洋峪河河道堤岸設計研究

何 靖，緱麗娜

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；5.自然資源部土地工程技術創新中心，陜西 西安 710075)

1 引言

水利作為國民經濟和社會發展的重要基礎設施，在全面建設小康社會中肩負著重要的職責[1]。2010年全國發生了大范圍強降雨過程，主要江河流域都發生了洪水，中小河流防洪能力不足問題也顯現出來。國家決定加大中小河流災害的治理力度，以防洪薄弱地區為重點，決定用5年時間基本解決防洪減災體系薄弱環節的突出問題，切實保障人民生命財產安全，維護經濟社會發展大局[2，3]。2010年10月10日，國務院出臺了《關于切實加強中小河流治理和山洪地質災害防治若干意見》[4～6](國法[2010]31號文)，水利部于2010年10月18日召開中小河流治理等專項規劃編制安排工作會議。藍田縣洋峪河河道堤防治理被列入《陜西省中小河流治理規劃(2013～2015年)》[7]中。

工程建設是保障焦岱鎮洋峪河石怡園及沿岸群眾生命財產安全，促進區域經濟社會可持續發展的需要；工程建設是統籌城鄉發展，拉動農村經濟建設、搞活農家樂綠色發展的需要；工程建設符合城市發展規劃，加強區域安全與發展保障的需要；工程建設是貫徹落實中央關于加強水利薄弱環節建設和切實加強中小河流治理要求的需要。根據焦岱鎮發展規劃，工程區河段左右兩岸已列為藍田縣重點旅游開發示范園，城鎮建設已初見規模，急需對洋峪河進行河道整治，保護天然河道，提高河道行洪能力，有效保護沿河耕地、村企單位、個體工商戶及居民的生命財產安全，適應現階段焦岱鎮的整體發展規劃，為焦岱鎮乃至藍田縣的長遠發展奠定堅實基礎。

2 項目區概況

洋峪河發源于秦嶺山脈之一的月牙山北坡，位于北緯33°50′～34°19′、東經109°07′～109°49′之間，是浐河上游的支流之一。洋峪河流域屬暖溫帶大陸性季風半濕潤氣候，四季分明，春秋短、冬夏長，3～7月多偏西風，8月～次年2月份多西風或西北風，平均風速1.5 m/s，當地最大風速20 m/s；氣候溫涼濕潤，雨量充沛，降雨多集中在6～9月份，冬春兩季降雨較少，多年平均降水量833.3 mm，多年平均相對濕度71%，年蒸發量1200 mm。多年平均日照時數2054 h，年均氣溫13.1 ℃，極端最高氣溫43.3 ℃，極端最低氣溫-21.2 ℃。凍土最大深度25 cm，凍結日期為每年1月5日前后，解凍日期為每年2月23日前后。

工程區所處秦嶺山前地帶，南近秦嶺山前斷裂，北近余下-鐵爐子斷裂，東北臨浐河斷裂，西北臨長安-臨潼斷裂。秦嶺山前斷裂為秦嶺隆起與渭河地斬塹沉降區的分界線。余下-鐵爐子斷裂、長安-臨潼斷裂為活動性斷裂，浐河斷裂為新構造運動中晚期形成的斷裂。

3 工程建設任務與規模

3.1 建設任務

本工程位于藍田縣洋峪河焦岱鎮街道附近，工程主要建設內容為：新建左岸護岸工程總長523 m。

3.2 工程規模

3.2.1 防洪標準

該工程按10年一遇洪水標準進行設計。

3.2.2 總體布局

(1)河堤主導線的布置主要考慮：①河堤堤線應與河勢流向相適應，并與大洪水的主流線大致平行。堤間距應大致相等。②堤線應力求平順，各堤段應平緩相接，不得有折線或急彎。③盡可能利用現有堤防和有利地形，修筑在基礎好的灘岸上。④最大程度配合藍田縣焦岱鎮石藝園景區總體規劃，合理布設堤線。⑤充分利用右岸已成堤防護岸型式，左岸擬新建為坡式護岸。

(2)堤間距確定是按照：①根據流域防洪規劃按河段確定上下游，統籌兼顧。②根據河道地形、地質條件、水文泥沙特性、河床演變特點等條件考慮。③考慮石藝園景區為山區，無土地資源，利用修河堤可置換出一部分土地。④利用阿爾杜林經驗公式、統計主河槽寬度及現狀水面曲線推求采用主河寬度3種方法分別計算洪峰流量，采取試算法分別求得河寬。參照此3種方法及考慮城市規劃占地等因素得出的河道寬度，綜合分析確定洋峪河石藝園段堤間距≥15 m，取15 m。

4 工程設計

4.1 工程等級

本次設計范圍內，工程級別確定為Ⅳ級，相應防洪標準為10年一遇洪水，其工程主要建筑物級別為五級。

4.2 堤防設計

4.2.1 堤岸岸頂超高

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)要求，設計堤頂高程為設計洪水位加超高，超高為坡浪爬高、風雍增高及安全加高三者之和。

堤頂超高按(1)式計算：

y=R+e+A

(1)

式(1)中：y為堤頂超高，m；R為設計坡浪爬高，m；e為設計風雍增水高度，m；A為安全加高，m。

坡浪的平均波高和平均波周期采用莆田公式[8,9]計算：

(2)

平均波周期：T=4.438H0.5

(3)

式(2)、(3)中：H為平均波高，m；T為平均周期，s；V為計算風速，采用歷年汛期最大風速平均值的1.5倍，為30 m/s；F為風區長度，取F=169 m；d為水域平均水深，d=1.98 m；g為重力加速度。

(4)

式(4)中：L為平均波長，m；D為水域平均水深，m。

當m=1.5～5時，波浪爬高:

(5)

式(5)中：Rp為波浪爬高，m；KΔ為斜坡的糙率滲透系數，查表C3.1-1，取值0.80；Kv為經驗系數，查表C.3.1-2，取值1.3；Kp為經驗系數，查表C.3.1-3，取值2.07；M為迎水坡斜坡坡率，m=0.4。

最大風雍水面高度：

(6)

式(6)中：e為計算點處的風雍水面高度，m；K為綜合摩阻系數，(取3.6×10-6)；β為計算風向與堤防軸線的法相夾角，為38°、49°、43°。

經分析計算，堤頂超高計算值為1.1246～1.0006 m，根據本次陜西省中小河流治理有關文件，堤防超高原則不大于1.0 m，考慮到洋峪河為季節性河流，河流洪水為陡漲陡落型，且洪水歷時較短，因此本次設計確定堤頂超高均為1.0 m。

4.2.2 沖刷深度計算及基礎深度確定

4.2.2.1 岸坡沖刷深度計算

根據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)附錄D.2計算方法，岸坡沖刷深度按下式計算：

(7)

(8)

式(7)、(8)中：hs為局部沖刷深度，從水面起算，m；H0為沖刷處的水深，以近似設計水位最大深度代替，m；Ucp為平均流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取0.25；η為水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角α查表D.2.2采用；Uc為泥沙起動流速，m/s；U為行進流速，m/s。

本工程河床為砂卵石河床，對于卵石的起動流速可采用長江科學院的起動公式[10,11]D.2.1—6計算：

(9)

式(9)中：d50為河床沙的中值粒徑，取0.02 m；H0為行進水流水深，m；γs、γ為泥沙與水的容重，KN/m3；g為重力加速度，m/s；Uc為泥沙起動流速，m/s2。

經計算，護岸沖刷深度為0.66～1.57 m。

4.2.2.2 基礎埋置深度

考慮到該工程地處山區，根據沖刷計算結果并類比相似工程，結合地質勘探資料建議，本次設計護岸基礎底高程低于現狀河道深弘點以下1.5 m。工程處多年平均最大凍土深度為0.25 m，根據《堤防工程設計規范》(GB50286—2013)第7.8.5條要求，所取基礎埋深同時滿足凍結深度和抗沖刷深度要求。

當基礎開挖時如遇基巖，可將基巖處理平整后再砌筑基礎，基礎下面與整體基巖上面應良好銜接。考慮到該工程地處山區，地質勘探資料建議、以及出于安全考慮，基礎深度采用1.5 m。

4.2.3 護岸防護型式及堤頂結構

護岸工程主要是為了保護灘岸免遭洪水沖刷而修建的防護工程，主要的結構型式有坡式護岸和墻式護岸斷面型式[12,13]。所用建筑材料應按照經濟實用、就地取材、抗沖效果好、便于施工、滿足防洪和管理等要求即可。目前常用的建筑材料有現澆混凝土、預制混凝土、漿砌石、干砌石、格賓籠石或鉛絲籠石等[14]。

根據本工程堤防土體抗沖能力低，河道比降大，水流流速相對較低，以及焦岱鎮發展規劃要求，治理段右岸具有已成較高岸坎的漿砌石擋墻護岸及交通道路工程，因此護岸型式采用坡式護岸及擋墻護岸進行比較(圖1)。

圖1 護岸斷面圖(m)

(1)坡式護岸方案：護坡坡比1∶2，對岸坡進行修整，采取盡量挖填平衡，少占河床的原則，賓格卵石護坡0.3 m，漿砌石基礎頂部厚度0.7 m，深2.8 m，基礎底寬1.7 m，基礎坐落于砂卵石地基上。

(2)仰斜式擋墻護岸方案：擋墻采用M7.5漿砌石砌筑，頂部厚度0.7 m，墻背坡比1∶0.55，墻面坡比1∶1，墻底厚度2.876 m，基礎坐落于砂卵石地基上。

(3)重力式擋墻護岸方案：擋墻采用M7.5漿砌石砌筑，頂部厚度0.7 m，墻背坡比為直立，墻面坡比1∶0.4，墻基礎厚度2.876 m，基礎坐落于砂卵石地基上。

坡式護岸：工程量較小，景觀效果好，適宜采用賓格護坡，柔韌性、透水性、生態性較好；但其抗沖能力較漿砌石擋墻差，永久占地較仰斜式占用耕地較多；占地面積64.6畝，每米工程直接費用1816元。仰斜式護岸：開挖量小，構造簡單，整體性好，抗沖能力及耐久性高，就地取材；屬于硬性護岸，生態性較差，易產生不均勻沉陷，較重力式擋墻護岸占地大；占地面積39.7畝，每米工程直接費用2842元。重力式護岸：開挖量小，構造簡單，整體性好，抗沖能力及耐久性高，就地取材，占地小，與右岸已成擋墻護岸相統一；于硬性護岸，造價高，生態性較差；占地面積6.3畝，每米工程直接費用3803元。項目區為山區，土地十分金貴，本次治理段沿河均為當地群眾優質基本口糧田，坡式護岸和仰斜式擋墻護岸占用主要糧田較多，推薦采用仰斜式擋墻護岸。

從3種護岸的優缺點可以看出，坡式護岸每延米工程直接費較仰斜式擋墻節省1026元，多占用耕地24.9畝，占地投資每米多142元；仰斜式擋墻比重力式擋墻直接投資每延米少961元，多占用耕地33.4畝，占地投資每米多192元。由于本工程的特殊性，考慮本段河道流速較大，重力式漿砌石整體性、抗沖性及耐久性能高，右岸已成堤防均采用仰斜式漿砌石擋墻護岸型式，臨水側坡比為1∶0.4，本段治理河道總長約5.3 km，工程位置處在石藝園景區及狹長地帶，土地面積本身十分緊缺，加之治理段沿河均為當地群眾優質基本口糧田，坡式護岸和仰斜式擋墻護岸占用基本優質糧田較多，為充分兼顧保護糧食安全及防洪安全，集合當地實際，本次設計堤型采用仰斜式擋墻護岸，這樣即節約了土地資源、確保了防汛安全，又使新修護岸與已成護岸型式協調統一，使整個治理段整體美觀。

河堤設計：按照左岸擋墻外3.0 m寬堤頂及道路，外坡1∶1，堤身填筑料采用就地取材原則為砂礫料填筑，壓實度為相對密度≥0.6。堤頂和邊坡均做綠化，綠化植物選用種草措施。

4.2.4 河堤穩定性分析

4.2.4.1 河堤護岸抗傾穩定分析計算

河堤抗傾穩定性分析計算分兩種情況：第一種在河道內有水時，水對堤產生向外推力，與河堤(擋土墻)后填土對河堤向內的推力可相互抵消一部分力，這種情況不是最不利情況；第二種當河道內無水時，堤防受到擋土墻后填土的推力最大，會產生最大的傾翻力，這時對河堤穩定為最不利的情況，堤防穩定計算對這種最不利情況下河堤的穩定性進行分析計算[15]。本設計擋土墻后回填為砂礫石料，γ=1.7 T/m3，漿砌石擋墻γ=2.2 T/m3。

按《防工程設計規范》(GB50286-2013)附錄F的規定，焦岱鎮石藝園段河堤擋土墻抗傾穩定計算采用下式進行計算：

(10)

式(10)中：K0為抗傾穩定安全系數；MV為抗傾覆力矩，KN·m；MH為傾覆力矩，KN·m。

(11)

表1 地基土的各項指標建議值

4.2.4.2 河堤護岸抗滑穩定分析計算

按《防工程設計規范》(GB50286-2013)附錄F的規定，焦岱鎮石藝園段河堤擋土墻抗滑穩定計算采用下式進行計算：

(12)

式(12)中：Kc為抗滑穩定安全系數；f為底板與堤基之間的摩擦系數，卵石、砂礫石取0.5；∑W為作用于墻體上的全部垂直力的總和，KN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和，KN。

5 結論

(1)通過計算，確定該工程的堤頂超高均取1.0 m；護岸沖刷深度為0.66～1.57 m，基礎埋置深度均取1.5 m。

(2)對比3種堤型的優缺點及工程實際，本次堤型采用仰斜式擋墻護岸。

(3)通過對河堤護岸抗滑、抗傾穩定性的計算，防洪墻抗滑穩定、抗傾穩定、基底應力計算結果均在規范允許范圍內，基底最大應力小于地基的允許承載能力220 kPa，且最大值與最小值之比小于3.0，說明防洪墻的抗滑、抗傾覆穩定劑基底應力均滿足規范要求，防洪墻設計是安全的。