灌河生態綜合治理河道清淤疏浚工程設計

王中正，趙中華，趙紅霞，王利永

（1.鄭州市水利建筑勘測設計院，河南 鄭州 450000；2.新蔡縣班臺分洪閘工程維護中心，河南 新蔡 463500；3.新蔡縣汝河工程維護中心，河南 新蔡 463500；4.河南科平工程檢測咨詢有限公司，河南 封丘 453300）

1 工程概況

灌河生態綜合治理工程整合資金項目范圍為灌河煙北頭至鲇魚山干渠跨灌河渡槽，總長度11.72 km。根據整合資金項目資金使用規定，項目工程治理內容包括河道疏浚、生態護岸、岸緣整治和生產路建設。河道清淤疏浚11.72 km，生態岸坡防護共設置2 處，總長度1 345 m，岸緣整治長度7.42 km，岸線現狀保留長度4.30 km，生產路工程包括左岸濱河路（北環路-羅家塆段）和右岸生產路，總長度16.59 km，其中左岸濱河路（北環路-羅家塆段），主路總長2.56 km，路面寬度4.50 m，設置配套建筑物7 座，其中橋梁2 座，涵洞5 座（箱涵1 座，圓管涵4 座）；支路長度0.10 km，路面寬度3.50 m。右岸生產路位于灌河河道右岸樁號4+660（陶家河）～15+616（辛店村洪老營），其中4.50 m 寬瀝青路10 700 m，3 m寬瀝青路1 550 m，2 m 寬塊石路1 680 m，設計車行橋5 座；人行棧橋5 處。

河道疏浚范圍為樁號4+035（煙北頭溢流堰）～15+750（鲇魚山干渠渡槽），疏浚長度11.72 km。疏浚河道基本底寬50 m，局部結合河槽實際情況適當擴寬，基本邊坡1∶3，河道縱向比降為1/1 800。

2 疏浚原則

河道疏浚首先滿足河道行洪要求，同時兼顧生態功能。因勢利導，順應現有河流的流勢，盡量沿現有主泓線布置；河槽盡量順直，但應遵循河流走勢的自然規律，保持必要的彎道，不裁彎取直；現狀的河道比降及兩岸的地面坡降；做到和河道有關的各專項規劃合理銜接，如采砂規劃；上下游河段的銜接，包括與已治理河段河底高程、關鍵攔河建筑底部高程結合。

3 設計要旨

3.1 縱斷面設計

河道縱坡設計和河道中心線的設計皆為河道整治規劃設計的重中之重，其設計的原則是：①規劃的河道縱坡要和原河道縱坡基本一致，可以在局部地段進行調整，使河道縱坡變化趨小，縱坡趨于更合理。②河道縱坡設計要兼顧上下游，盡可能使河道縱坡變化小一些，較陡和較緩的坡段要給予適當的調整，以利水流平穩過渡，避免出現流態發生大的不均勻性，以利于河床的相對穩定。③考慮到河道多數是淤積，而不是下切的情況，在設計縱坡時，盡可能不要填方。

根據以上原則，考慮與上、下游銜接，結合實際勘測成果和水文推算需要，確定設計比降為1/1 800。

3.2 過水斷面設計

河道現狀斷面基本為梯形斷面，設計時仍采用梯形斷面，河道過水能力按明渠恒定非均勻漸變流能量方程進行計算。

3.2.1 基本方程式

因為河道水面曲線的控制斷面一般多在下游，應從下游往上游推算。河道水面線推算以固定邊界、恒定、非均勻、漸變流的能量方程為理論基礎進行計算。

結合河首水流特性，該基本議程式有如下形式：

式（1）（2）中：z2、z1—分別為上、下游斷面水位；Δz—為上下游兩斷面水位差；hf、hj—分別為上下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失；Δhv—為上、下游斷面流速水頭之差，m；v2、v1—分別為上、下游斷面流速，m/s；α2、α1—分別為上、下游斷面動能改正系數。

3.2.2 沿程水頭損失的計算

均勻流的水面曲線用“分段求和法”推求，此法將非均勻流分成很多小段，然后逐段推算，從各小段來看水流則可以近似地認為是“均勻”的，這樣非均勻流沿程水頭損失就可以采用均勻流沿程水頭損失的公式來計算。如果河槽斷面由不同糙率的灘地和主槽所組成的復式斷面，則應根據糙率的不同，將斷面分成多個不同的部分，分別求出各部分的流量模數，并總和求得整個過水斷面的流量模數。

3.2.3 局部水頭損失的計算

河道的局部水頭損失，因所用糙率既反映河槽本身因素（如河床河壁的粗糙程度、河槽形態等）對水流阻力的影響，又反映水流因素（水位高低、含沙量大小等）對水流阻力的影響。因此，在河道上連續存在某些不顯著的局部變化時，其影響已包括在糙率之中，一般是無須考慮的。但在實際工作中發現，河道的寬度有時相差很大，仍有收縮、擴散對水流的影響，故仍以考慮為宜。至于建筑物阻水所產生的收縮、擴散及橋、閘阻力等局部水頭損失，自然必須計算。

式中：ξ—河道收縮、擴散水頭損失系數；其他字母含義同上。

運用水面線的基本方程式，水面線推算即可從下游向上游（緩流段）或從上游向下游（急流段）逐段用試算法進行。將河道劃分為適宜的河段后，根據已經輸入的各斷面測量數據及分段設計數據，給定某方案起始斷面（斷面1）的設計流量與起始水位之后，程序自動假設下一斷面（斷面2）的水位并按基本方程式求出該斷面的計算水位，比較假設水位和計算水位的差值，如差值不滿足精度要求，則程序判別后重新假定水位，重復試算，直到滿足精度為止；若差值滿足精度要求，程序即以此計算水位為已知，繼續進行下一斷面（斷面3）的水位假設與計算，反復試算到方案結束，接著進行其它方案的計算。另河道過攔河建筑物時，根據建筑物形式考慮了部分雍高。

3.2.4 邊坡系數確定

河道邊坡系數應根據河床土的類別或護面情況而定。項目區內的河床內地層巖性主要為細砂、中砂、粗砂，局部表層為素填土和粉土，結構松散，根據類似工程經驗，擬定河道邊坡為1∶3。

3.2.5 糙率選定

河床糙率n值與河床土質、護面情況、維修養護和河道運行情況等有關。根據《灌溉與排水工程設計標準》附錄E的說明，并參照近些年治理工程的成果，考慮治理段河槽土質、灘地附著物等情況，綜合分析選定河床和灘地糙率采用2.50×10-2和3.50×10-2。

3.2.6 設計底寬及灘地寬度確定

治理段設計底寬及灘地寬度根據現狀河寬、與已治理段設計成果相銜接和保證安全行洪面積協調設定，另考慮項目實施中與河道生態建設、岸緣整理相結合，在不縮減最小行洪斷面的基礎上，適當擴挖斷面，形成多元化的斷面形式，參照信陽市水利勘測設計院2013年8月編制完成《河南省信陽市商城縣灌河（13+500～18+750段）治理工程初步設計報告》，并于2016年實施完成。此段河道主槽疏挖底寬35 m，兩岸灘地300 m寬。河道疏浚時，主槽設計基本底寬為50 m，局部結合河槽實際情況適當擴寬，灘地寬度為300 m。

3.3 邊坡穩定計算

根據擬定河道邊坡進行穩定計算，采用河海大學《水工結構有限元分析系統Autobank5》軟件進行計算。選定施工完建期和水位驟降期臨水坡穩定兩種工況進行計算。

計算選取樁號4+800斷面作為典型斷面分析岸坡穩定，該段土物理力學指標見表1，計算結果見表2。

表1 河道典型斷面岸坡土物理力學指標表

表2 河道邊坡抗滑穩定計算成果表

通過計算典型斷面河道邊坡抗滑穩定系數滿足規范要求。

4 結語

灌河作為商城縣的主要防洪河道，境內長度108 km，控制流域面積1 280 km2，占商城縣面積的60%，兩岸分布有村鎮、大量農田和林地，河道多年未進行系統治理，河道淤積嚴重，河道行洪不暢，岸坡抗沖能力差，汛期極易受洪水侵害，加之商城縣洪澇災害頻發，平均2-3年一次，易給沿岸人民群眾和糧食生產造成安全隱患和風險。商城縣灌河生態綜合治理通過對灌河清淤疏浚和生態岸坡防護，規整水流、穩定河勢，并與灌河已治理段相銜接，完善灌河防洪減災工程體系，提高河道防洪能力。