汾河干流某段河勢演變及堤防方案研究

謝 洪

（山西東山供水工程建設管理有限公司,山西 太原 030002）

1 引言

堤防工程是重要的防洪建筑,堤防工程方案對河道行洪影響較大。在河道治理工程中,需要根據實際情況,采取合理的堤防型式,從而降低工程投資,保障河道行洪安全[1-4]。河道的河勢演變是影響堤防工程安全的一個重要因素,在河道工程治理前,對河道沖淤情況進行分析,可為河道治理工程設計提供參考[5-7]。

2 工程概況

汾河某段河道流域形狀成條帶形,自西向東南方向流入汾河,在襄汾縣三跨橋上游150 m 處注入汾河,流域平均寬度4.9 km,平均縱坡11.81‰,峪口以上平均縱坡為14‰,峪口以下為10‰～8‰。生態修復治理段總長度3.223 km。

3 河勢演變情況分析

3.1 泥沙情況調查分析

統計分析柴莊水文站1964年7月～2010年6月年實測徑流量、輸沙量、含沙量,1964年7月～2010年6月柴莊水文站多年平均水沙量分別為7.63億m3和988萬t,其中汛期水沙量分別占全年的61.5%和91%,輸沙量主要集中于汛期。

根據柴莊斷面不同年份套繪圖可以得知,1990年前,斷面呈微淤狀態。1990年后,主槽沖刷,邊灘淤積,斷面縮窄,尤其2000年～2010年間,主槽沖深下切嚴重。

從歷年斷面的沖淤厚度分析,20世紀90年代以前斷面呈淤積狀態；不同時段的年平均淤積厚度在0.004 m～0.029 m之間。20世紀90年代以后,由于來水來沙銳減,沙量的減沙幅度大于水量,含沙量較小,斷面發生沖刷。

根據《汾河流域2021年秋汛洪水復盤分析報告》,柴莊站河道沖淤變化：測驗斷面起點距10.0 m～75 m為河道主槽,基本穩定,沖淤變化不大,測驗斷面起點距75.0 m～200.0 m灘地處呈明顯沖刷變化。

3.2 河勢演變分析

根據上述泥沙沖淤分析,汾河主河槽在將來的擺動主要受到兩岸河堤情況和上游來水量的影響。隨著來水、來沙量的變化,河道可能發生沖刷和淤積情況。當上游來水量處于較小的水平時,水流可基本在主槽內穩定流動,平面形態基本不可能發生較大的變化,此時,水流流速低,容易發生淤積。當上游來水量較大時,水流流速增大,此時將導致河道主槽縱向變形加劇。當發生超大規模的洪水時,河道平面上易出現溢流、沖刷現象。根據調查,歷史上主槽發生大幅度擺動的可能性較小。

根據上述分析可以得知,汾河治理段未來的河道演變趨勢為：中小水條件下,河道岸坡在平面上保持穩定,河道縱向沖刷、淤積均可能發生。根據調查,治理段河道受兩岸地形影響,發生大幅度變化的可能性較低,但可導致河道縱向沖刷嚴重,當連年枯水時,河道有可能出現淤積。

4 堤防方案分析

4.1 堤防型式比選

常見的堤防型式主要有：混凝土重力式擋墻、懸臂式擋土墻、漿砌石重力式擋墻、土堤等進行比選,優缺點見表1。

表1 堤防型式比選

表2 重力式堤防抗滑及抗傾穩定計算成果表

表3 仰斜式堤防抗滑及抗傾穩定計算成果表

經以上綜合比較,結合本工程的實際運行條件,本工程位于城區中心,應盡可能減小占地,則土堤不適宜本工程；工程未治理段主要處于蓄水區,需采用防滲性較好的堤防型式,則漿砌石擋墻不適宜本工程；另重力式擋墻較懸臂式擋墻施工面小、施工技術相對容易,且每延米投資相差不大,因此采用混凝土重力式擋土墻。

4.2 堤頂高程確定

堤頂超高Y應按下式計算：

式中：R為設計波浪爬高,m；e為設計風壅水面高度,m；A為安全加高值,m。

圖1 設計堤頂高程

河道治理段河道大部分地基為砂卵礫石,采用《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）附錄D計算公式,本次不在贅述。

經計算,河槽沖刷深度平均在1.5 m～2.0 m之間,最大沖刷深度為2.73 m。根據《水工擋土墻設計規范》（SL 379-2007）第4.2.8條第一款規定,墻趾埋深宜為沖刷深度下0.5 m～1.0 m。根據工程設計,垂直防滲墻、擋墻與垂直防滲墻之間水平防滲均從樁號0+395開始至7#壩上游結束。樁號0-098～0+395段,擋墻埋深均為2 m,根據沖刷計算結果,墻趾埋深在沖刷線0.5 m以下,符合規范要求。樁號0+395～7#壩上游側,該段墻趾埋深均為2 m,部分段不滿足防沖要求,工程設計對墻趾前至垂直防滲段采用0.5 m厚混凝土進行水平防滲,水平防滲與墻趾及垂直防滲墻之間采用橡膠止水條止水,可有效防止水流沖刷,滿足行洪沖刷要求。7#壩下游至入汾口段,設計墻趾埋深均為2.1 m,根據沖刷計算結果,墻趾埋深在沖刷線0.5 m以下,符合規范要求。

圖2 局部沖刷深度

4.3 堤身斷面設計

本工程結合現場實際情況,分別采用重力式混凝土堤防和仰斜式混凝土堤防兩種,其中重力式擋土墻主要布設于北大街橋上游及振興路橋下游至入汾河口,仰斜式擋土墻主要布設于丁陶大道橋上游。

1）重力式堤防

重力式擋墻采用C25F150W6混凝土現澆,頂寬0.6 m,迎水坡采用1∶0.1,背水坡采用1∶0.3,墻趾為0.5 m,埋入土中2 m,無墻踵,墻頂高于設計洪水位0.8 m。

2）仰斜式堤防

仰斜式擋墻采用C25F150W6混凝土現澆,墻頂寬0.8 m,迎水坡為1∶0.25,背水坡為1∶0.35,墻底斜坡為1∶5,墻趾為0.8 m,厚1.5 m,埋入土中1.5 m,墻頂高于設計洪水位0.8 m。

4.4 堤身穩定性分析

1）基本資料

計算單元：取高5.5 m 重力式堤防（埋深2 m）。

計算工況：分施工完建期、設計洪水期、正常運行+地震三種情況。

土質地基摩擦系數取0.4；墻后回填土濕容重17.5 kN/m3,凝聚力為17.1 kPa,內摩擦角為19.6°。

2）抗滑穩定計算

抗滑穩定系數Kc按下式進行計算：

式中：f為墻底摩擦系數；W、P分別為垂直方向、水平方向的力,N。

3）抗傾穩定計算

傾穩定性系數K0應按下式計算：

式中：Mv、MH分別為抗傾覆和傾覆力矩,N·M。

5 結論

根據汾河干流治理段河道的實際情況,對河道河勢演變進行預測分析,中小水時河岸在平面上比較穩定,縱向有沖有淤。結合河道實際情況,選取4種方案進行對比分析,采用混凝土重力式擋土墻具有良好的整體性、防水性,同時可節約土地,經過穩定性復核計算,滿足相關要求。可為類似工程提供參考。