中小河流治理中防洪堤設計探析

劉廷廣

(長春市九臺區水利項目建設辦公室，吉林 九臺 130500)

0 引 言

隨社會快速發展，不規范開發建設事件不斷發生，導致行洪區侵占問題不斷加劇，致使河流源頭區域的水土流失逐漸加重，河道斷面逐漸縮小，這不僅降低河道對洪水、風浪等自然災害的防御能力，同時對當地居民的生命財產安全也會造成嚴重影響，目前，河道治理工作已成為各地政府迫在眉睫的首要任務[1]。為響應各地政府有關河道治理工作提出的號召，文章以吉林省境內中小河流溫德河某段為例，對中小河流治理中防洪堤設計進行研究分析。

1 布置治導線

治導線是于河道兩岸布設整治工程所規劃的水邊線，通常以穩定河勢流路為主要目的，由于其在中小河流治理中發揮作用突出，在實際工作中河流治理者應著重考慮以下幾方面問題：①待整治河道應該與洪水流向或洪水趨勢保持一致，盡可能避免對主河勢方向進行更改或限制，因勢利導，同時，避免設置新的人為沖點，以盡可能降低工程難度和投入成本；②應充分利用待整治河道中天然存在且相對穩定的河岸山咀、高坎、基巖等有利地形，以提高工程整體穩定程度；③盡可能預留充足的河道寬度，以獲得良好的行洪斷面。此外，作為防洪堤設計中的重點內容，治導線的布置還應嚴格遵循《中華人民共和國防洪法》第十九條中相關規定，從而為中小河流治理中的防洪堤建設打下堅實基礎。

2 確定沖刷深度

所謂沖刷深度，實際意義上指的是河流處于大流量或高流速狀態時對河床造成的侵蝕程度，是確定墩臺設計埋深值得重要前提，因此在實際工作中，河流治理者應根據《支擋建筑物手冊》中相關公式，對沖刷深度進行精準計算。對于一般沖刷深度(Hpm)，實際通常采用公式(1)進行計算，其中λ代表沖刷系數，WX代表未壓縮的河道過水斷面積，WG代表建堤后河道過水斷面積，H代表堤前水深；對于局部沖刷深度(Hpi)，采用公式(2)進行計算，其中x代表水流方向與堤的夾角，V代表行進水流的平均流速，m代表河堤邊坡系數，d代表河床表層d15粒徑；對于總沖刷深度，則通過公式(3)進行計算。河流治理過程中，如果存在河流轉角較大的情況出現，則應該采用拋石、加深齒墻等方式開展防沖刷處理[2]。

(1)

(2)

Hp=Hpm+Hpi

(3)

3 計算洪水位和河道斷面

除確定沖刷深度之外，精確計算洪水位和河道斷面也是中小河流治理防洪堤設計中的重要內容。想要確定洪水位和河道斷面，則需要對待整治河道的控制徑流面積、水文基本資料、各時段洪峰流量等內容加以確定，且需嚴格遵循設計相關標準，由于河道經治理后趨近于人工渠道，故在進行水力計算時可將明渠水流視為均勻流動。但在實際計算工作中，水文資料的調查結果通常伴有一定局限性，為避免測量誤差對防洪堤的實際應用效果造成影響，則需要根據堤防等級，利用蒙特·卡羅方法結合以上內容，即可計算得出上下游洪水位和堤防安全加高值[3]。

4 確定工程地質條件和結構型式

工程地質是河流治理防洪堤設計的基礎內容，實際設計過程中，受經費有限等因素影響，多數治理者通常不會對待整治河道的地質進行勘察。以吉林省境內中小河流溫德河為例，該河流發源于吉林省吉林市永吉縣南端的肇大雞山西側，河流穿行于丘陵地區，實地勘察發現，該河流源頭河谷寬1-2.5km，河床寬約50m，多淺灘，河底為卵石，兩岸沖刷嚴重，至口前鎮附近，河谷寬約2-3km，河床加寬約100m，河底為沙和卵石，該河流河床地層通常以沉積層和沖積層為主，上部多為粉質沙土和砂礫石，中下部以砂礫石混凝土為主，基巖則為塊狀砂巖，巖面起伏較小，未見不良構造，具有較好的工程地質條件，故在防洪堤設計過程中，通常會將堤基分布于砂礫石層。防洪堤結構型式的確定應以河流當前洪災發生情況和具體水沙特征為基礎，并采取筑堤結合開挖河床的方式，與此同時，洪峰水面與支流交匯口的處理也應給予一定重視，以降低河床再造現象的發生風險。河堤的布置應以河段防洪功能、河段建筑材料的儲備條件、河岸基礎等因素作為基礎，可需要根據地形和地質狀況以確定河堤的結構型式[4]。對于地形相對平坦、低質相對較差的河段，可采用填筑河堤，另于迎水坡腳下設置由埋石混凝土現場澆筑的防沖刷齒墻，迎水坡面則選用混凝土護襯；對于河砍相對較高、基礎地質相對較好的河段，可采用重力擋墻支砌或漿砌塊石護砌的方式筑建河堤。此外，進行河堤布置的過程中，還需注意以下幾點內容：①確定齒墻深度：防洪堤的堤前齒墻具有防沖刷、抗掏腳的功能，是影響防洪堤整體穩定性的重要組成部分，實際設計中，治理者應根據相關公式對最大沖刷深度進行精準計算，結合相關規范，以及堤防防沖基礎深度應低于沖刷線0.5-1m，以確定齒墻深度，且該部分內容的工程量和施工難度均相對較大，因此，從遵循相關規范標準、施工難度、治理成本等多個角度出發，對齒墻深度進行確定。通常情況下，河道直線段齒墻埋深以2m為宜，彎道段則以3-3.5m為宜，另外在河道角度較大的險工段，需要設置大體積拋石以降低沖刷強度。②確定河堤幾何尺寸：受堤身填土性質、斷面形狀、水文等多方面因素影響，堤防常在汛期發生漫頂、堤身滑坡、堤身滲透受損等險情，因此，在防洪堤設計過程中，應全面考慮多方因素可能造成的險情，從而為確保防洪堤具備較強的滲透穩定性和堤坡整體穩定性奠定基礎。進行河堤幾何尺寸計算時，可依照防洪堤保護區可接受洪水風險的概率，結合近期洪水、風浪等災害現象的分析結果，對堤頂高程予以確定；堤防的坡度、堤頂寬度、壓蓋寬度等則可根據管涌特性進行確定；填土強度特性則需要依照堤坡的穩定性來確定；結合以往洪水、風浪等災害狀況，以及防洪需求，相應設置護坡、坡面排水、防滲設施等。③險工段堤防處理：根據河道角度，可將險工段分為一般險工段和特殊險工段兩種，前者可采取拋石護腳的方式預防沖刷，而對于特殊險工段，不僅需要進行拋石護腳，還可在縱向齒墻迎水側面設置橫向短齒墻，以促進拋石群體性的全面提高。

5 實例分析

5.1 工程概況

以吉林省境內中小河流溫德河某段為例，經測量得知該河段起始位置地理坐標E126.50°，N43.75°，河段長1334m。2017年7月，受暴雨侵襲影響，吉林省境內溫德河等多條中小河流發生特大洪水，導致當地多處停電，造成移動和聯通基站斷電，對當地造成嚴重經濟損失。2019年11月，吉林市人民政府發布《關于實施溫德河水患治理工程 建立溫德河流域安全防洪體系的建議》[5]，鼓勵相關部門積極參與溫德河整治工作，以消除水災。

5.2 堤型級別與型式

防洪堤工程級別應嚴格參照防洪堤防洪標準(表1)和河道等級進行確定，針對溫德河某段河道，由于該河流近期發生過特大洪水，且該地原有防洪體系被摧毀，因此，將防洪堤防洪標注、河道等級、河段近期狀況等因素結合起來，文章構建防洪堤級別為4級。堤防型式方面，需要對基礎處理、地質地形、交通要求等多方面問題進行綜合考慮，且需要確保堤身斷面滿足整體/局部穩定、防滲/滲透穩定、防沖抗浪等基本要求。

表1 防洪堤工程級別

5.3 堤頂高程計算

由于文章擬筑建防洪堤屬于四級建筑物，結合上文相關規范對堤頂高程的確定要求，堤頂高程應根據設計洪水位和堤頂超高進行確定，并根據公式(4)計算出堤頂高程具體數值，其中Y代表堤頂超高，R代表設計波浪爬高，A代表安全加高，KO 粗糙度，e代表風壅增水高度。結合文章設計和測量數據，計算得出R=0.21m，A=0.60m，e=0.00m(因設計風壅增水高度較小，所以文章將其忽略不計)，最終計算得出Y=0.81m，因此，相應防洪堤堤頂高程則采用洪水位(P=5%)+0.81m作為堤頂控制高程。

(4)

5.4 防洪堤斷面設計

文章截取溫德河河段左岸上游防洪堤長269m，河段中段防洪堤長711m，河段左岸下游防洪堤長354m，合計1334m。左岸選用漿砌石防洪堤，堤頂寬3m，堤高6-9m，于常年水位>50cm處設置寬2m臺階作為濱河道路，濱河道路迎水面以1:2放坡，臺階下迎水面選用直立墻體，背水面下2m處設置1∶0.3坡，并向內設置寬0.5m平臺，另設置1:0.25倒坡至基腳，防洪堤墻背坡度設置為1∶1.6，選用礫石回填。

6 小 結

防洪堤設計在中小河流治理工作中作用突出，設計過程中，多方面考慮外界對防洪堤的影響，并結合當地地質特征，嚴格遵循防洪堤防洪標準，以制定出滿足當地防洪需求的設計方案，不僅保護當地居民的生命財產安，對當地生態環境的持續性發展也可起到積極推動作用。