達溪河河道整治及生態護岸工程設計

李明軍

(崇信縣水利工程建設站，甘肅 平涼 744200)

為實現甘肅省崇信縣達溪河的生態河堤治理，對工程現場進行了實地勘測。測得河道總長度為13.74 km，其中干流長6.89 km，支流總長6.86 km。達溪河生態河堤治理工程河道兩岸分布主要為耕地和林地，河段防洪標準較低，局部河岸岸坡陡立。由于所測該段河道此前從未實施治理，現狀河床寬窄不一，且河道護岸堤防，汛期時不能滿足防洪要求，嚴重制約達溪河流域居民生產生活、耕地及基礎設施的安全和當地經濟發展[1-2]。因此，急需對達溪河段河道進行整治。

在進行工程治理設計時，從不過多改變自然坡降出發，遵從河道治理原則，并考慮盡量減少土方開挖量，治理段河道縱向坡降采取現狀自然坡降。

1 工程總體布置

1.1 干流河道橫斷面選擇

根據河道現狀，并結合地形、地質、工程布置、施工條件、工程量、拆遷占地、投資、美觀效果等因素綜合考慮，選取兩種斷面形式進行比較分析，見表1。

表1 兩種斷面形式的優缺點對比

由表1可知，結合本工程生態景觀需求，并根據類似工程實例，河道斷面選用梯形斷面較為合理。

1.2 堤距確定

根據各河段選出的典型實測斷面，采用平灘流量法計算造床流量。經分析比較，工程段造床流量相當于 2 年一遇洪峰流量。

穩定河寬采用阿爾圖寧公式計算：

式中：B為穩定河寬，m；Q為造床流量，m3/s；J為河床比降；A為穩定河寬系數，1.0～1.7。由于本河段屬于蜿蜒型中上游河段，故A取1.0 。

根據達溪河河道的地形、地質條件、水文泥沙特性、河床演變特點、沖淤變化規律，結合河道實測穩定地坎距離，確定各段堤距。工程區穩定河寬成果及堤距見表2。

表2 穩定河寬計算成果表

2 河堤護砌工程方案比選

2.1 護岸工程形式選定

根據河道現狀岸坡坡度，本次工程擬采用坡式護岸及墻式護岸進行比較選擇，詳見表3。

表3 兩種護岸形式優缺點對比

由于現狀河岸岸坡較陡，坡比1∶0.7～1∶3.0，若采用坡式護岸，坡比1∶2.0或1∶1.5，削坡后即可護坡，土方開挖量較小，且治理后水面較大，增加河道治理美化視覺效果，因此此次護岸型式選擇坡式護岸。

2.2 護坡方案比選

取長10 m迎水坡防護進行比選，護坡高度取5 m，分別采用厚30 cm綠濱墊護坡、厚30 cm漿砌石護坡、厚15 cm混凝土砌塊護坡和厚15 cm現澆混凝土護坡，投資及優缺點比較見表4。

表4 護坡材料比選表

若采用漿砌塊石或干砌塊石護坡造價大，且砌石護坡勞動強度大，施工速度慢；現澆混凝土護坡外形美觀，施工快捷，但施工受天氣、溫度等影響較大，適應變形能力差；混凝土砌塊護坡砌塊縫易滋生草木，破壞護坡，后期維修工作量大；而綠濱墊護坡造價較低，且優點突出，即結構牢固、抗拉、抗剪、抗震、操作簡單、施工方便、生態環保、高抗腐蝕、抗氧化。因此，本次設計采用綠濱墊護坡。

2.3 護岸工程設計

結合設計水位和現狀岸頂高程，治理河段岸線型式主要是護坡和堤防。

2.3.1 堤防工程設計

1) 河堤堤頂高程確定。根據堤頂超高和風浪計算的莆田試驗站公式計算出支流和干流10年一遇洪水的正常段堤防設計參數，見表5。

表5 支流和干流正常堤防段設計參數

由以上計算結果可知，干流、支流防護段統一取10年一遇洪水標準下堤防頂安全超高為1.0 m。因此，本工程堤防段堤防頂高程為10年一遇設計洪水位加1.0 m。

2) 河堤滲流計算。由于達溪河洪水漲落快、堤身高，水位擋水時間較短，不能形成穩定滲流，故本工程滲流計算按不穩定滲流計算。不穩定滲流浸潤線計算示意圖見圖1。

圖1 不穩定滲流浸潤線計算示意圖

滲流在背水坡坡腳出現所需要時間T可按下列公式計算：

(1)

n0=n(1-SW%)

(2)

式中：k為堤身滲透系數，2×10-5m/s；n0為土的有效孔隙率；n為孔隙率，0.33；SW%為飽和度，30%；H為水深，m，P=10%時最大水深為 2.6 m；m1為迎水坡坡率，1.5；m2為背水坡坡率，1.5。

經計算，T=2.6 d。根據設計洪水過程線，主洪峰持續時間一般不超過12 h，小于滲流在背水坡坡腳出現所需的時間T，故浸潤線不會從堤身逸出。

浸潤線鋒面距迎水坡坡腳的距離L按下式計算：

(3)

求得L=6.24 m，而該河堤底寬為14.3 m>6.24 m。

由以上分析及計算可以看出，設計洪水持續時間較短，不能形成穩定滲流，浸潤線不會從河堤坡腳逸出，河堤不會產生滲透破壞。

3) 抗滑穩定計算。為了保證堤防的正常運行，維護工程安全，需要進行堤防的穩定性分析，分析成果見表6。

表6 堤防穩定分析計算成果表

由表6可以看出，各種工況的抗滑穩定最小安全系數Kmin均大于規范允許值，滿足規范要求。因此，堤防護坡結構穩定。

2.3.2 護坡工程設計

結合前文所述堤頂超高，確定本次治理河段護坡護砌至10年一遇設計洪水位以上0.5 m。

綠濱護坡厚度由下式計算：

t=2.0Dm

(4)

(5)

Cv=1.283-0.2lg(R/b)

(6)

式中：t為綠濱墊的最小厚度，m；Dm為填石的中值粒徑，50%的填石粒徑超過該值，用于河道轉彎處外側的綠濱墊填石Dm應乘以系數1.2；S0為粒徑安全系數，1.1；Cs為填石穩定系數，0.1；Cv為流速分布系數；d為流速V處局部水深，m；γs為填石重度，29.5 kN/m3；γw為水的重度，10 kN/m3；V為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，9.81 m3/s；K1為邊坡修整因子，當1∶1.5時，取0.71；R為水力半徑，m；b為水面寬度，m。

經計算得，綠濱墊厚度為0.01～0.36 m。根據類似工程經驗以及便于施工，此次綠濱墊護坡厚度取為0.3 m。根據規定，本工程干流綠濱墊護坡在干流上下游邊界處厚度取0.6 m。

2.4 水力計算

2.4.1 水流平行岸坡沖深計算

平順護岸沖刷深度可按下式計算[3]：

(7)

(8)

式中：hS為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處水深，m；U為行進流速，m/s；Ucp為平均流速，m/s；η為水流流速不均勻系數，可根據水流流向與岸坡夾角α查表得到；Uc為泥沙啟動流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取n=1/4。

對于砂質河床，Uc采用張瑞瑾公式[4]計算：

(9)

式中：γs和γ為泥沙與水的容重，分別為22和9.8 kN/m3；d50為床沙的中值粒徑，取0.011 74 m。

根據計算，達溪河干流沖刷深度為0.37～1.37 m，支流沖刷深度為0.17～1.0 m。則本工程達溪河干流防沖護腳深取1.5 m，支流防護段防沖護腳深取1.0 m。考慮到河道演變規律和已建堤防運行現狀，河底高程會在河道治理后一段時間內下降0.3～0.5 m，因此護腳深度需要相應的加深，最終取達溪河干流防沖護腳深取2.0 m，支流防護段防沖護腳深取1.5 m。

2.4.2 水流斜沖防護岸坡沖刷計算

水流斜沖防護岸坡產生的沖刷計算[5]：

(10)

式中：Δhp為從河底算起的局部沖深，m；α為水流流向與岸坡夾角，(°)；m為防護建筑物迎水面邊坡系數，取1.5；d為坡角處土壤計算粒徑，m；Vj為水流的局部沖刷流速，m/s。

水流斜沖河道凹岸局部沖刷深度計算結果見表7。

根據表7，若水流斜沖河道凹岸沖刷深度小于上節中河道順直段的沖刷深度，則防沖護腳深取順直段的護腳深，否則可按表8取值。

表7 水流斜沖河道凹岸沖刷深度計算表

表8 水流斜沖河道凹岸沖刷深度取值表

3 結 語

達溪河的綜合勘測設計表明，河道治理斷面選定為梯形斷面，根據河岸現狀岸坡坡度，采用坡式護岸型式；結合造價、氣候及材料性能采用綠濱墊護坡。由工程等級確定河道整治中設計洪水均采用10年一遇標準。對浸潤線進行計算表明確定不會溢出，河堤不會產生滲透破壞，堤防護坡結構穩定，水力計算合理，可為工程的安全運行提供支撐，有利于達溪河兩岸防震減災工作開展和改善當地生態環境。本文的工程治理方案可為類似的工程設計提供參考。