蛤蜊河設計水面線推求及防護方案分析

劉兆楠

(大連市水務集團水研究院有限公司，遼寧 大連 116100)

河道綜合治理工程旨在改善河道防洪能力不足，岸坡穩定性較差的現狀。通過實施河道治理工程，可以提高河道防洪標準，保障河道沿線居民的安全，促進當地經濟、社會發展。河道綜合治理工程涉及到多個學科，是一個復雜的工程。河道沿線地質條件復雜，治理工程里程較長，因此，選取適宜的治理方案，可以節約工程投資，保障工程安全[1-3]。

1 工程概況

蛤蜊河治理工程的主要任務對河道兩岸堤防進行加高、局部河段清除河底漂石、對兩岸岸坡進行賓格網箱防護等，并使河道滿足防洪要求、岸坡穩定及抗沖刷要求；同時對岸坡通過換填種植土、撒播草籽、種植楓楊等綠化種植措施，使河道達到生態景觀的需要；在河道兩岸有排水要求的堤防上修建排水涵，滿足兩岸排水要求。蛤蜊河步云山鄉段防洪標準應為10～20年一遇。綜合考慮謙泰村在步云山鄉未來的發展定位和目標，蛤蜊河謙泰村段(步云山大橋至馬屯大橋、29+143—32+207)采用20年一遇防洪標準，其他河段(23+400—29+143、32+207—34+150)采用10年一遇標準設防。

2 水面線推算

2.1 計算條件

2.1.1計算范圍

本次水面線計算范圍為蛤蜊河步云山鄉東地橋向上游至呂家屯(23+400—34+150)，計算河長10.75km。

2.1.2地形資料

本次有實測1∶500平面帶狀地形圖及實測現狀橫斷面圖，水面線計算采用設計河道平面及斷面、并結合現狀進行水面線推求。

2.1.3起推水位

計算段河道為緩坡，自下游向上游推求水面線。本次起推位置采用治理段下游起點(23+400)向下游2.5km處，治理段以下2.5km的河道橫斷面采用《大連市蛤蜊河河道治理規劃報告》中橫斷面，該處水位采用明渠均勻流計算，通過計算該處10年一遇設計洪水水位為140.14m，向上游推求到治理起點23+400處水位為151.94m。則，本次治理段起點10年一遇起推水位為151.94m，采用此水位作為蛤蜊河治理段的起推水位向上游推求水面線。

2.1.4控制斷面處水位

治理后河道上穿河建筑物有莊蓋高速橋下過水路(25+143)、老虎汀過水路(30+556)、攔沙跌水壩5～1(26+929、27+036、27+128、29+242、29+319)。

在過水路及攔沙跌水壩處按照堰流計算該斷面水位，并以此為水位繼續向上游推求水面線。

堰流計算公式，具體如下：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；B—堰長，m；m—流量系數；σs—淹沒系數；σc—側收縮系數，無測收縮，取1；H0—堰前水頭，m；H—堰上計算水深，m。

通過判斷，4#攔沙跌水壩為淹沒出流，其余均為自由出流的實用堰，堰上水深計算成果見表1。

表1 各控制斷面控制水位計算成果表

2.1.5糙率選取

河道糙率取值參考《水力計算手冊》中的河道糙率表，然后結合本次治理后河道的實際情況綜合確定。

通過對治理段河道的現場勘查并結合治理后河道的實際情況分析，河道彎道較多、斷面較規整、河道較寬、水流較通暢、河床為卵石，河道糙率采用0.033。

2.2 計算方法

本次水面線的推算方法是依據能量守恒定律，自下游向上游逐斷面推算水面線，主要公式如下：

(2)

(3)

2.3 設計成果

河道水面線計算成果如圖1所示。

圖1 蛤蜊河10年一遇設計洪水位計算成果表(23+400—29+143)

3 堤防工程

3.1 堤防設計

3.1.1堤防斷面設計

河道堤防為土堤，設計堤頂寬度為3m，根據穩定計算，堤防迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比為1∶2.0。

堤防加高培厚采用河床開挖料回填，河床開挖首先去除表層漂石，用于附近河床整平，漂石以下土層開挖用于堤防填筑。

3.1.2堤防超高計算

堤頂超高由下式計算：

Y=R+e+A

(4)

式中，Y—堤頂超高，m；R—設計波浪爬高，m；e—設計風壅增水高度，m；A—安全加高，按不允許越浪取0.5m、0.6m。

堤頂超高計算結果見表2。

表2 堤頂超高計算成果表

設計堤頂高程成果如圖2—3所示。

圖2 左岸堤頂設計高程

圖3 右岸堤頂設計高程

圖4 標準斷面1

圖5 標準斷面2

3.2 防護設計

3.2.1防護型式比選

本次治理河段流速基本都大于2m/s，需采用硬質護坡。結合本工程特點，防護型式的選擇應滿足抗沖要求，又應該符合生態景觀要求，本工程采取兩種方案。

方案一是賓格網墊護坡。該方案采用編織的聚脂膜賓格網墊內回填塊石，其結構為柔性結構，整理性好，抗沖流速大，并具有透水性、透氣性，可形成自然生物帶，生態效果較好，網墊表層也可覆土種植，可以實現景觀種植要求，其造價較高。

賓格網墊護坡既能滿足結構穩定，又能覆土種植滿足景觀要求，且該方案現在應用廣泛，效果較好。工程大部分護坡均采用賓格網墊護坡。

方案二是干砌石護坡。該方案結構簡單，適用廣泛，與賓格網墊相比，抗沖流速低，但其造價低于賓格網墊護坡。

干砌石護坡結構簡單、造價較低，因此在現狀沖刷不大的治理段末端漂流段采取干砌石護坡，節省造價。

3.2.2防護結構設計

根據不同河段沖刷程度，堤防迎水坡防護型式設計為4種，為標準斷面1—標準斷面4；另外，老虎汀左岸交通路路基和喬溝右岸交通路路基采用混凝土擋土墻防護；下游漂流段右岸緊鄰交通路，所以，在堤肩與路之間建設防浪墻[7]。

(1)標準斷面1

應用于河道較順直、現狀沖刷較小的河段凸岸，在治理段下游，總長1.96km。

堤防迎水坡采用干砌石護坡，護坡厚度250mm，堤頂防護長度0.5m，護坡下鋪設400g/m2無紡布反濾；護腳采用1.0m×1.0m賓格網箱防護，護腳下鋪設400g/m2無紡布反濾；塊石粒徑不小于200mm，塊石強度等級MU40；護腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設計洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5×1.5m布置，楓楊種植采用生態袋(袋裝種植土)，生態袋尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設計洪水位與堤頂之間鋪設種植土100mm厚，并播撒草籽。

(2)標準斷面2

應用于現狀沖刷較重、岸坡坍塌的河段或凹岸，及羅島周圍岸坡，總長6.438km。

堤防迎水坡采用賓格網墊護坡，護坡厚度500mm，堤頂防護長度0.5m，護坡下鋪設400g/m2無紡布反濾；護腳采用賓格網箱防護，網箱采用“L”型，水平防護長度為2.5m，防護厚0.5m，前沿防護深為1.0m，護腳下鋪設1層400g/m2無紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強度等級MU40，網孔80mm×115mm；護腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設計洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5m×1.5m布置，楓楊種植采用生態袋種植，生態袋尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設計洪水位與堤頂之間鋪設種植土100mm厚，并播撒草籽。

(3)標準斷面3

應用于大部分河段，總長13.519km，應用具體河段如圖6所示。

圖6 標準斷面3

堤防迎水坡采用賓格網墊護坡，護坡厚度300mm，堤頂防護長度0.5m，護坡下鋪設400g/m2無紡布反濾；護腳采用賓格網箱防護，網箱采用“L”型，水平防護長度為1.5m，防護厚0.5m，前沿防護深為1.0m，護腳下鋪設一層400g/m2無紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強度等級MU40，網孔80mm×115mm；護腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設計洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5m×1.5m布置，楓楊種植采用坑換種植土，種植坑尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設計洪水位與堤頂之間鋪設種植土100mm厚，并播撒草籽。

(4)標準斷面4

應用在老虎汀右岸，現狀干砌石護坡較完整、坡腳被沖毀段，總長0.722km。如圖7所示。

圖7 標準斷面4

保留現有干砌石護坡，重新修建護腳，護腳采用斜墻式賓格網箱防護，斜墻網箱高2.0m，基礎埋深1.0m，網箱尺寸采用3m×1.5m×1.0m。網箱下鋪設一層400g/m2無紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強度等級MU40，網孔80mm×115mm；護腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

3.2.3護坡厚度計算

賓格網箱護坡厚度計算采用《生態格網結構技術規程》中公式，公式及計算過程如下：

t=2.0Dm

式中，t—網墊最小厚度，m；Dm—填石的中值粒徑，m；S0—博粒徑安全系數，；Cs—填石穩定系數，；Cv—流速分布系數，；d—流速V處局部水深，m；V—斷面平均流速，m/s；γs、γw—填石、水的容重，kN/m3，取26.5kN/m3和10.0kN/m3；K1—邊坡修正因子，坡度1∶2.5時取0.94。

選取典型斷面一25+200處(河道較順直、現狀沖刷較小的河段凸岸)：流速為3.56m/s，堤腳處水深為2.68m。通過計算Dm=0.09m，t=0.17m，故本次設計賓格網墊護坡厚度為0.25m，網墊內要求填石粒徑不小于200mm。

選取典型斷面二30+200處(大部分河段)：流速為4.09m/s，堤腳處水深為1.99m。通過計算Dm=0.13m，t=0.26m，故本次設計賓格網墊護坡厚度為0.3m，網墊內要求填石粒徑不小于200mm。

選取典型斷面三31+100處(現狀沖刷較重、岸坡坍塌的河段或凹岸)：流速為5.56m/s，堤腳處水深為3.77m。通過計算Dm=0.24m，t=0.48m，故本次設計賓格網墊護坡厚度為0.5m，網墊內要求填石粒徑不小于200mm。

3.2.4沖刷深度計算

河道沖刷計算采用GB 50286—2013《堤防工程設計規范》附錄D中公式，公式及計算過程如下。

水流平行于岸坡產生的沖刷深度計算：

式中，hs—局部沖刷深度，m；H0—沖刷處的水深，m；Ucp—近岸垂線平均流速，m/s；Uc—泥沙起動流速，m/s；U—行進流速，m/s；n—岸坡形狀系數，；η—水流流速不均勻系數；γs、γ—泥沙與水的容重，kN/m3。

計算分別針對流速較大段和轉彎段進行沖刷計算，轉彎段選取樁號為30+900，流速較大段選擇樁號28+000為最不利典型斷面，計算結果見表3。

表3 護岸沖刷深度計算結果表

根據歷史沖刷調查，較順直河段沖刷深度較小，在轉彎河段凹岸沖刷較嚴重。所以根據計算結果并結合實際情況，本次設計護腳采用“L”型賓格網箱型式：在較順直河段護腳水平鋪設長度采用1.5m、防護厚0.5m、前沿防護厚為1.0m；轉彎段凹岸加大護腳尺寸，水平鋪設長度采用計算深度的1.5倍，即水平鋪設長度為2.5m、防護厚0.5m、前沿防護厚為1.0m。

3.3 堤岸岸坡滑動穩定分析

堤防邊坡抗滑穩定計算分4種工況：

(1)穩定滲流期(設計水位)的背水坡；

(2)水位驟降期(堤前水深為設計水深的1/3)的臨水側岸坡；

(3)完建期的臨水側岸坡；

(4)完建期的背水側岸坡。

滑弧穩定計算利用理正巖土計算軟件，采用瑞典圓弧法，選擇典型斷面進行計算[4-6]。

3.3.1計算參數選擇

根據地勘資料，現有河道河底卵石的容重均為19.6kN/m3，飽和容重為22kN/m3，黏聚力為0，內摩擦角36°。由于堤防采用河道原狀土(卵石)回填，因此填筑料容重采用19.6kN/m3，飽和容重為22kN/m3，黏聚力為0，內摩擦角36°。

3.3.2計算典型斷面

正常運用時期為工況(1)—(2)。選取堤防最不利斷面23+800作為計算典型斷面，此斷面堤頂高程為159.14m，河底高程為153.72m，堤高5.42m，設計水位為157.94m，堤前水深為4.22m，背水坡地下水位為154.76m，水深為1.04m；特殊工況1為施工期。

只列出穩定滲流期的背水坡圓弧滑動示意圖如圖8所示，各工況的圓弧滑動穩定性計算結果見表4。

圖8 滑動計算結果

表4 岸坡圓弧滑動穩定性計算結果

根據計算結果，護岸岸坡穩定安全系數均滿足規范要求。

4 結語

(1)基于能量守恒定律、實測斷面數據以及收集到的水文資料，對蛤蜊河23+400—29+143段水面線進行推求，進而獲取設計堤頂標高數據。

(2)結合治理段河道的實際情況，分別采取賓格網墊護坡、干砌石護坡型式，以適應于不同段河道的治理需求。

(3)根據治理河道特點，確定4種標準斷面型式，在不同的河道段加以應用。經過穩定性復核分析，安全性滿足要求。

(4)河道綜合治理工程涉及到多個學科的內容，尤其是現階段生態環境保護理念逐漸受到重視，在河道綜合治理工程中，需要結合城市發展規劃建設，選擇環境適宜性、規劃符合性更好的斷面型式。