高臺縣黑河北岸山洪溝(河道)演變分析及河堤設(shè)計

馬佶琴

(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，蘭州 730000)

1 工程概況

張掖市高臺縣八壩-十壩防洪治理工程位于黑河北岸(右岸)的合黎山山洪溝道防洪區(qū)，八壩防洪堤屬合黎鎮(zhèn)，九壩、十壩防洪堤屬黑泉鎮(zhèn)，工程地理位置示意圖見圖1。

圖1 工程地理位置示意圖

防洪區(qū)涉及502戶1 308人，耕地面積0.272 24×104hm2，戈壁農(nóng)業(yè)示范基地農(nóng)場6個，黑河沿岸林草地0.053 33×104hm2以及國家級重點公益林區(qū)[1]。防洪堤兩岸分布有農(nóng)田、蔬菜園(右岸樁號3+095～3+654段)、國家級重點公益林區(qū)(右岸樁號4+480～7+160段)以及明長城、烽火臺(水涯墩)及保護范圍界樁(右岸樁號5+908～6+010之間、堤防左岸)等重點防洪保護對象。現(xiàn)狀防護區(qū)只有部分少量已建土堤，結(jié)構(gòu)簡單，防洪功能低，不符合防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，難以抵御較大洪水。且在河段內(nèi)未能形成統(tǒng)一的防洪系統(tǒng)，部分河段寬淺，每逢暴雨，洪水肆流，周邊受洪水災(zāi)害面積大，損失嚴重，無法發(fā)揮防洪工程的整體效益。防洪區(qū)內(nèi)土地資源緊缺，人均耕地面積較小，由于洪水經(jīng)常性的淘刷和侵蝕，河道兩岸蠶蝕耕地的數(shù)量逐年擴大，因洪水災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失也在逐年增加。因此，本文在防洪治理工程中進行河道演變及河相分析，可以為河道治理措施提供技術(shù)參考依據(jù)。

2 河道演變及河相分析

大量資料表明，河床在水流長期作用下，其水深、河寬、比降等形態(tài)與來水來沙條件及河床地質(zhì)條件存在著一定函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系稱為河相關(guān)系[2]。本文主要從河床穩(wěn)定、河床河相關(guān)系及河型、河道平面河相關(guān)系、河道沖淤等方面對河道進行分析。

2.1 造床穩(wěn)定分析

河道穩(wěn)定分析計算主要包括河道縱向穩(wěn)定系數(shù)和河道橫向穩(wěn)定系數(shù)的計算、分析，根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)，推斷河道形態(tài)的穩(wěn)定性。

2.1.1 河道縱向穩(wěn)定系數(shù)計算

(1)

經(jīng)計算，本河段的縱向穩(wěn)定系數(shù)見表 1。

表1 八壩段-十壩段防洪堤縱向穩(wěn)定系數(shù)計算表

2.1.2 河道橫向穩(wěn)定系數(shù)計算[3]

(2)

式中：φb為橫向穩(wěn)定系數(shù)，φb值越大，表明河道橫向越穩(wěn)定；Q為造床流量，m3/s；J為河道縱比降；B為相當(dāng)于造床流量對應(yīng)下的平灘河寬，m。

經(jīng)計算，八壩段-十壩段防洪堤在本段的橫向穩(wěn)定系數(shù)見表2。

從表2可以看出，八壩段防洪堤橫向穩(wěn)定系數(shù)φb在0.548～0.753之間，九壩十壩段防洪堤橫向穩(wěn)定系數(shù)φb在0.367～0.621之間。與《河床演變與整治》中橫向穩(wěn)定系數(shù)進行類比，分析表明八壩段-十壩段防洪堤在本防護區(qū)內(nèi)河段的橫向穩(wěn)定性較好。

表2 八壩段-十壩段防洪堤橫向穩(wěn)定系數(shù)計算表

2.2 河床河相關(guān)系及河型分析

高河道斷面河相關(guān)系主要由深寬比ξ來表征，反映了沿程河相關(guān)系的斷面穩(wěn)定性。當(dāng)ξ值愈大時，表明河道斷面愈淺，洪水對兩岸河床侵蝕愈強烈；反之當(dāng)ξ值較小時，則表示河道斷面愈深，洪水對兩岸侵蝕愈小，河道愈穩(wěn)定[4]。河道橫斷面河相關(guān)系式為：

(3)

式中：ξ為河相關(guān)系數(shù)；B、H分別為造床流量下對應(yīng)的水面寬度及平均水深，m。

計算結(jié)果見表3。

表3 八壩河段河相關(guān)系數(shù)ξ計算成果表

經(jīng)過對八壩段39個斷面進行分析計算，本段河道河相關(guān)系數(shù)為8～17，ξ平均值為15 (ξ取值區(qū)間約為2～4代表蜿蜒型河道，ξ取值區(qū)間約為20～30代表游蕩型河道，ξ取值區(qū)間約為8～12代表較為順直的過渡性河段)，所以本段河道偏向于游蕩型河段。同理，經(jīng)過對九壩十壩段53個斷面進行分析計算，本段河道河相關(guān)系數(shù)為19～21，ξ平均值為20，所以本段河道偏向于游蕩型河段。

2.3 河道平面河相關(guān)系

河道平面河相關(guān)系主要反映河灣平面形態(tài)與河道特征之間的關(guān)系，河道的平面形態(tài)是由一系列圓弧、反弧以及連接二者的直線段近似表示。在治導(dǎo)線布置彎道半徑R、直線段長度L應(yīng)滿足下列關(guān)系：

(4)

L>(1～3)B

(5)

式中：B為河道寬度，m；R為轉(zhuǎn)彎半徑，m；W為過水?dāng)嗝婷娣e。

經(jīng)過對八壩段～十壩段防洪堤天然彎道的河灣形態(tài)特征值的參數(shù)分析，轉(zhuǎn)彎半徑R=300～500 m，直線段長L=150～300 m，基本滿足治導(dǎo)線布置的參數(shù)要求。

2.4 河道沖淤分析

河道沖淤采用《河床演變與整治》中河道沖淤判別公式中沖淤判別系數(shù)Ψ分析，沖淤判別公式為：

(6)

式中：Ψ為沖淤判別系數(shù)，當(dāng)Ψ<1時，河床將發(fā)生沖刷；v為斷面流速；ho、hi分別為進口斷面和出口斷面的斷面水深。

本文選取一典型斷面進行計算，計算結(jié)果見表4。

表4 典型斷面沖淤判別系數(shù)計算表

經(jīng)計算，在防護區(qū)內(nèi)沖淤判別系數(shù)Ψ=0.38<1，表明在防護區(qū)內(nèi)河床將發(fā)生沖刷。

3 堤身結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)河道演變特性以及河床沖刷特性，對堤身結(jié)構(gòu)進行斷面設(shè)計，初選仰斜式墻式堤防、重力式擋土墻、夯填砂礫石梯形斷面土堤3種方案進行比選[5]，斷面示意圖見圖2-圖4。現(xiàn)按照河堤高度4.5 m比較分析，具體比選方案見表5。

圖2 仰斜式擋土墻斷面示意圖

圖3 重力式擋土墻斷面示意圖

圖4 夯填砂礫石梯形斷面土堤

表5 堤身結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計比選方案表

從技術(shù)角度對比，結(jié)構(gòu)性能直墻式護岸優(yōu)于仰斜式擋土墻護岸優(yōu)于混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤；但從經(jīng)濟角度比較，混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤每公里造價遠低于重力墻式護岸和護坡式護岸的造價。所以在性價比上，混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤優(yōu)于墻式護岸和護坡式護岸。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，八壩段防洪堤、九壩十壩段防洪堤均為匯合口以上地形較開闊，大多為荒灘，優(yōu)先選擇混凝土護面夯填砂礫石梯形土堤；匯合口以下較為狹窄，兩岸有耕地和林地分布，只能選擇仰斜式擋土墻斷面或直墻式護岸，二者都有其優(yōu)點和缺點。直墻式護岸方案占地少，但工程量大，單位公里工程造價高； 仰斜式擋土墻方案較直墻式護岸方案占地稍多，但需要的漿砌石(或混凝土)量小，單位公里工程造價低。根據(jù)現(xiàn)場地形條件和經(jīng)濟合理的原則，結(jié)合堤段所處地理位置、河堤現(xiàn)狀、堤基地層巖性、施工條件、筑堤建筑材料、工程投資等因素綜合考慮，本次治理段堤防匯合口以上采用貼坡式護岸，匯合口以下采用仰斜式擋土墻護岸。

4 結(jié)論和建議

本文根據(jù)現(xiàn)有資料和計算成果分析，河床縱向、橫向穩(wěn)定性較好，但河道偏向于游蕩型河段。由于河道為寬淺型，河床沖刷嚴重，本文根據(jù)河道演變特性及河相分析結(jié)果，進行八壩段-十壩段防洪堤堤身設(shè)計和整體布局。本次防洪溝的治理，可以有效保護防洪渠內(nèi)人口、耕地、農(nóng)場和公益林等免受山洪災(zāi)害，確保防洪區(qū)內(nèi)人民生命和財產(chǎn)安全。