朝陽(yáng)縣十家子河治理工程設(shè)計(jì)研究

張海波

(朝陽(yáng)市水務(wù)工程技術(shù)審查中心，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 河道概況

1.1 基本情況

十家子河為大凌河一級(jí)支流，發(fā)源于朝陽(yáng)縣西北部，干流自西向東流經(jīng)朝陽(yáng)市孟可鄉(xiāng)、雙臺(tái)子區(qū)于扣北村匯入大凌河，河流總長(zhǎng)42km，流域面積627km2，平均比降6.94‰。根據(jù)不同河段的河流特點(diǎn)，可把十家子河劃分為河源段、上游段和下游段。

1)河源段：青山村以上，地勢(shì)較陡，河道比降在25‰左右，河長(zhǎng)8.35km，河道狹窄，為山溪性河流，主槽寬3-15m，平均主槽寬為5m，占地面積為17.4km2。區(qū)域內(nèi)有青山村，受發(fā)展方式粗放、缺乏有效管理等因素影響，河源段自然生態(tài)破壞嚴(yán)重，植被較差。

2)上游段：青山村至東三家(召都巴支流匯入口)為上游段，為山區(qū)性河流，河道比降較河源段趨向平緩，平均比降為18.1‰左右。本段河長(zhǎng)29.07km，穿行于山谷之間。河寬變化較大，河寬30-120m，平均河寬約60m，主槽寬30-50m，平均主槽寬約為40m。

3)下游段：召都巴河入?yún)R口以下至河口為十家子河下游段，即城區(qū)段。河長(zhǎng)5.59km，平均河寬約320m，最大河寬達(dá)350m，右岸已形成封閉堤防，左岸下游段已建有部分堤防，岸線較為清晰。

1.2 現(xiàn)存問題

十家子河(青山屯至貝子胡同段)治理工程整治范圍為青山屯至貝子胡同段，整治范圍內(nèi)各河段存在的主要問題如下：

1)河道防護(hù)方面：治理段左岸大部分無(wú)防護(hù)，沿河村莊及道路受洪水威脅，洪水期村民安全及出行無(wú)保障；右岸現(xiàn)有防護(hù)工程破損嚴(yán)重，出現(xiàn)坍塌、變形、基礎(chǔ)裸露等問題，無(wú)法繼續(xù)發(fā)揮防洪作用，存在安全隱患。紅廟子村河道左岸混凝土護(hù)坡多處護(hù)坡塌落，坡面混凝土脫落，護(hù)腳基礎(chǔ)裸露，難以繼續(xù)發(fā)揮防洪功能。

2)河道平整方面：該段河道位于十家子河上游，現(xiàn)狀河道比降較大，由于河道開采砂礫料，河床下切嚴(yán)重，棄渣堆、亂掘坑散亂分布，河槽較為雜亂。由于兩岸侵占河道，局部河段行洪斷面狹窄，對(duì)河道正常行洪影響較大。

3)河道生態(tài)方面：河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，近年來(lái)由于基本建設(shè)項(xiàng)目多，河道采砂量大，造成生態(tài)功能進(jìn)一步退化；部分河段緊鄰耕地，現(xiàn)狀耕地種植結(jié)構(gòu)單一，均以玉米為主，無(wú)法促進(jìn)河道生態(tài)的恢復(fù)。

2 治理工程設(shè)計(jì)

2.1 總體布局

為提高十家子河兩岸居民點(diǎn)、重要基礎(chǔ)設(shè)施等防護(hù)對(duì)象的防洪能力，達(dá)到有效防御洪水災(zāi)害的目的，改變洪水災(zāi)害日趨嚴(yán)重的局面，保護(hù)居民生產(chǎn)財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)十家子河實(shí)施綜合治理工程非常必要且勢(shì)在必行，工程總體布局如下。

治理河流包括十家子河干流及支流寧杖子河，治理總長(zhǎng)度8.718km，其中十家子河干流段長(zhǎng)7.728km，寧杖子支流長(zhǎng)0.43km，其他支流長(zhǎng)為0.56km，如圖1。設(shè)計(jì)實(shí)施了護(hù)岸工程、河道平整工程和生態(tài)工程，共新建護(hù)岸工程11.757km，其中干流左岸長(zhǎng)3.496km、右岸長(zhǎng)6.289km，大寧杖子支流0.744km，板扎溝支流0.192km，其他支流回水0.936km；左岸護(hù)坡改造1.207km；新建防沖坎1處，河道平整長(zhǎng)度為6.097km；栽植護(hù)岸林5.947km，棉槐27.5萬(wàn)簇。

圖1 十家子河流域水系分布圖

2.2 護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

2.2.1 防護(hù)型式比選

目前，常用的防護(hù)型式為坡式護(hù)岸、墻式護(hù)岸[1]。這兩種護(hù)岸為傳統(tǒng)的護(hù)岸型式，坡式護(hù)岸利用耐沖材料直接敷設(shè)在岸坡，以形成覆蓋式連續(xù)防護(hù)，工程占地較大，但對(duì)河床邊界條件影響較低。墻式護(hù)岸堅(jiān)固耐用，抗壓強(qiáng)度高，且占地小，但施工程序相對(duì)坡式防護(hù)復(fù)雜。

方案一：墻式護(hù)岸。優(yōu)點(diǎn)：有堅(jiān)固耐用，穩(wěn)定性好，抗傾覆能力強(qiáng)，適應(yīng)任何地形，占地面積較小；缺點(diǎn)有壩體工程量較大，不利于布置生態(tài)工程。

方案二：坡式護(hù)岸。優(yōu)點(diǎn)：該護(hù)岸適于邊坡明顯、高度較高河段，坡面可以布置生態(tài)工程，與“修堤不見堤”的治河理念吻合；缺點(diǎn)：但是對(duì)于壩后填土質(zhì)量要求高，對(duì)地質(zhì)條件要求嚴(yán)格，對(duì)坡面壓實(shí)度要求嚴(yán)格。

結(jié)合十家子河青山屯-貝子胡同沿線情況，北雙廟以下河段河道寬闊，同時(shí)考慮占地工程空間及防護(hù)任務(wù)以及兼顧防洪安全治理目標(biāo)，該工程主體河段均采用坡式護(hù)岸。北雙廟及以上河段河道狹窄，實(shí)施空間較小并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況及后期管理，故該河段采用墻式護(hù)岸。

2.2.2 建筑物構(gòu)造比選

目前較為常見的護(hù)岸有3種，即格賓石籠、干砌塊石護(hù)坡和連鎖磚護(hù)坡[2]，這3種護(hù)坡型式的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

方案一：格賓石籠。優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)變形能力強(qiáng)；網(wǎng)箱對(duì)填充石料保護(hù)，工程整體性好，抗沖刷性能強(qiáng)；因其填充石料間的空隙可以落淤，進(jìn)而生長(zhǎng)野草、野花等，其生態(tài)性能相對(duì)較好；缺點(diǎn)：與干砌石護(hù)坡相比，其工程投資較高；與連鎖磚單平米投資相差不大，但其施工速度要較連鎖磚慢一些。

方案二：干砌石護(hù)坡。優(yōu)點(diǎn)：施工工藝簡(jiǎn)單、進(jìn)度快、工程造價(jià)低；缺點(diǎn)：工程整體性差，對(duì)石料規(guī)格尺寸要求嚴(yán)格，施工質(zhì)量難控制。

方案三：混凝土連鎖磚護(hù)坡。優(yōu)點(diǎn)：建筑材料為預(yù)制件，施工簡(jiǎn)單、快速，由于有鋼絞線相連接，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較干砌石護(hù)坡和傳統(tǒng)的聯(lián)鎖磚要高很多，基本與格賓石籠持平；缺點(diǎn)：抗沖刷性能差，生態(tài)效果較干砌石和格賓石籠差，坡面不能作為植被生長(zhǎng)的載體。

經(jīng)以上三種護(hù)坡材料和結(jié)構(gòu)型式的比較，格賓石籠優(yōu)于其他兩種方案，目前采用了鐵線鍍鋅防腐技術(shù)，解決了銹蝕問題，延長(zhǎng)了運(yùn)行使用壽命，使其在牢固性、整體性、生態(tài)性及價(jià)格方面的優(yōu)點(diǎn)更加突出，相比其他兩種護(hù)坡型式優(yōu)勢(shì)明顯，這種方案已被廣泛采用，因此推薦方案一格賓石籠。

2.2.3 護(hù)岸岸頂高程確定

現(xiàn)狀岸坎高程高于10a一遇設(shè)計(jì)水位時(shí)，設(shè)計(jì)岸頂高程取10a一遇水位加0.5m超高[3]；現(xiàn)狀岸坎低于10a一遇水位的設(shè)計(jì)岸頂高程原則按現(xiàn)狀岸坎高程，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)狀岸坎高程趨勢(shì)，確定護(hù)岸頂高程線，盡量保證護(hù)岸頂高程平順連接，不出現(xiàn)突變。根據(jù)水面線推求成果，根據(jù)岸坎高程及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定護(hù)岸高程，護(hù)坡改造段頂高程按原有頂高程確定。

2.2.4 結(jié)構(gòu)尺寸的確定

1)坡式護(hù)岸：坡式護(hù)岸總高度分別為2-2.5m，護(hù)岸下部護(hù)腳為寬1.0×高1.2m石籠，封頂為寬1.0×高0.4m石籠。護(hù)岸設(shè)土工布，土工布自封頂?shù)酌嫜仄旅驿佒粱A(chǔ)底面，護(hù)坡處土工布上鋪10cm厚砂礫墊層。石籠護(hù)坡厚0.4m，設(shè)計(jì)邊坡1∶2.0，護(hù)坡上部回填0.3m厚種植土，坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 坡式石籠護(hù)岸斷面圖

2)直立式護(hù)岸：石籠擋墻背為直立面，石籠底部墊0.1m厚砂墊層，石籠墻背水側(cè)以及砂墊層下鋪設(shè)土工布作為反濾，擋墻底部土工布與墻體間鋪設(shè)0.1m厚砂礫墊層，擋墻高2.7m，分3層砌筑，底層高0.7m，中層高1.0m，頂層高1.0m，由上至下，一層、二層、三層石籠迎水側(cè)錯(cuò)臺(tái)0.5m，墻頂寬1.0m，石籠底寬2.0m，石籠擋墻結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu)圖

3)護(hù)坡改造段護(hù)岸：護(hù)岸下部護(hù)腳為1.0寬×高1.5m石籠，封頂為寬1.0×高0.4m石籠。護(hù)岸設(shè)土工布，土工布自封頂?shù)酌嫜仄旅驿佒粱A(chǔ)底面，護(hù)坡處土工布上鋪10cm厚砂石墊層。石籠護(hù)坡厚0.4m，設(shè)計(jì)邊坡1∶2.5，改造段護(hù)岸結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 堤防護(hù)坡改造段護(hù)岸

4)平鋪石籠：對(duì)樁號(hào)SY6+057-SY6+213段右岸原有護(hù)岸護(hù)腳進(jìn)行平鋪石籠防護(hù)，平鋪石籠單體尺寸長(zhǎng)×寬×高為4.0m×5.0m×0.5m。

2.2.5 護(hù)岸工程穩(wěn)定計(jì)算

1)計(jì)算工況選取。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)運(yùn)行條件的規(guī)定，選取如下計(jì)算工況：

正常運(yùn)用的設(shè)計(jì)水位和常水位條件；非常運(yùn)用的施工期條件下。

2)石籠抗滑穩(wěn)定計(jì)算。按《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中6.3.2的公式進(jìn)行計(jì)算，如下：

(1)

式中：Ks為抗滑安全系數(shù)；c0為基地黏聚力，kPa；f為基礎(chǔ)摩擦系數(shù)；∑G、∑H為作用在石籠上全部垂直于和平行于水平面的荷載，kN；B為水面寬度，m。

3)石籠抗傾穩(wěn)定計(jì)算。按《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》6.3.1中的公式計(jì)算，如下：

(2)

式中：K0為抗傾安全系數(shù)；∑MV、∑MH為對(duì)石籠基底前趾的抗傾覆力矩和傾覆力矩(kN·m)；

4)石籠基底壓應(yīng)力驗(yàn)算。按《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的6.3.3公式計(jì)算，如下：

(3)

式中：e0為偏心距，并且符合條件e0≤B/6，其滿足要求時(shí)基礎(chǔ)底面最大、最小應(yīng)力可按下式計(jì)算：

(4)

墻式護(hù)岸參照重力式擋土墻計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，計(jì)算包括擋土墻自身的抗傾抗滑穩(wěn)定，并對(duì)地基承載力要求進(jìn)行核算。擋土墻自身抗傾抗滑穩(wěn)定采用采用庫(kù)倫理論公式，計(jì)算過程中考慮工程可能發(fā)生的最大沖深對(duì)穩(wěn)定的影響，墻式護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算見表1，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算均滿足要求。

表1 墻式護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

2.2.6 石籠網(wǎng)箱規(guī)格要求

1)石籠網(wǎng)箱規(guī)格。石籠網(wǎng)眼尺寸為150mm×120mm，采用生態(tài)網(wǎng)格工藝，所用生態(tài)網(wǎng)格材質(zhì)是3.75mm熱鍍鋅絲鋼絲，鋼絲抗拉強(qiáng)度不小于350MPa，斷裂伸長(zhǎng)率不應(yīng)小于10%，最低鍍鋅層重量為230g/m2。左右并排石籠之間均采用8#熱鍍鋅石籠面鋼絲綁扎、連接、固定，如圖5。

圖5 網(wǎng)箱石籠結(jié)構(gòu)

2)填筑石料規(guī)格。網(wǎng)箱填充物采用塊石，要求石料最小粒徑≥150mm、中值粒徑≥于200mm。塊石比重≤2.5t/m3，強(qiáng)度不低于MU30，遇水不易水解和崩解。不宜選用薄片、條狀等形狀的石料，不得將泥巖、風(fēng)化巖石等用作充填石料，填充后網(wǎng)箱空隙率不超過30%。

2.3 防沖坎設(shè)計(jì)

新建消能防沖坎1處，防沖坎采用石籠結(jié)構(gòu)，坎頂高程與上游高速公路橋連系梁頂高程齊平，自上游向下游分別為堰體、陡坡段、海漫段。堰體長(zhǎng)35.0m，高2.5m，分2層布置，底層寬3.0m，高1.5m，頂層寬2.0m，高1.0m，上游側(cè)錯(cuò)臺(tái)1.0m，堰體兩端深入兩側(cè)岸坎2.0m。陡坡段縱向長(zhǎng)5.0m，設(shè)計(jì)比降為20%，采用0.5m厚石籠砌筑。陡坡末端接石籠海漫，石籠海漫縱向長(zhǎng)8.0m，厚0.5m，海漫頂高程490.10m。

對(duì)北雙廟過水路下游進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)型式為平鋪石籠。平鋪石籠長(zhǎng)12.0m，寬5.0m，厚0.5m。

2.4 河道平整設(shè)計(jì)

河道平整下邊界為大寧杖子過水路面，上邊界為北雙廟過水路面，左右岸邊界根據(jù)河勢(shì)平順、盡量不涉及征占地、土方平衡及原有岸線布置等原則綜合確定，清理河段長(zhǎng)6.097km，中泓樁號(hào)為K0+300-K6+397。河道平整設(shè)計(jì)比降盡量維持原河道比降，主要對(duì)兩側(cè)邊灘進(jìn)行平整，對(duì)侵占河道河段進(jìn)行清理，河道平整寬度在15-90m之間。

2.5 生態(tài)工程設(shè)計(jì)

2.5.1 治理原則

1)以《十家子河河道治理規(guī)劃報(bào)告》為基礎(chǔ)依據(jù)。堅(jiān)持人與自然和諧共生、綠水青山就是金山銀山的理念，提高河道的自我修復(fù)能力，工程治理與生態(tài)措施并舉[4]。

2)在護(hù)岸工程迎水面和背水面，栽植灌木或喬木，在人群經(jīng)常活動(dòng)的地段的種植花草，利用植物根系，增強(qiáng)河岸的抗沖能力，從而達(dá)到護(hù)岸固灘的目的，逐漸歸順河槽，減小主槽擺動(dòng)[5]。十家子河是多泥沙河流，生態(tài)措施可緩解河岸崩塌和水土流失，使河道水質(zhì)和水環(huán)境得到有效改善，成為水清、灘綠、林茂的綠色通道。

3)構(gòu)建生態(tài)固灘帶。綜合考慮水文、氣候、土壤等因素，利用河岸現(xiàn)有喬、灌、草搭配結(jié)構(gòu)，減緩地表徑流流速，構(gòu)建生態(tài)固坡林帶及固灘林帶，攔截陸域面源污染。

2.5.2 工程布置

生態(tài)工程主要為在坡式護(hù)岸迎水面栽植棉槐，河道寬闊段護(hù)腳部位種植護(hù)岸林，護(hù)岸林樹種選擇適宜生長(zhǎng)的本土樹種楊樹。共布置護(hù)岸林5.947km，其中十家子干流右岸布置3.493km，左岸布置2.454km。

在護(hù)岸工程壩腳處種植楊樹，株距3×3m，種植2排，錯(cuò)排種植；楊樹栽植選取胸徑胸徑為4-6cm的樹苗，3.0m定干栽植，挖坑0.6m×0.6m×0.6m。

在護(hù)岸工程坡面處種植棉槐，護(hù)岸上覆蓋30cm厚的種植土，種植棉槐；棉槐栽植：棉槐一簇三株、帶根系、一到兩年生規(guī)格，地徑0.5cm，栽植密度為4簇(12株)/m2，簇行距為0.5m×0.5m，如圖6。

圖6 護(hù)岸生態(tài)工程斷面圖

3 結(jié) 語(yǔ)

為解決十家子河整治范圍內(nèi)河道左岸無(wú)防護(hù)，右岸現(xiàn)有防護(hù)工程破損嚴(yán)重，出現(xiàn)坍塌、變形、基礎(chǔ)裸露，有效整治堤防護(hù)坡塌落，坡面混凝土脫落，河岸棄渣堆、亂掘坑散亂分布以及河床下切等問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘資料和治理段實(shí)際情況，充分考慮當(dāng)?shù)厮块T與受益鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建議，科學(xué)設(shè)計(jì)符合實(shí)際情況的治理方案，可為排除險(xiǎn)情，加強(qiáng)朝陽(yáng)十家子河防洪能力，確保防洪安全提供強(qiáng)有力的保障。