晉城市書院河上游河道治理堤防設計方案分析

趙電雷

(晉城市水務局水利水電事務中心，山西 晉城 048000)

1 工程建設概況

書院河為白水河的一級支流，丹河的二級支流，發源于晉城市北部的白馬寺山，由北向南依次流經楊莊、牛山、郭山等村莊，跨過北環路繼續向南流，最終于市二中景德橋處匯入白水河。河道長7.1km，流域面積7.63km2，平均縱坡21‰。本工程堤防級別為Ⅱ級。根據供水量及供水對象重要性，確定供水建筑物相應級別為5級。泵站及供水管線主要建筑物設計標準為10a一遇，校核洪水標準為20a一遇。地震基本烈度為Ⅵ度。本工程河道治理長度4.223km，治理范圍為黑龍潭—程顥書院段，工程年補水量100萬m3，治理完成后可形成水面3萬m2，綠化面積2.27萬m2。

2 書院河上游河道現狀及存在的問題

書院河屬城市河道，隨著城市建設的發展，城市居民迅速增長，基礎設施建設滯后，生活垃圾和建筑固體廢棄物隨意傾倒，沿河岸線建有大量房屋建筑物。河底泥沙堆積，岸坡垮塌，局部河道縮窄，行洪不暢，沿河居民生命、財產受到威脅。除此之外，由于大量工業廢水及生活污水的排入，致使河道水質變差，富營養化加重，水生植物過于茂盛，環境負荷越來越大；部分必要的廢棄污水處理設施建設進度延后，污水系統歸并集中處理體系尚未建立，硬件上預防處理措施不足，加之沿河居民環保意識缺失，書院河污染較為嚴重。

晉城市書院河上游河道治理工程建設任務是對河道截污，通過鋪設污水管道對兩岸污水進行排污，并對河道清淤、疏浚，在程顥書院段河道兩岸修建堤防。本工程是改善河流水環境、居民生活環境的重要舉措，是改善城市環境和生態系統的基礎設施，是城市旅游發展、經濟社會可持續發展的基本工程。因此，晉城市書院河上游河道治理工程是十分必要的。

3 堤防工程方案設計

3.1 河道治理方案比選

本工程河道治理范圍從黑龍潭到程顥書院，對是否在牛山村北側河道旁空地新建調蓄工程進行方案比選。

方案一：在此處不做調蓄工程，直接以河道治理為主，依據地形做生態跌坎，減少土地征用。河道寬6m，在河道兩岸修建M7.5漿砌石重力式堤防，臨水面為條石丁字結構，頂寬0.6m，迎水面為直墻，背水坡比1∶0.5，堤高2.0m，基礎埋深1.0m，基礎底寬2.0m。河床鋪設厚度為0.3m的格賓石籠底板，底板以下依次鋪設厚度為0.3m的過篩黏土、土工布、厚度為0.3m的細沙。在河道兩岸安裝仿古漢白玉欄桿。

方案二：在此處新建1座4.4萬m3蓄水池，兩側連接上下游河道。水池池底全面平整后，采用40t震動碾全部碾壓夯實，上部鋪設三布兩膜土工布，膜厚0.4mm，頂部覆蓋黏土厚0.3m。水池邊坡為1∶5，完成土工布鋪設后，在坡面鋪設干砌六棱塊磚，在六棱地磚下鋪設墊層，保證水池邊坡穩定。水池四周及土壩壩頂沿原地形修建寬度為1.5m的人行道路，路面采用C15混凝土。

方案三：在該處將河道加寬至30m，涉及上下游260m長度范圍，并沿河做3道生態跌坎，達到水面上下游落差的效果，形成人為的瀑布。生態跌坎采用M7.5漿砌石重力壩，壩頂寬1.0m，上游壩坡1∶0.2，下游壩坡1∶0.75，最大壩高2m，壩體橫斷面上下游側均采用半徑為0.5m的圓角與壩頂及壩坡順接，M7.5漿砌石外圍采用厚度為0.3m的C25鋼筋混凝土，C25鋼筋混凝土表面做卵石貼面。

在河道兩岸修建M7.5漿砌石重力式堤防，臨水面為條石丁字結構，頂寬0.6m，迎水面為直墻，背水坡比1∶0.5，堤高2.0m，基礎埋深1.0m，基礎底寬2.0m。在河床鋪設厚度為0.3m的格賓石籠底板，底板以下依次鋪設厚度為0.3m的過篩黏土、土工布、厚度為0.3m的細沙。在河道兩岸安裝仿古漢白玉欄桿。

為了兼顧交通，在河道右側新修道路，路面采用C20混凝土，連接河道上下游交通。

根據投資對比，結合本工程以河道治理及清水復流為重點，3種方案投資對比見表1。

表1 投資對比表 單位：萬元

根據投資金額大小對比，本次設計選用方案一。

3.2 河道治理總體布置和堤型選擇

3.2.1堤防布置總體原則

堤防工程的布置應遵守書院河流域區域規劃，充分發揮工程綜合效益和工程安全；堤防線的方向和布局應以河流的治理線為準；堤身內外兩邊應留出一定闊度的護堤地內外平臺；兩堤之間的距離必須符合河道過流斷面寬度要求，并確保設計流量可以安全順利通過；盡可能降低堤防建設對書院河生態環境造成的不良影響；考慮區域的發展，河道治理兼顧區域景觀規劃要求；滿足工程施工、工程維修、防洪搶險等的交通運輸要求；鑒于本次對書院河補水量較少，為防止水量滲漏，水流無法流至下游，應對河道底部做防滲處理。

3.2.2堤防平面布置及堤型選擇

本次河道治理根據設計坡降和河道底寬，以清水復流為原則，建成后在河兩岸形成較好的水面景觀效果，本段河道設計采用100a一遇洪水進行斷面復核，洪峰流量采用值為40m3/s。河道治理范圍從黑龍潭至程顥書院，治理長度4.223km。黑龍潭至牛山村北段(長1.076km)以草皮護坡治理為主，牛山村南至北環路、北環路至程顥書院段(長2.197km)兩岸新建漿砌石堤防，沿河設置生態跌坎或堰壩，增加水面落差，加強河道美觀性。對牛山村已被修成暗涵的河道段(長0.719km)及過北環路暗涵段(長0.174km)，本次設計對暗涵底部及邊墻1m高范圍內做厚度為10cm 的C20混凝土處理，滿足清水復流要求。

本工程主要由建筑物工程和河道治理工程組成，工程施工可按建筑物工程和河道治理工程獨立組織進行，施工相互干擾少，適合進行高強度施工。河道治理工程的施工特點是施工區呈帶狀，施工線路較長，可分段同時進行施工以縮短工期。建筑物工程的特點是施工點相對集中、工程項目復雜、工期較長。

3.3 堤身結構設計

3.3.1水面線確定

根據治理河道段的具體情況，沿河道共布設橫斷面，分段進行河道水面線計算，以確定治理段堤防的高度。

河道水面線計算，采用一維恒定非均勻漸變流方程計算。計算公式為：

(1)

式中，z—斷面水位，m；Q—斷面流量，m3/s；V—平均流速，m/s；α、ζ—動能修正系數和局部阻力系數；K—綜合流量系數。

K=∑AiRi(2/3)/ni

(2)

式中，Ai、Ri、ni—河道的過水面積、水力半徑和糙率。河床糙率主要由各河段治理后斷面實際情況來確定，根據規范選取0.025。

3.3.2堤頂高程計算確定

按照GB 50286—2013《堤防工程設計規范》，堤頂高程應按設計洪水位加堤頂超高確定。計算公式如下：

Y=R+e+A

(3)

式中，Y—堤頂超高，m；R—設計波浪爬高，m；e—設計風雍水面高度，m；A—安全加高，m。漿砌石堤取1.0m。

風壅水面高度在有限風區的情況下，計算公式如下：

(4)

式中，e—計算點風壅水面高度，m；K—綜合摩阻系數，可取K=3.6×10-6；V—設計風速，按計算波浪的風速確定；F—由計算點逆風向到對岸的距離，即風區長度，m；d—水域的平均水深，m；β—風向與垂直于堤軸線的法線的夾角，(°)。

在風的直接作用下，正向來波在單一斜坡上的波浪爬高可按下列方法確定。

(5)

(6)

式中，Rp—無風情況下，光滑不透水護面(KΔ=1)，堤前波浪平均高度為1.0m時的爬高值，m。

(3)當1.0

經計算：e=0.001，R=0.21m，A=1.0m，Y=R+e+A=1.21m。

設計堤頂高程的計算公式為：

H=h+Y

(7)

式中，h—設計洪水位，m。

堤頂高程計算結果見表2。

3.3.3堤防穩定計算

抗滑穩定計算采用剛體平衡公式，取單寬1m為計算對象。

(8)

式中，Kc—抗滑穩定安全系數；f—基底面與地基間的摩擦系數；∑W—堤防自重、土重等垂直荷載及揚壓力總和；∑P—水平荷載總和。

邊墻抗傾覆穩定計算采用剛體傾覆公式，取單寬1m為計算對象。

(9)

式中，Ko—抗傾覆穩定安全系數；∑My—作用于墻身各力對墻前趾的穩定力矩；∑Mo—作用于墻身各力對墻前趾的傾覆力矩。

基底應力計算類型和斷面同穩定計算。

對基礎最不利段堤防進行計算，結果見表3。

由表3可知，抗滑穩定安全系數大于允許的最小系數1.30，滿足要求；抗傾穩定安全系數大于允許的最小系數1.5，滿足要求。基底最大應力小于基礎最小承載力110kPa，滿足要求。

4 結語

本工程每年向書院河補水100萬m3，工程建成后書院河將成為一條水清、岸綠、人水和諧的河道，對實現水系連通、清水復流、提升城市品質和人民生活質量具有較大意義。同時，隨著書院河的復流，將更好地帶動西河(書院河入口至下游段)及白水河(西河下游段)水體流動，形成連續景觀，加強流域生態環境保護。因此，該項目的建設具有良好的社會效益。工程完工后，管理單位要加強河道管理，保證河道兩岸環境清潔，為下游河道營造干凈水源。對牛山村段無法滿足百年洪水的河道及暗涵應進行改造，改造之前應加強管理及巡視，保證河道衛生，保護居民生命財產安全。對北環路北段河道兩岸進行綜合治理，使河道兩岸綠化優美，河道清凈。

表2 堤頂高程計算成果表

表3 邊墻穩定和應力計算結果表