂礫料的質量指標基本滿足規范要求。按照《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）的要求，填筑料的壓實相對密度大于0.6。

考慮到設計河段流速較大、耐久性以及造價的因素，確定采用漿砌石護坡方案。護岸臨水側采用M7.5 漿砌石護坡，護坡厚度為40 cm。基礎為M7.5 漿砌石砌筑，采用頂寬0.6 m，迎水面坡比為1∶0.4，背水側直立，底寬1.6 m～1.8 m 的擋土墻斷面型式。堤頂寬度取為4.0 m。平面布置考慮防汛搶險、綠化等綜合因素確定。

3 沖刷及滲流穩定性分析

3.1 河道特性及河道演變分析

治理河段平均比降2.3，河流穿行在黃土丘陵溝壑中，兩岸塬面相對寬闊平坦。從平面形態上看皇甫川主河槽寬度260 m左右，但加上灘面的行洪寬度卻在300 m～600 m 之間，由于這些灘面地質條件各異，導致洪水期洪水會在行洪寬度內來回擺動，形成許多小彎道，從藺家灣段的電力線桿基礎的沖刷現狀也可以看出，洪水到來時偏離了主槽，掏刷了灘面處的電力線桿基礎，以上這些都說明河床具有很強的擺動性。

河道主槽相對較窄，輸沙能力較強；河槽徑流具有間歇性，流量變率大，粗沙比例較大，因此在年內（年際）有沖淤變化，但多年平均沖淤變化趨于平衡。從工程區的橋梁基礎沖刷來看，沖刷相對較淺，說明河床下切不明顯。

總之，河道屬于游蕩性河流，在水平面上顯示較強的擺動性，縱向沖淤基本平衡。

3.2 沖刷分析

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）中計算應用公式計算工程區堤岸適用部的沖刷深度為1.19 m～1.99 m。在季節性凍土地區，還應滿足凍結深度的要求。而該段防洪工程基礎埋置深度順直段為2.5 m，斜沖段為3.0 m，均滿足在沖刷線以下0.5 m～1.0 m 的防抗要求。雖然基巖較淺，但上部為強風化基巖，地質特性和砂礫石相當，抗沖刷能力強。

3.3 滲透穩定分析

本次分析斷面為最不利斷面，選擇堤防臨、背側高差較大的斷面作為典型斷面，選取太家溝段R1+650、藺家灣段R0+338，采用北京理正設計研究院開發的《滲流、邊坡穩定計算程序》軟件，滲流采用有限元法，穩定采用瑞典圓弧法，進行堤防滲透計算。

堤防加固后或者新修堤防背水坡不存在滲透穩定問題。由水位降落浸潤線曲線得到，R0+338 斷面臨水坡計算滲透坡降最大值為0.1，小于允許滲透坡降0.15；R1+650 斷面臨水坡計算滲透坡降最大值為0.1，小于允許滲透坡降0.12，因此，滲透穩定滿足要求。設計斷面穩定計算簡圖見圖1、圖2、圖3、圖4。

圖1 藺家灣段樁號R0+338 水位降落期臨水堤坡穩定計算簡圖（尺寸單位：cm）

圖2 藺家灣段樁號R0+338 穩定滲流期背水堤坡穩定計算簡圖（尺寸單位：cm）

圖3 太家溝段樁號R1+650 水位降落期臨水堤坡穩定計算簡圖（尺寸單位：cm）

圖4 太家溝段樁號R1+650 穩定滲流期背水堤坡穩定計算簡圖（尺寸單位：cm）

設計邊坡穩定計算結果見表1。

表1 各段護岸穩定計算成果表

經過對設計斷面幾種工況的穩定計算，計算結果均滿足規范要求，本次設計斷面滿足抗滑穩定要求。

3.4 護岸工程安全性

皇甫川是陜西省的暴雨高值區河流，也是嚴重的水土流失區，治理段為皇甫川的水沙調解區域。由于護岸工程的修建會縮窄河道，減少河道灘面，使河道的游蕩性減弱，消能作用減弱，加劇水流對河岸的沖刷，但護岸工程會抵御這種沖刷作用，減少河道淤積。對河道演變影響有利有弊。修建護岸工程在一定程度上影響滯洪區的洪水量級，但大洪水期間，護岸工程允許洪水漫過護岸，在灘面上行洪，達到行洪滯洪的目的，該區域仍然是皇甫川河道的滯洪區，因此修建護岸工程對滯洪區的洪水量級影響不大。

太家溝段下游為皇甫水文站，修建護岸工程改變了河道水流的天然屬性，破壞了水文測流斷面原有的水、流、沙分布規律，改變了上下游河段的水沙運動規律、水位流量關系、水位流量與含沙量間的關系，改變河道局部走向。這些都會直接或者間接影響水文資料的收集，對水文資料精度造成影響。因此，建設單位在修建工程前要密切聯系水文站所屬上級單位，明確對水文站的影響，提出相應受影響的解決對策。

4 結語

皇甫川是府谷縣暴雨高值區河流，沿程沖刷現象比較強。歷史上曾經的堤防因為建設質量低，均被洪水沖刷掏空毀壞。文章分析了河流基本概況，針對堤防工程設計方案，從岸線布置、護岸縱橫斷面選取、施工材料、工程影響等方面，對堤防的抗沖刷性、穩定性及防洪安全性進行了計算分析，經過探討論證，該堤防工程方案抗沖刷性強、防滲透能力強，安全可靠，可進行建設，供工程建設進行參考。