涼水河干河子河道治理工程護岸設計綜述

鞏建軍

(北票市水務工程質量與安全監督站，遼寧 北票 122100)

河道治理是融合了美學、園林學、生態學、城市規劃學、水利工程學、生物科學、環境科學等多門學科的系統性水利工程[1-2]。涼水河兩岸生活及生產設施受歷史洪災影響損毀嚴重，加之河道采砂亂挖侵占嚴重影響了其行洪能力。結合地形勘測資料，遵循工程布設原則，全面考慮洪水行洪寬度和平面套繪結果，并給河道擺動預留一定的余地，科學布置河道防洪治理方案，從而實現河道行洪能力提升、穩定河床、防治洪水漫溢和河道側向侵蝕等。

1 工程概況

涼水河子河為大凌河左岸一級支流，全長51km，流域面積751km2，發源于努魯爾虎山平頂山，流經西官營鎮、大三家鄉、臺吉鎮和涼水河子鄉，并最后匯入白石水庫。涼水河子河干河子段治理流域地勢北高南低，河道平均比降為4.99‰，彎曲系數1.07，基本為穩固型河道，河身比較順直，在較長范圍內往往寬窄相間，類似藕節狀，河道灘槽分界明顯，基本為單一河槽，平均河寬135m，河流彎曲部份河岸沖刷較為嚴重，形成多處險工。部分險段每到汛期有汛情時，當地政府都要疏散險段居民，給當地群眾以及財產安全帶來極大威脅，保護兩岸安全，對涼水河子河進行全面科學治理十分重要且勢在必行[3]。

涼水河子河治理段海拔高程204-258m之間，治理段上游起北票市西官營鎮饅頭溝橋，止于大三家鄉大三家子大橋，治理總長度8.625km。以地形較平坦的河道兩側漫灘作為擬建工程位置，局部段屬于陡坎，地勢較陡，坎高多在1-5m左右。

2 工程總體設計

2.1 防洪標準

工程的防護對象是鄉村和耕地及林地，依據國頒《防洪標準》2.0.1條規定：“以鄉村為主的防護區要按照耕地面積和人口規模，將防洪標準劃分為4個等級”如表1所示。

表1 鄉村防護區的等級和防洪標準

目前，涼水河子河左右岸有45個村屯，人口1.40萬人，耕地3.36萬畝。在治理河段上，涼水河子河流域人口多集中在離河較遠的高地上，涼水河子河整治主要保護對象為農田，并結合《涼水河子河河道治理規劃報告》確定河道治理標準為10a一遇。

2.2 工程布置

涼水河子河流經低山丘陵階地地區，河道多靠近階地邊緣陡坎，這正是河道的天然控制節點，但由于涼水河子河兩岸階地多為砂土結構，抗沖能力不強，因此階地天然節點對河道的控制能力較低。歷史上曾有因階地陡坎坍塌而脫溜的現象，引起河勢變化，所以對于控制長度不夠，頂沖坍塌已經十分嚴重的地方需輔以工程，增強節點對河勢的挖制。此外，現有較大險工段大多位于河岸變形較強烈、河道坍塌嚴重、沖刷強、水流急的位置，這也是河道整治的重點區域[4]。因此，為了更好的穩定河勢，以防河道出現過大的擺動，可對河床變形利用建筑物來控制，這有利于保護岸灘耕地、林地、村莊等。為了改變水流對河岸的的頂沖，歸順河道水流，一般布置丁壩護岸。

對兩岸因沖刷逐漸后退不斷發展的彎道以及以上兩種控導工程間距較大的中間河段，可采用平順護岸以順導流，河道整治方案如下：

1)對于岸坡陡峭、主流在岸邊經過，岸坡受洪水沖刷塌岸嚴重河段采取削坡及工程與植物相結合護岸形式，中小洪水形成的主河灘以下采用石籠護岸，以上采用植物護岸的形式，布置石籠護岸段長5906m。

2)對主河岸較低且為陡岸，主流在岸邊經過，岸坡受洪水沖刷塌岸嚴重河段采取工削坡且植物護岸形式，布置削坡植物護岸段長383m。

3 )對有彎曲河段采用石籠丁壩護岸上形式，共布置丁壩32座。對河道擺動段采取生態固灘治理措施，布置生態固灘8.356hm2，生態固岸2.24hm2，詳見表2。

表2 河道治理方案

實踐表明，“生物固灘”是一項重要的河道治理措施，這充分體現了現代生態治河理念，涼水河子河治理設計采取生物固灘方案，在河灘上種植灌木和喬木，沿河道灘地處形成護岸生態林帶，其主要作用是利植物根系固灘，逐漸歸順河槽，減小河勢的擺動[5-7]。其次，該措施是減小流速，減輕對耕地地表層土壤的淤積，生態措施無論是減少河岸崩塌，或是漫灘水流的掛淤，都將會一定程度的減少白石水庫的入庫泥沙。

2.3 方案設計

2.3.1 石籠護坡設計

石籠護坡及植物總長5906m。各段根據河岸情況采取不同的斷面。

1)護岸形式及結構尺寸。現狀岸形為陡坎，受洪水沖刷塌岸較為嚴重，把陡坎進行削坡，坡比為1∶2.0。然后采取石籠及植物護坡，石籠護坡頂高程取岸頂高程，厚0.4m，下設0.1m砂石墊層，砂石墊層下設400g/m2土工布，基礎深1.5m，寬1.2m，石籠規格基礎上頂1.1m，下底1.3m，高1.5m，長2.0m；護岸按實際高布置成一段或兩段。

2)岸坡沖刷深度計算。設hB為局部沖刷深度，m從水面算起，hp為沖刷處的水深，m，v允為平均流速，m/s，v允為河床面上允許不沖流速，m/s，文中取0.4，n為反映岸坡形狀的參數，可取1/4。可利用下式計算岸坡沖刷深度，結果如表3所示。

表3 石籠護岸沖刷深度計算結果表

(1)

2.3.2 植物護坡設計

植物護坡共1處，總長383m，即左岸樁號1+707-2+090段，平均岸高3.67m，現狀坡較陡。受洪水沖刷塌岸較為嚴重，把陡崖進行削坡，坡比為1∶2.0，坡面采用植物護坡，植物為灌木，灌木株行距為0.5m×0.5m。

2.3.3 石籠丁壩設計

石籠丁壩設計按照短而密，成組布置，水流平順，一座接一座，設計丁壩頭基本平行于水流方向，使經過上一丁壩水流不沖下一丁壩壩根。石籠丁壩共布置1處，即左岸樁號0+167-0+711段，共布置丁壩32座，丁壩長10-15m，間距為10-20m，丁壩軸線與水流方向夾角為下挑30°，丁壩軸線與水流軸線夾角為30°。丁壩基礎石籠(深×平均寬)1.8m×4.45m；基礎以上頂寬1.0m，高是水深。

1)石籠丁壩長確定。根據河道彎度，壩縮窄河道寬度≤河道寬度的1/5，主河道寬為300m，石籠垂直河道寬度為269m，石籠丁壩長10-15m。

2)石籠丁壩間距確定。根據《堤防工程設計規范》規定，丁壩間距可為丁壩長度的1-3倍，根據河床情況：凹岸中部取丁壩間距為10m，凹岸起始段和終止段取丁壩間距為10-20m。

3)石籠丁壩斷面尺寸確定。丁壩高為水深，頂寬1.0m，坡比為1∶1，基礎深1.8m，丁壩沖刷深度利用下式計算，即：

(2)

式中：H為局部沖刷水深，m，從水面算起；h0、v分別為行近水流的水深，m、流速，m/s；α為為水流軸線與丁壩軸線交角；m為與丁壩邊坡比，計算結果如表4。

表4 石籠丁壩局部沖刷水深計算結果

沖刷坑深度ΔH利用波爾達柯夫公式確定，其表達式如下：

(3)

式中：v為丁壩前水流的行近流速；K1為與丁壩在水流法線方向上投影長度l有關的系數，可按式K1=e-5.1(v2/gl)1/2計算；K2為與丁壩邊坡系數m有關的系數，可按式K2=em-0.2m計算；α為丁壩軸線與水流軸線交角，當上挑丁壩(α>90°)時應取1；d為河床砂粒粒徑；g為重力加速度，如表5所示所示。

表5 石籠丁壩沖刷坑深度計算結果

通過以上兩種方法計算結果，根據當地最大凍層深度1.5m和近年來北票市已建成石籠丁壩實際運行情況，石籠丁壩基礎埋深采用1.8m，符合該地區實際情況。

2.3.4 生態治河工程設計

生態治河主要是生態林工程，沿河道左右岸迎水面岸邊坡腳形成5m寬生態灌木固灘林帶8.356hm2，株行距0.5m×0.5m，每側10行。左右岸河灘地岸邊栽植喬木2.24hm2，株行距1.0×1.0m，共10行，共布設生態林總計10.6hm2，總計植樹356670株。

樹種選擇適宜北票北部地區氣候的灌木采用沙棘，喬木采用楊樹。楊樹集約栽培的關鍵環節就是選擇適宜的栽植密度，這極大的影響著最終林分的最終收獲量、培育及生長。但固灘要加密栽植，喬木宜采用1.0m×1.0m的株行距，共栽植22430株，灌木宜采用0.5m×0.5m的株行距，共植樹334240株。

2.3.5 抗滑穩定計算

根據堤防工程設計規范，以穩定滲流期為計算期，以安全系數為目標，不考慮地震因素，利用圓弧滑動法確定滑裂面形狀。孔隙水壓力利用近似計算和有效應力法確定，考慮邊坡外側靜水壓力而不考慮滲透力作用，水面線數為6，,起點坐標為(0.000，-0.500)，壩坡外水位3.000m。圓弧穩定分析利用瑞典條分法，滑動方向與土條重切向分離相反時作為抗滑力，抗滑穩定性計算簡圖，如圖1所示。

圖1 抗滑穩定計算簡圖

經計算，總的下滑力為819.660(kN)，總的抗滑力為1284.288(kN)；土體部分的下滑力和抗滑力為819.660(kN)、1284.288(kN)，筋帶在滑弧切向與法向產生的抗滑力均為0.000(kN)。根據計算結果可知，該工程大于允許抗滑穩定系數1.10，護岸壩工程抗滑是穩定的。

3 結 論

河道治理涉及因素多、覆蓋范圍廣，局部河段治理不善將直接導致全流域環境與安全問題。目前，維持行洪安全和河床穩定的主流手段仍然是采取系列工程措施。隨著時代的發展和社會的進步，河道治理方案不斷完善，但對特定環境特定區域的設計仍然存在諸多設計難點和風險要素。因此，必須綜合考慮治理河段地形地質條件、河道演變情況、河流特性等因素，按照周邊環境、河流生態與治理工程相協調的原則，科學設計河道治理方案。