規劃階段水利工程河道防洪治澇設計

◎董莎莎 寧波市鄞州區水利水電勘測設計院

1.引言

洪水的成因有很多：暴雨、嚴重的水風、不正常的漲潮、海嘯、大壩、水位、蓄水池或其它水結構的失效。很多河流經常會被洪水淹沒，這就是所謂的泛濫平原。雨水或下雪時，池塘或泥土里的水分會被草木所吸收，有些會被蒸發掉，剩下的則會以地面上的徑流形式流動。當池塘、湖、河床、泥土、植物不能完全吸收水分的時候，就會出現水災。從陸地上流出的水無法通過河流輸送到自然的水塘、湖和人工蓄水池。30%的降水量是很少的，而且隨著雪的消融，這種數量也會越來越多。洪水一般是由于暴雨造成的，有時由于積雪融化而增多。如果沒有事先的預警，就會快速上漲，這就是所謂的洪災。為了避免洪災對人們日常生活和生產工作造成影響，提高水利工程的防洪效果，下述將開展規劃階段水利工程河道防洪治澇的設計研究。

2.工程概況

以某地區水利工程項目為依托，為保證防洪、排澇的安全，應采取行之有效的措施，緩解城市建設對河道生態環境的影響。本項目全長7.6公里，新挖出5.8公里的截流河道，對原有河道進行了拓寬，洪水等級為100年一遇、200年一遇、50年一遇的內澇控制標準。新截流河段的河床寬度為70～110米，河床的設計控制水位為5.12米，河床為梯形復式斷面[1]。通過減小雨水的排泄距離，降低截流河道的泄洪壓力。在原有兩條河道的基礎上，又增設了一條南北連通的水渠。南北連接溝全長1.9千米，南部43公尺。河堤的設計控制高程為2.9米，河段為梯形復式，南段的連接渠道全長1.9公里[2]。河床為長方形，河床設計控制水位為5.9米，河床下寬35米。

3.規劃階段水利工程河道防洪治澇

3.1 水利工程河道堤防結構設計

為了達到防洪、排澇的目的，必須對現有河道進行拓寬，并對違法占道的設施進行清理。同時，根據水利工程河道具體情況，完成對堤防結構的設計。針對上述依托的水利工程項目，在工程所在區域內由于洪水的突然爆發，會帶來大量的碎石，這些碎石會給堤壩帶來很大的沖擊，嚴重影響到工程區的安全。同時，由于內部基礎的強度和軟弱的基礎厚度都很大，因此，豎向護岸容易發生不均勻的沉陷[3]。采用斜坡式防洪堤，具有材料充足、工期短、施工工藝簡單等優點。因此，從整體上看，采用坡面式護岸是堤型的最佳選擇。在對堤防寬度進行設計時，將提升河道防洪治澇的安全性作為目標。通過合理的拓寬，可以有效降低河道內水流的速度，同時可將下述公式作為河道寬度計算依據：

公式中，D表示水利工程河道水面寬度；A表示闡述系數，Q在本文中A的取值為1.5；表示造床流量；J表示河床比降。通過上述公式可以計算得出水利工程河道斷面的頂寬和底寬。在此基礎上，還需要確定堤防的高度，堤防超高通常包含波浪排高、風壅增水高度以及安全加高，將各項參數通過測量和設計得到后，將其數值綜合作為河道堤防的超高[4]。通過上述計算，按成對河道堤防斷面的設計，如圖1所示。

圖1 水利工程河道堤防斷面設計圖

在充分考慮到河道堤防穩定性的前提條件下，結合上述水利工程項目基本概況，將該河道堤防的邊坡系數設置為1:1.25。除此之外，對水利工程河道堤防使用的建筑材料選用鉛絲籠、塊石、柴草，將其應用在護岸以及各個基礎結構上。將護坡的襯砌厚度設置為0.25m，將基礎結構的襯砌厚度設置為0.65m。

3.2 清除河道阻水物

通過對水利工程河道分析得出，主要阻水物可分為三種類型，第一種，跨江橋涵和水閘的孔口偏小、底板偏高、壅水導致上游水位升高；第二種，導流樞紐加固大壩，使上游水位升高；第三種，排水管溝被非法劃線、違章建筑、占用行洪段、阻礙養護和管理。針對規劃區域內水利工程河道沿線影響防洪安全的阻水物，根據相關規定進行清除[5]。在實施過程中，要針對不同的障礙，進行具體的分析，逐個處理。對歷史上形成的各種有礙行洪的橋、涵、閘、壩，要仔細地研究，查明其現存的作用，凡是已經結束使用功能的建筑物、構筑物，應盡快拆除，不留痕跡，如已喪失灌溉引水功能的水閘、水壩等；對仍可利用的攔洪工程，必須按照規劃凈空的規定進行改建或拆除。

清除河道阻水物后，河床的設計標高和底板高度有很大的差異，如果在清淤中不采取有效的措施，勢必會導致堤壩的地基不穩定而坍塌。在進行松木樁施工時，為了能將倒灌和滲入的少量水流集中在河道低洼處，不會對工程造成任何影響。松木樁材選用松木，樹干直徑不低于100 mm，質量優良，單邊彎曲不得超過2%，整體無枯節、透心、穿心裂。為了增強松木樁的防腐耐用性，在施工之前，可以將樁身的一端削尖，然后用火將樁身表面燒成炭化。在進行樁身施工時，采用機械打樁方式，樁身在持力層內不少于1m，同時保證樁的軸向偏移不超過5-6cm，并對樁的保持層和樁頂高度進行控制。拋石為塊石，石料選用微風化石，禁止使用風化石、強風化石。在實施中嚴格按照尺寸分布，拋出的塊石重量超過50kg，孔隙率不超過75%，孔隙度不超過25%，用大塊石頭做頂板，確保工程質量。在進行拋石之前，要先把石頭放入水中，然后用竹子之類的東西做記號，然后在漲潮的時候用小船把石頭運到工地進行人工投擲，或者是在岸上直接扔石頭。拋入時應注意拋準、拋勻、拋足，應遵循由上而下、由遠到近、由深到淺、由點到線的先后順序，逐步進行，分層拋入，不能亂拋，否則會影響工程質量。

3.3 設置防洪治澇生態護岸

規劃階段對水利工程河道防洪治澇的設計主要是為了防止洪澇問題的產生，或盡可能減少洪澇災害對水利工程項目以及周圍地區造成的威脅。基于此，在完成對河道堤防結構的設計和對河道當中阻水物的清除后，通過設置生態護岸的方式，也能夠在極大程度上提升河道的承泄能力。通過生態護岸的設置可以有效提高河道邊坡的穩定性，同時也能達到美化環境的效果。可采用植物護岸的方式，護岸形式充分發揮了天然景觀與生態功能，采取了以植物為主體的緩坡進水方式，加強了水生植物和親水植物的使用。本方法的目的在于利用植物本身的生物固定和凈化功能，并在不同的植物之間形成一個多樣化的濱水區景觀。圖2為植物護岸基本結構示意圖。

圖2 植物護岸基本結構示意圖

除此之外，還可采用人工仿生材料護岸，這種生態護岸是指利用生態磚、生態袋、仿木樁等人造仿生材料進行圍堰施工，不僅可以達到圍護結構的穩定、抗沖刷性能，而且還能滿足河道生態建設的需要。針對生態護坡的施工，結合洪澇發生時間、工程特點等，將施工順序規劃為：基礎開挖——碎石墊層——墻身砌筑——預制砌塊壓頂——土方回填。在具體施工中，按照這一流程進行，確保生態護岸充分發揮其防洪治澇的作用。

4.防洪治澇效果分析

為實現對上述河道防洪治澇設計方案應用可行性的驗證，將設計方案導入到DHI MIKE FLOOD軟件中，并通過設置2年一遇降雨情況和50年一遇降雨情況兩種條件，對應用設計方案后的水利工程河道承泄能力進行分析。選擇將兩種降雨情況條件下的河道積水深度作為評價河道承泄能力的指標，若河道積水深度越淺，則說明越不容易出現內澇，河道承泄能力越強；反之，若河道積水深度越深，則說明越容易出現內澇，河道承載能力越弱。通常情況下，在水利工程當中，規劃階段要求的河道積水深度不得超過15cm。基于這一要求，對應用本文上述防洪治澇方案后的水利工程河道的積水情況進行記錄。選擇將河道劃分為5個分區，并分別編號為HD-#1、HD-#2、HD-#3、HD-#4和HD-#5，針對五個分區分別測定其不同降雨條件下的河道積水深度，并得到如表1所示的結果。

表1 不同降雨條件下河道積水深度記錄表

從表1中記錄的數據可以看出，無論是在2年一遇的降雨條件下，還是在50年一遇的降雨條件下，應用本文上述提出的防洪治澇方案后，該河道五個分區的積水深度均沒有超過標準設定的15cm范圍。因此，通過上述驗證本文在規劃階段提出的河道防洪治澇方案在實際應用中可以有效促進河道承泄能力的提升，減少甚至避免出現內澇災害問題，大大提高水利工程的安全性和抗災能力。

5.結束語

針對部分地區水利工程中河道洪災內澇情勢，提出了一種新的防洪治澇方案，并實現了對該方案可行性的驗證。在實際開展對水利工程河道的防洪治澇時，還應當充分遵循整體與局部原則。水利項目是關系到人民群眾的正常生產與生活，因此，在進行水利項目規劃時，必須從全局的角度來考慮，以提高水庫的綜合效益。尤其是在河道防洪治澇設計時，要重視下游及兩岸洪水防御，并強化治水問題。同時，規劃設計單位應明確項目建設的總體任務，對洪水進行有效地防護與疏導。在施工中，要強化主次與重點相結合，尤其是在名勝古跡、交通要道、農田要地等方面，要從全局上考慮，才能更好地兼顧整體和局部，充分發揮水利工程的建設作用。