程海湖生態修復項目河門口治理工程設計

左安垠 孫文召 孫曙鴻

摘要：通過對程海湖生態修復項目（一期）工程入湖河道現場現狀、洪水特性、地質等調查統計分析，對13條入湖河道河門口治理作出設計策略，根據調查統計分析及水力學計算結果，設計出堤防基礎埋設深度、導流墻及固床壩等埋設深度、堤身結構等，成果經1a洪水沖刷無損毀，監測結果與設計理論相一致，具備設計要求的抗洪能力。

關鍵詞：程海湖生態修復;河門口治理;防洪;生態設計

1項目背景

由于社會、自然等原因，程海湖區域生態環境一度進入長期修復期。環湖截污、引水補水、生態修復是搶救性保護程海三大措施，由于干旱、干擾大、管控空間受限、土壤砂礫石含量高、污染等制約因素，如何通過生態修復的手段來改善與創造一個良好的生態環境，是近年來程海湖生態環境建設的重點和難點，在生態修復綠化過程中如何提高植物成活率及保存率，是目前面臨的難題之一。2018年以來，實施了程海湖生態修復省級重大工程項目，分兩期實施，一期投資1.94億元、二期投資4.24億元，包括植物工程、河門口治理工程、灌溉引水工程、生態管護廊道工程、防護網工程、土壤改良工程六大分部以及退耕還濕。為提高入湖河道的防洪能力，降低洪水對程海水質的影響，對程海湖生態修復項目（一期）工程水土流失嚴重的13條入湖河道河門口進行工程治理防洪生態防護科學設計，為二期13條入湖河道河門口治理設計提供了參考。

2 設計區域特性分析

2.1 暴雨洪水特性

項目區所在流域屬于橫斷山脈縱谷區滇西北部金沙江河谷區，處于低緯高原區，具有較獨特的高原山地季風氣候特點，干濕季分明，冬春多旱，輻射強，夏季降雨量充沛，屬中山山原亞區的中亞熱帶氣候區。本地區暴雨洪水主要受延伸的西南和東南暖濕氣流影響，多集中于6-10月，具有明顯季節性。流域內多年平均最大24h降雨量為73.5mm，實測最大24h降雨量為124.8mm（永勝氣象站1989年7月27日）。每年6-8月間，以單點暴雨為主，暴雨時空分布不均。本地區洪水源于暴雨，地區分布及發生時間與暴雨一致，次洪歷時與凈雨歷時一致，一般在16h左右。根據本流域暴雨洪水特性，結合設計流域屬小匯水面積的具體情況綜合考慮，確定設計洪水歷時取值為24h。

2.2 洪水分析

根據谷歌地球儀量算流域特征值，各河道流域面積、河長、比降成果見表1。通過上述分析水庫流域的點暴雨統計參數及流域特征值、產匯流參數，根據《云南省暴雨洪水查算圖表實用手冊》中的暴雨洪水計算方法，推求得到各河段設計洪水峰量成果見表1。

限于項目區無資料，并且匯水面積均較小，采用經批準的《云南省暴雨洪水查算圖表實用手冊》推求設計洪水符合《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44-2006）的有關規定。

由表1可看出，各頻率設計洪水的峰值具有隨頻率數值增大而逐漸減小的趨勢，符合一般水文規律。說明各頻率設計成果之間無明顯的矛盾。綜上所述，在現有資料條件下，采用暴雨途徑查圖法推求的設計洪水成果是基本合理的。

2.3 地質分析及評價

工程區位于揚子準地臺麗江臺緣褶皺系鶴慶-洱海褶皺束，斷裂、褶皺發育，地質構造較復雜。工程區地處下關-劍川地震帶邊緣，北側及南西側為劍川-麗江及鶴慶-洱海大斷裂，西側金沙江-紅河大斷裂，北東側分布程海-賓川大斷裂。上述活動性大斷裂至今仍有強烈活動。為較強震區域邊緣，地震活動頻繁。因此工程區的區域構造穩定性較差。根據1∶400萬《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015）工程區地震動峰值加速度為0.30g，地震反應譜特征周期為0.45s，對應地震基本烈度為Ⅷ度。

3 河門口治理設計

3.1 河門口治理策略

根據程海湖生態修復項目（一期）范圍內地形地質條件及流域暴雨洪水特性，為提高入海河道的防洪能力，降低洪水對程海水質的影響，在各入湖河口采取工程措施，對水土流失嚴重的1#-13#入湖河道進行防護治理。其中，2#、3#、10#防護型式采用埋石混凝土擋墻，12#河道采用格賓石籠擋墻，其余部分采用底部防沖刷埋石混凝土擋墻，上部生態土堤，土堤靠河側采用格賓石籠護坡，背河側土堤植草護坡，設置埋石混凝土導流墻、固床壩。

3.2 河門口水力學計算

根據國標《防洪標準》（GB50201-2014），以鄉村為保護對象，人口小于20萬的防洪標準為10-20a，考慮經濟、社會等多方面因素，確定河門口治理河段防洪標準為10a一遇。

依據河門口10a一遇標準流量，采用理正水力學計算模塊（恒定非均勻漸變流）對治理河段進行水力學計算，擬定河寬按原有河寬，計算參數及結果見表3。

由計算結果可知，河門口計算水深為0.23-0.99m，考慮一定的超高（0.5m），堤頂高度為0.73-1.49m，考慮到各個河門口之間的斷面協調、美觀，格賓石籠生態土堤（下部為埋石混凝土護腳）河床以上高度為2m。

3.3 堤防基礎埋置深度確定

根據《建筑地基基礎設計規范》及相應結構設計規范的有關規定，干流河堤基礎埋置深度應符合以下要求：

1）基礎不得置于有機土、泥炭、腐殖土及廢棄垃圾上;

2）河堤護腳埋置深度應滿足抗沖刷和凍結深度的要求。

河門口治理工程堤基主要置于砂礫石地基上，河道堤線平順地段，河堤與河道主流方向基本一致，按水流平行河道條件下考慮，沖刷深度計算根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）附錄D.2中的計算公式進行計算：

式中：hs —局部沖刷深度（m）;

n — 平面形狀系數，n=1/4～1/6，取n=1/4;

Ucp— 近岸垂線平均流速（m/s）。

Uc— 泥沙起動流速（m/s），采用張瑞瑾公式計算;

U— 行進流速（m/s）;

H0 —沖刷處水深（m）;

η—水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角確定。

根據項目治理河段各河道斷面流速、水深及河床顆粒組成情況計算平行河道沖刷深度。

根據計算結果，河門口沖刷深度一般為0.15-0.96m。根據規范要求，堤防基礎應置于最大沖刷深度以下0.5-1.0m，結合沖刷深度，考慮程海湖降雨經常有單點強暴雨的現狀，河門口基礎埋深取為2m。

3.4 堤身結構設計

3.4.1 擋墻穩定性計算

程海湖生態修復工程主要考慮采用埋石混凝土擋墻型式、埋石混凝土護腳加土堤。對兩種擋墻形式的典型斷面采用理正軟件進行結構穩定計算。

型式1，C20埋石混凝土重力式擋墻，墻高4m，墻頂寬0.6m，迎水坡坡比為1∶0.2，背水坡坡比為1∶0.3，墻后采用開挖料回填至地面。

型式2，生態土堤底部防沖刷埋石混凝土擋墻，墻高2m，墻頂寬0.4m，迎水坡坡比為1∶0.2，背水坡坡比為1∶0.3，土堤靠河側坡比1∶2，采用格賓石籠護坡，土堤背河側坡比1∶1.5，采用植草護坡，土堤頂寬3m。

主要的地質參數建議值見表5。

堤防穩定計算軟件采用理正巖土計算模塊，主要計算參數及工況如下：

a.擋墻及墻后土石方填筑設計參數

埋石混凝土及C20混凝土容重γ=23kN/m3;

土石方填筑相對密度>0.6。

土石方填筑內摩擦角為23.5°，粘聚力為0kPa。

基底摩擦系數0.5。

b.荷載

墻自重、墻背填土重、墻背土壓力、水壓力、揚壓力。

c.運行情況及荷載組合

工況1：正常運行——防洪墻背水側水位為設計水位，迎水面水位比背水側水位低1m，荷載組合為自重+墻背土壓力+土重+水壓力+揚壓力+人群或車輛荷載;

工況2：正常運行——防洪墻臨水側為汛期多年平均流量對應水位，背水側水位比臨水側水位高1m，荷載組合為防洪墻自重+墻背土壓力+土重+人群或車輛荷載;

工況3：非常情況——防洪墻臨水側水位為最低枯水位，背水側水位比臨水側水位高1m，墻后填土表面計入碾壓機械荷載。

計算成果統計見表6-7。從表中可看出，在各種計算工況下，擋墻抗滑、抗傾穩定安全系數均滿足規范要求。

3.4.2 滲流穩定計算

土堤背水側為原地面，整體較為平緩，潛在滑坡為臨水側坡面，在設計洪水位下對土堤斷面進行滲流計算，并按正常工況和非常工況進行邊坡穩定計算。

（1）正常工況

①設計洪水位臨水側堤坡的穩定。

②設計洪水位驟降至2年一遇常水位，臨水側堤坡的穩定。

（2）非常工況

③施工期臨水側堤坡穩定

計算軟件采用Autobank，滲流計算方法采用有限元分析法，穩定性分析采用簡化畢肖普法，計算見圖6，最大剖面上游在設計水位下，單寬滲透流量2.47*10-5m3/s，滲流出口處最大滲透坡降0.023，土堤允許滲透坡降為0.5。計算成果見表8。從計算結果可看出，所擬土堤邊坡穩定滿足規范要求。

3.4.3 地基承載力

新建堤防重力式擋墻基礎全部置于砂卵礫石層，基底應力計算成果見表6。從計算可看出，在各運行工況下，基底均不出現拉應力，其最大壓應力為76kPa，其他均小于該值。最大應力比為0.3，地基允許承載力為250kPa，可見，各工況地基承載力均滿足規范要求。

新建堤防地基承載力須不小于250kPa。

3.4.4 堤基處理

堤防的基礎承載力不足的河段，對地基進行夯實后，用碎石進行基礎換填。堤防基礎施工時，臨水面護腳基礎埋置深度滿足抗沖刷要求。

3.4.5 背河側處理

上部生態土堤并植喬、灌、地被、草被護河堤、土堤背河側植草護坡，河堤設計斷面參數見表9。

4 成果抗洪能力監測結果

4.1 程海區域監測點2019全年及2020年1月1日-7月30日降雨強度

2019年單次24h內降雨40mm以上共計11次，最高降雨92.7mm;2020年7月30日止月單次24h內降雨20mm以上共計4次，最高降雨58.9mm。2019年年降雨量與正常年份一致。見表10。

4.2 成果抗洪能力監測結果

2019年年降雨量與正常年份一致情況下，13條河道治理段無洪水沖刷損毀。

5 結論

（1）對程海湖生態修復項目（一期）工程水土流失嚴重的入湖河道河門口進行工程治理防護設計，對減少入湖河道水土流失、改善入湖水質、生態美觀、確保工程區內河道的防洪及攔截泥石流入湖能力、改善入湖水質具有重要的作用和意義。

（2）通過對程海湖生態修復項目（一期）工程入湖河道現場現狀、洪水特性、地質等調查統計分析，對13條入湖河道河門口治理作出設計策略，根據調查統計分析結果及水力學計算結果，設計出堤防基礎埋設深度、導流墻及固床壩等埋設深度、堤身結構等結論，成果經1a洪水沖刷無損毀，監測結果與設計理論相一致，具備設計要求的抗洪能力。總結經驗撰寫論文，為二期及類似工程項目設計提供參考。

（3）工程區無洪水分析資料情況下，根據谷歌地球儀量算流域特征值，各河道流域面積、河長、比降成果，通過暴雨洪水特性分析的水庫流域的點暴雨統計參數及流域特征值、產匯流參數，根據《云南省暴雨洪水查算圖表實用手冊》中的暴雨洪水計算方法，推求得到各河段設計洪水峰量成果，作為河道工程治理數據依據使用。

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