某山洪溝(河道)演變分析及河堤設計研究

朱 峰，陳 霞，王海濤，趙泱軍

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000)

1 工程概況

某山洪溝防洪區(八壩段～十壩段)涉及502戶1308人，耕地面積4.0836萬畝，戈壁農業示范基地農場6個，黑河沿岸林草地0.8萬畝以及國家級重點公益林區[1]。防洪堤兩岸分布有農田、蔬菜園(右岸樁號3+095～3+654段)、國家級重點公益林區(右岸樁號4+480～7+160段)等重點防洪保護對象。現狀防護區只有部分少量已建土堤，結構簡單，防洪功能低，不符合防洪標準要求，難以抵御較大洪水，且在河段內未能形成統一的防洪系統，部分河段寬淺，每逢暴雨，洪水肆流，周邊受洪水災害面積大，損失嚴重，無法發揮防洪工程的整體效益。防洪區內土地資源緊缺，人均耕地面積較小，由于洪水經常性的淘刷和侵蝕，河道兩岸侵蝕耕地的數量逐年擴大，因洪水災害造成的經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參考依據。

2 河道演變及河相分析

河床在水流長期作用下，其水深、河寬、比降等形態與來水來沙條件及河床地質條件存在著一定函數關系，這種關系稱為河相關系[2]。本文主要從河床穩定、河床河相關系及河型、河道平面河相關系、河道沖淤等方面對河道進行分析。

2.1 造床穩定分析

河道穩定分析計算主要包括河道河道縱向穩定系數和河道橫向穩定系數的計算、分析，根據穩定系數，推斷河道形態的穩定性。

(1)河道縱向穩定系數按下式計算：

(1)

式中：φh′為縱向穩定系數，φh′值越大，表明河道橫向越穩定；d為床沙平均粒徑；H為河流平攤水深，m；J為縱比降，根據實測計算。經計算，本河段的縱向穩定系數見表1。

表1 八壩段～十壩段防洪堤縱向穩定系數計算表

當縱向穩定系數愈小，泥沙運動愈強，河床愈不穩定，從表1中可以看出，八壩段防洪堤縱向穩定系數φh′=0.013～0.062，九壩十壩段防洪堤縱向穩定系數φh′=0.001～0.195，將計算結果與謝鑒衡主編的《河床演變與整治》書中對黃河與長江不同河型及河段的對應的縱向穩定系數進行類比分析，表明八壩段～十壩段在本防護區內河段的縱向穩定性較好。

(2)河道橫向穩定系數按下式計算[3]：

(2)

式中：φb為橫向穩定系數，φb值越大，表明河道橫向越穩定；Q為造床流量，m3/s；J為河道縱比降；B為相當于造床流量對應下的平灘河寬，m。經計算，八壩段～十壩段防洪堤在本段的橫向穩定系數見表2。

表2 八壩段～十壩段防洪堤橫向穩定系數計算表

從計算表2可以看出，八壩段防洪堤橫向穩定系數φb在0.548～0.753之間，九壩十壩段防洪堤橫向穩定系數φb在0.367～0.621之間，同理與《河床演變與整治》課本中橫向穩定系數進行類比分析，表明八壩段～十壩段防洪堤在本防護區內河段的橫向穩定性較好。

2.2 河床河相關系及河型分析

河道斷面河相關系主要由深寬比ξ來表征，反映了沿程河相關系的斷面穩定性，當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，河道愈穩定[4]。河道橫斷面河相關系數為：

(3)

式中：ξ為河相關系數；B、H分別為造床流量下對應的水面寬度及平均水深，m。計算結果見表3。

表3 八壩河段河相關系數ξ計算成果表

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

2.3 河道平面河相關系

河道平面河相關系主要反映河灣平面形態與河道特征之間的關系，河道的平面形態是由一系列圓弧、反弧以及連接二者的直線段近似表示，在治導線布置時彎道半徑R、直線段長度L應滿足下列關系：

(4)

L>(1～3)B

(5)

式中：B為河道寬度，m；R為轉彎半徑，m；W為過水斷面面積。

經過對八壩段～十壩段防洪堤天然彎道的河灣形態特征值的參數分析，轉彎半徑R=300 m～500 m，直線段長L=150 m～300 m，基本滿足治導線布置的參數要求。

2.4 河道沖淤分析

河道沖淤情況采用《河床演變與整治》一書中河道沖淤判別公式中沖淤判別系數Ψ分析，沖淤判別公式為：

(6)

式中：Ψ為沖淤判別系數，當Ψ<1時，河床將發生沖刷；v為斷面流速；h為斷面水深；0、i分別為足標，0表示進口斷面，i表示出口斷面。

選取一典型斷面進行計算，計算結果見表4。

表4 典型斷面沖淤判別系數計算表

經計算，在防護區內沖淤判別系數ψ=0.38<1，表明在防護區內河床將發生沖刷。

3 堤身結構設計

根據河道演變特性以及河床沖刷特性，對堤身結構進行斷面設計，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三種方案進行比選[5]，斷面示意圖見圖1～圖2，現按照河堤高度4.5 m比較分析。

圖1 仰斜式擋土墻斷面示意圖

圖2 重力式擋土墻斷面示意圖

從技術角度對比，結構性能直墻式護岸優于仰斜式擋土墻護岸，優于混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤，但從經濟角度比較，混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤造價遠低于重力墻式護岸和護坡式護岸的造價。所以性價比混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤優于墻式護岸和護坡式護岸。

根據現場踏勘，八壩段～十壩段防洪堤均為匯合口以上地形較開闊，大多為荒灘，優先選擇混凝土護面夯填砂礫石梯形土堤，見圖3；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，二者都有其優點和缺點，直墻式護岸方案占地少，但工程量大，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，工程造價低。根據現場地形條件和經濟合理的原則，結合堤段所處地理位置、河堤現狀、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。

圖3 夯填砂礫石梯形斷面土堤

4 結論和建議

本文現有資料和計算成果分析，河床縱向、橫向穩定性較好，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，根據河道演變特性及河相分析結果，進行八壩段～十壩段防洪堤堤身設計和整體布局，工程于2018年完工，本次防洪溝的治理，可以有效地保護防洪渠內人口、耕地、農場和公益林等免受山洪災害，保護了防洪區內人民生命和財產安全。