黃河蘭州段城區(qū)堤防維修加固技術方案探析

吳志剛

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

黃河在蘭州市境內(nèi)流經(jīng)西固區(qū)、安寧區(qū)、七里河區(qū)、城關區(qū)、皋蘭縣、榆中縣，境內(nèi)河長146.7 km，其中西柳溝口至桑園峽口的47.5 km 為蘭州市城區(qū)河道段，其余為鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道段，黃河蘭州市城區(qū)段河道演變示意圖見圖1。自建國以來，蘭州段雖然加大了河道治理力度，修建了防洪設施，但防洪體系不完善，工程設防標準高低不一，仍造成多次洪災險情。尤其是2012 年7 月[1]，受強降雨天氣的影響，黃河上游共和縣境內(nèi)龍羊峽水庫和永靖縣境內(nèi)劉家峽水庫泄洪流量加大，導致黃河蘭州站流量持續(xù)38 天超過2000 m3/s，7 月30 日當天，蘭州站洪峰流量接近3900 m3/s。此次強降雨造成沙井驛、鹽場堡、體育公園、秀川街道、河口鎮(zhèn)、青白石街道等多處河堤塌方，大部分河段漫堤。據(jù)統(tǒng)計，7 月強降雨以來，共計造成黃河河堤損毀總長21855 m，損毀泵站53 座，農(nóng)灌渠道10600 m，管道770 m，其他經(jīng)濟損失，包括農(nóng)作物、經(jīng)濟作物、房屋、道路等，共計1.42 億元。2012 年黃河上游段，尤其是蘭州城區(qū)段暴露出現(xiàn)狀防洪形勢非常嚴峻、防洪基礎設施極為薄弱、河道管理問題比較突出等許多問題和安全隱患，進行河道防洪整治工程建設勢在必行。

圖1 黃河蘭州市城區(qū)段河道演變示意圖

2 存在的問題

黃河上游河道現(xiàn)狀防洪基礎設施極為薄弱是共性問題，而各市州存在的主要問題也有所不同，蘭州城區(qū)段防洪情況存在的問題如下:

(1)蘭州市城區(qū)段防洪堤建設較城市發(fā)展建設滯后，造成城市防洪體系不完善。蘭州市城區(qū)段河道也擴展至西起西柳溝口、東至桑園峽口的47.5 km 范圍內(nèi)，除已經(jīng)建成的防洪堤和不需防護的天然陡坎外，尚有15.195 km 的河岸線無任何防護，致使蘭州市防洪體系不完善。

(2) 由于當?shù)刈匀粭l件、經(jīng)濟落后因素和建設資金限制，黃河上游甘肅段，特別是蘭州段防洪設施建設投入不足，防洪能力偏弱，后期堤防建設標準不一、質(zhì)量差別大，部分堤防運行時間較長，堤防老化及損壞。經(jīng)檢測，部分擋墻壓頂斷裂，壓頂與擋墻頂部脫開;個別段落堤頂有不均勻沉降現(xiàn)象;部分擋墻受水流頂沖、淘刷造成基礎外露或埋置深度不足等現(xiàn)象[2];根據(jù)地質(zhì)雷達測試結果顯示部分段落存在異常區(qū)域，推測異常為堤身不密實。

(3)通過在蘭州市城區(qū)段實測124 條水文大斷面，實測兩岸堤頂高程，并進行洪峰流量為6500 m3/s 時的水面線和超高的計算，經(jīng)分析后有29.945 km 防洪堤存在超高不足、達不到百年一遇設防標準的問題[1]。

3 處理措施

西柳溝至桑園峽的河道為蘭州市城區(qū)段，其中38.71 km為蘭州市城區(qū)防洪的重點治理段，按100 年一遇洪水標準設防。城區(qū)段防洪工程建設的措施主要是通過堤防新建和維修加固加高舊堤，具體措施通過病險段典型斷面加固方案來分析。

3.1 新建堤防典型方案

此次黃河蘭州城區(qū)段新建堤防方案，根據(jù)堤防所處位置，結合地形特點和沿岸已有建筑物，分為一級重力防洪墻機構、復式斷面結構和樁基基礎，篇幅所限，僅以復式斷面結構形式進行分析。

對于城區(qū)內(nèi)左岸“上坪村段”“青白石段”及右岸“雁灘北面灘村段”新建堤防，為結合城市規(guī)劃，提高城市的景觀效果，也使行人更接近水域，達到人與自然的結合，采用復式斷面的防護形式，即:下部結構為重力式防洪墻，采用C25混凝土澆筑，墻高為3 m～6 m，墻前后基礎開挖坡比為1∶1.25，防洪墻澆筑完成后墻前采用開挖料或者塊石回填，回填線應按原有地形標高恢復，并保證高度在防洪墻基底3 m 以上。重力式防洪墻為俯斜式結構，設計墻頂寬度為0.65 m，背坡坡比為1∶0.35～1∶0.45，面坡坡度為1∶0.1，同時設置1 個擴展墻趾臺階和1 個擴展墻踵臺階，高0.8 m，寬0.8 mm。防洪墻應間隔15 m設置2 cm伸縮縫一道，內(nèi)塞高密度聚乙烯閉孔泡沫板，內(nèi)、外、頂三側采用填塞聚氯乙烯膠泥封口，填深為3 cm。墻后設置6 m 寬的游覽道，游覽道高程與墻頂高程相同，臨河側設置鋼藝欄桿。

上部景觀加筋土擋土墻是由工廠生產(chǎn)成品墻面板、拉筋和填土構成。墻面板采用自嵌式擋土塊，擋土塊強度要求不低于MU20，每層厚度不小于15 cm，上下兩層擋土塊之間采用錨固棒連接，錨固棒長度不小于20 cm，設計墻體坡面坡度為1∶0.3，墻頂設30 cm 厚的C25 現(xiàn)澆砼壓頂，上部安裝混凝土預制欄桿。

墻后進行堤身填筑，要求采用碎石土夯填，不得采用濕陷性土、淤泥及其他材料填筑。填筑時每40 cm 設一層80 kN/m的土工格柵，上下層格柵的長度一樣。擋土塊后沿墻體在兩層土工格柵之間鋪設一層無紡反濾土工布，規(guī)格為350 g/m2。防洪墻自嵌式擋土塊下部設C25 混凝土基礎，以防止防洪墻基礎下的地基被掏空及維持防洪墻基礎的穩(wěn)定。背水側采用生態(tài)護坡，坡面坡度為1∶1.5。新建堤防典型斷面見圖2。

圖2 新建堤防典型橫斷面圖

3.2 堤防維修加固堤防典型方案

(1)堤防垮塌重建方案

2013 年10 月底蘭州城關大橋段長113 m 堤防發(fā)生垮塌，經(jīng)詳細排查，城關黃河大橋左岸上起音樂噴泉、下至大沙溝一泵站長約650 m(K28+760～K29+410)的堤防均存在險情，急需維修加固。樁號28+917～29+130 段加固方案如下:

該段原堤防防洪墻基本完好，不拆除，采用墻前加固的維修方案，即原防洪墻前新建懸臂防洪墻，基礎采用樁基結構[2]。井樁雙排布置，樁間距3.4 m，樁徑1 m，樁長伸入基巖下3 m，為C25 鋼筋砼灌注樁。承臺為現(xiàn)澆C25 鋼筋砼結構，寬5.2 m，厚1.5 m，立板軸線距離承臺后緣3.6 m，立板高4.5 m，厚0.4 m，立板上部為便于欄板安裝設計成擴大頭，近似牛腿狀，頂寬0.8 m，高0.4 m，漸變段長0.5 m，立板下部前后均設0.3 m×0.3 m 的貼角。立板防洪墻設Φ50 排水孔兩排，間距2.0 m，梅花狀布置，墻后鋪設150 g 土工布進行反濾。墻頂設預制C25 鋼筋砼欄桿，高度1.26 m，與現(xiàn)有堤防欄板結構一致。承臺及立板防洪墻每19 m 設伸縮縫一道，縫寬3 cm，填塞聚乙烯閉孔板及聚氯乙烯膠泥。立板下設縱向施工縫，采用400×3 mm 鋼板止水。

懸臂式防洪墻與原堤防之間采用砂碎石料分層夯填至堤頂，要求相對密度不小于0.65，為保證砂碎石料夯填密度又不破壞原有堤防的穩(wěn)定性，建議使用小型機械進行夯填。在立板防洪墻臨河側預留濱水綠道，綠道寬5 m ，采用格賓石籠護砌，為防止洪水對其破壞，在臨水側上部采用格賓石籠加固護坡，厚0.5 m，深3 m，下部采用鋼筋石籠護腳，厚2 m，深3 m。城關大橋段垮塌重建典型斷面見圖3。

圖3 垮塌重建典型斷面圖

(2)原有兩級防洪墻間增加抗沖刷措施

經(jīng)過對沿線堤防的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)黃河南岸蘭化106 油庫段(2+500～3+600)堤防為兩級防洪墻復式斷面，下級防洪墻基礎受水流沖刷較大，兩級防洪墻之間馬道未硬化。對該段堤防的加固方案為:拋石固腳+馬道硬化。一級防洪墻基礎臨水側采用拋填塊石粗化固腳加固，防止基礎繼續(xù)掏刷，拋石寬度為4.5 m，拋石平臺表面設置一層厚0.4 m 格賓網(wǎng)石籠護坡，網(wǎng)內(nèi)填充物采用卵石、塊石或片石，空隙率不超過30%。兩級防洪墻之間上、下依次加鋪C25 混凝土、5%水泥穩(wěn)定砂礫墊層，厚度分別為20 cm、15 cm。

圖4 黃河南岸蘭化106 油庫段典型斷面圖

(3)已建堤防高度不足段加高措施

對現(xiàn)狀復式斷面堤防堤頂高程低于設計堤頂高程在0.5 m～1.0 m 的已建段，為與城市景觀相協(xié)調(diào)，采用在復式斷面坡頂新建鋼筋混凝土花池護欄，以達到設計堤頂高程。花池護欄每12 m 為1 段，由兩段花池和一段欄板組成，花池采用C25 現(xiàn)澆鋼筋混凝土，每個花池長5 m，寬1.5 m，高1 m，底板及四周側墻厚度均為0.25 m，花池內(nèi)部填充腐殖土，種植花草。欄板段長2 m，寬度與花池擋水側墻體等厚，并整體澆筑，高度為1.2 m。為保證花池的穩(wěn)定，將基礎開挖1 m 深，換填砂礫石，砂礫石上設10 cm 的C10 砼墊層。堤防加高典型斷面見圖5。

圖5 堤防加高典型斷面圖

3.3 新建護岸典型方案

新建坡式護岸分為上部護坡和下部護腳兩個部分。根據(jù)岸坡地形地質(zhì)情況、水流條件和材料來源，下部護腳采用拋石護腳，設計枯水位高于護坡河灘地面線時，設置拋填塊石枯水平臺，枯水平臺頂部高程高于設計枯水位0.8 m，枯水平臺寬度3.5 m，拋填塊石坡度約為1∶2，設計枯水位低于護坡河灘地面線時，砂礫石層河床段開挖至原地面線以下1.0 m，底部開挖寬度0.5 m，開挖邊坡1∶1.5，拋填塊石至原地面線做為拋石護腳。細砂層河床段開挖至原地面線以下2.0 m，底部開挖寬度0.5 m，開挖邊坡1∶1.5，拋填塊石至原地面線做為拋石護腳。

根據(jù)河岸地質(zhì)條件和地下水活動情況，上部護坡采用格賓網(wǎng)護坡[3]，技術要求見表1。護岸工程頂高程采用10 年一遇洪水位加0.5 m 超高，當?shù)孛娓叱痰陀谧o岸頂高程時，護至原地面即可，護岸頂設0.5 m 寬格賓網(wǎng)石籠封頂。臨河高坎高于護岸工程頂高程時，開挖護岸頂高程以上邊坡至穩(wěn)定邊坡，砂礫石或粉質(zhì)壤土層開挖邊坡1∶1.25，細砂層開挖邊坡1∶1.5，護岸典型斷面圖見圖6。

表1 格賓網(wǎng)護坡技術要求

圖6 新建護岸典型斷面圖

4 結論及建議

黃河蘭州城區(qū)段河道整治工程的任務是防洪，通過新建堤防、護岸及加固改造堤防工程，可以提高沿河兩岸的防洪能力，保障兩岸人民生命財產(chǎn)安全，促進當?shù)亟?jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。本次防洪建設工程堤防新建堤線總長13.795 km，維修加固堤線總長41.35 km，新建護岸工程5.08 km。河道整治于2020 年年底完工，河道整治后進一步提高黃河干流蘭州城區(qū)段防洪能力，對當?shù)亟?jīng)濟社會的發(fā)展意義重大。