復雜河流漫灘公路防護設施選型設計研究

方琳 婁紅光 付雪偉 陳誠

關鍵詞：復雜河流；河漫灘；公路；防護設施；導流壩

從社會基礎層面來講，助力社會經濟發展的首要前提是配備完善的交通基礎設施。在考慮河道行洪安全和節約資金成本的情況下，選擇在河漫灘修建公路已慢慢成為一種適宜的工程技術手段。尤其對于我國塔里木盆地、柴達木盆地、青藏高原和內蒙古高原廣大地區的時令河，上游流域內降水量年內分布極不均勻，中下游流經沙漠地區，枯水季節河水斷流、河床裸露，豐水季節易形成洪水，甚至洪水洪峰很大，在河漫灘上直接修建公路代替橋梁，可提高建設資金效能。但在河漫灘建設垂直于河流方向的公路會對河流行洪產生影響［１］，為了兼顧河道行洪與擬建工程的安全，同時有效降低工程造價，有必要對擬建工程防護設施選型進行優化設計。適宜的河漫灘公路修建線路需要結合工程本身實際情況，綜合考慮設計方案進行選取。

馬良等［２］進行了多沙河流治導線流路方程研究，建立了治導線流路特征參數同河流水力因子之間的定量關系式；劉明瀟等［３］研究認為灘區公路沒有對整治工程增添新的不利影響；甄映紅等［４］通過水力學研究方法分析認為，灘區公路建設不影響黃河下游寬灘河段行洪，公路布置路線與河道行洪方向基本一致且遠離主槽，可以使公路對灘區的行洪干擾保持在較低水平；李新杰等［５］結合歷史典型漫灘洪水資料分析了灘區工程對黃河下游漫灘水流的沖淤變化影響，提出開展河道整治工程和標準化堤防建設，生產堤改造成防護堤，在灘區設置行洪滯洪沉沙區的建議；劉培斌等［６］通過分析滹沱河寬灘區特性，建議灘區建設公路應順河布線；張俊華等［７］對游蕩型河流治理后的河型轉化等復雜的學術問題進行了研究；張紅武等［８－９］對黃河下游河道整治開展系統研究，認為科學進行工程布局對防洪不會產生不良影響；張紅武等［１０］通過完成國家重點研發計劃專項“黃河下游河道與灘區治理研究”，分析了在未來洪水條件及其災害情景下灘槽演變趨勢及河槽變幅，探索出提升河勢穩定治導與輸沙技術能力的途徑?，F有研究成果對高海拔、復雜地質條件、垂直于河流方向的跨河漫灘公路工程布置及其防護設施研究較少。本文以某河流上擬建跨河公路工程為例，在確保河道行洪安全及節約成本的前提下采用漫灘公路替代部分橋梁，同時結合工程地質、水文特性等開展跨河漫灘公路工程布置及其防護設施選型設計研究，以期對山區寬淺型河流跨河公路工程設計提供參考和借鑒。

１工程概況

某河流位于天山南脈腹地，地處高寒山區，周邊巖土為季節性凍土、鹽漬土。擬建漫灘公路長４．６８３ｋｍ，設計車速２０．０ｋｍ／ｈ，路基寬度為６．５０ｍ，采用四級公路標準，橋梁設計洪水頻率為５０ａ一遇，路基及涵洞設計洪水頻率為２５ａ一遇，總投資為２１１７萬元。公路建成后能縮短河道兩岸居民通行距離３３ｋｍ，極大改善當地農村公路交通運輸條件，為當地農牧民產業脫貧提供基礎條件以及助力鄉村振興。

１．１工程區水文狀況

工程所處河流地處高寒山區，地形特征呈“兩山夾一谷”，河流最大流量１２５０．００ｍ３／ｓ，最小流量７．０８ｍ３／ｓ，多年平均流量８３．００ｍ３／ｓ，多年平均徑流量２４．２１億ｍ３，最大年徑流量３７．４０億ｍ３，最小年徑流量１８．９０億ｍ３，河水補給主要來源于冰雪融化。

１．２跨河公路工程布置方案設計

擬建公路跨河處河道斷面寬１．６２ｋｍ，平水期水面寬約１００ｍ，呈典型的寬淺型河槽，河道中央及左岸漫灘寬分別為５５０、４００ｍ，上、下游兩岸較為順直，河床較平整，主流較順直，無明顯回流。工程區枯水期河道水流分叉，主流偏向左岸，發生大洪水時漫灘過水。

工程所在河道中漫灘占比較大，合理利用漫灘設計修建部分填方公路代替橋梁，在兼顧防洪的同時，能降低工程造價。擬建跨河公路橋面高程范圍為１８２３．００～１８２４．００ｍ，橋位斷面左岸堤頂高程１８２５．４０ｍ，橋位斷面右岸堤頂高程均在１８２６．３６ｍ以上。結合水文、防洪、資金等因素，擬在河道建設２座橋梁，兩橋之間漫灘上修建公路連接，左岸高漫灘為橋梁引道段，工程布置如圖１所示。設計如下：

１．３防洪綜合評價

１．３．１防洪、冰凌標準適應性分析

根據《公路工程技術標準》（ＪＴＧＢ０１—２０１４），該工程按照四級公路修建，擬建大橋防洪標準為５０ａ一遇，符合《防洪標準》（ＧＢ５０２０１—２０１４）要求。

根據觀測資料，工程河段冬季會有流冰產生，冰塊直徑范圍為０．３～１．５ｍ，該工程橋梁每跨跨徑為２０ｍ，滿足冰凌通過要求。

１．３．２河道行洪影響分析

該工程項目大橋屬永久性工程，涉河橋墩和填方道路上游防護設施對水流有一定的阻擋作用。經計算，橋墩和填方道路上游防護設施的阻水面積占總過水斷面的２４．２％，１號中橋、２號大橋梁底所需最小標高為１８２２．２２ｍ；根據工程設計，行洪范圍內設計最低梁底標高為１８２２．６０ｍ，高于５０ａ一遇設計洪水位，防洪高程滿足要求，但建筑物有一定的阻水作用，對河道行洪有影響。

１．３．３河勢穩定性影響分析

該項目大橋橋墩沒有明顯的挑流作用，但河道灘地填方道路上游防護設施對水流有明顯挑流作用，會對工程處河道左、右兩岸臺地形成沖刷。填方道路上游防護設施會對水流產生一定阻擋作用，其上游一定區域內產生淤積，分水后水流流速加大會加劇沖刷河槽。大橋建設對該段河道河勢有一定的影響。

１．４布置方案不利影響解決路徑

在河道整治工程中，科學合理地順應河勢使其沿著有利和穩定的方向發展，有效調治水流和穩定河床，同時在河勢的關鍵部位增加防護設施，是可以改變河勢使其達到不影響行洪安全的目的。張紅武［１１］研究了河道工程引導河勢與提升河道輸沙能力，實現寬灘區有效利用、中水河勢穩定控制與特殊洪水行洪都適應的良性治理目標。

該工程所在河段因水文狀況復雜，河水對漫灘公路路基、橋涵構造物沖刷和腐蝕嚴重，故合理選取防護設施最優布置形式并滿足安全、工期、造價等要求，防止河水沖毀漫灘公路路基、橋涵構造物，確保行洪安全顯得尤為重要，其中漫灘公路的防護設施是降低不利因素影響的關鍵。

２漫灘公路防護設施設計

該工程所在河段河道中間為漫灘，發生大洪水時漫灘過水，河道自然演變造成主流擺動，為游蕩型河流，即漫灘形狀、位置不穩定。同時該工程所在區域河流有泥石流，地處地震帶，且巖土、河水有腐蝕性，因此漫灘公路防護設施的設計方案需考慮因素尤為復雜。

２．１設計原則

１）根據河流地形、水文、地質等自然條件，漫灘公路及防護設施應盡量減少對原河床過流能力的影響；須能抵擋５０ａ一遇洪水，設計洪水流量為１９９９ｍ３／ｓ，工程所在流域枯水期為９月—翌年３月，汛期為４—８月，需要在３個月內完成施工。

２）漫灘公路及防護設施工期務必滿足總工期要求，同時在漫灘公路保證抵抗設計洪水、防滲、抗腐蝕、抗震等功能的前提下降低工程造價。

３）漫灘公路防護及設施設計斷面應滿足抗滑、抗剪及抗傾覆穩定要求。

４）大橋屬永久性工程，經計算橋墩和漫灘公路的阻水面積占總過水斷面的２４．２％，對河道行洪有一定影響，應確保行洪安全。

５）漫灘公路及防護設施對水流有明顯挑流作用，分水后水流流速加大會對河槽及工程處河道左、右兩岸臺地造成沖刷。

２．２漫灘公路防護設施方案比選

擬建公路位置河道中間漫灘寬５５０ｍ，為自然沖積而成的不規則長條狀，考慮泥石流、地震等不利因素的情況下，對混凝土護坡（方案１）、Ｃ３０混凝土衡重式樁基擋土墻（方案２）、導流壩（方案３）３種河漫灘公路防護設施方案（見圖２）的公路上游淤積、河道行洪安全、防滲、抗滑、抗震、造價、工期等指標進行了分析，比選結果見表２、表３。

方案１雖然施工方便、結構簡單、造價低，但護坡長約５５５ｍ，該河流會出現小型泥石流，對護坡沖擊較大，易造成護坡破壞，進而影響公路安全。同時護坡上游一定區域易產生淤積，對河道行洪影響較大。另外，工程地處地震帶，護坡的抗震性能較差，一旦護坡損壞將直接影響漫灘公路的安全。該方案在泥沙含量少，基礎穩定的寬淺型河流更為適宜。

方案２在抵御泥石流沖擊和地震破壞方面安全性能最好。缺點是阻水嚴重，造價高，工期長。在泥沙含量較小的河流，該方案相對于橋梁仍有較大的經濟優勢，特別是在該方案的基礎上在漫灘公路上設置涵洞，可以更好地利用漫灘公路替代橋梁。

方案３充分利用了河道及漫灘的地形，考慮了水流特性，設計了對水流阻力較小的“人”字形導流壩，相對固定了河道上游漫灘的形狀，有調治水流和穩定河床的作用。該方案既有效減小了對水流的阻力，又通過導流壩對水流方向進行引導，避免了因加劇河槽沖刷而造成的主流擺動，解決了公路上游區域易產生淤積的問題。導流壩體積較大，對泥石流、地震危害適應性較好，被破壞后易維修。該方案雖然工程量較大，但可利用漫灘中天然沙礫石筑壩，工程造價適中；導流壩和公路可同時施工，工期滿足要求。

通過對比分析，綜合考慮該工程建筑物布置、現場實際地形地質、水文條件等，選用方案３造價相對較低、安全可靠、對河流影響較小。經估算，該工程利用漫灘公路替代橋梁能降低造價１２６０萬元，降低約７８％。

２．３不利影響的解決方案

對河道行洪不利影響的解決方案：加強與上游水電站聯系；制定完善的汛期洪水預報、預警方案；若遇到突發性大洪水情況，及時進行交通管制；造成行洪不暢時，將兩座橋梁中間路基及導流壩挖除泄洪，待洪水后恢復。

漫灘公路對水流產生一定的阻擋作用，導致其上游一定區域產生淤積，同時水流流速加大會對河槽加劇沖刷，并且泥石流、河水的腐蝕性對橋梁及導流壩危害較大。對此影響的補救措施為：１）增加橋梁基礎埋深及安全儲備，并采用鉛絲石籠對橋梁及導流壩基礎進行防護；２）對導流壩及橋梁兩側岸坎例行巡查，并在枯水期及時清淤；３）若發現新建工程范圍內河道或岸坎有明顯沖刷加劇現象，采用鉛絲石籠進行加固。

實際上，在內蒙古鄂爾多斯市著名的“十大孔兌”（多沙支流），經常看到漫灘公路遭到嚴重水毀，清華大學、北京大學和黃河水利科學研究院等聯合主持完成的“寧蒙黃河治理對策研究”，針對性地提出的治理對策是建立黃河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙輸導與淤沙堤外處置的“固－阻－輸－置”綜合防治體系［１］，其中對于“十大孔兌”治理主要是“固－阻”，尤其是要重視黃河“支流泥沙阻截”，在孔兌上無法直接修建大型淤地壩和攔沙壩的條件下，開展修建的“攔沙緩沖保路”試驗工程顯得頗為必要。在漫灘公路防護壩址設置淹沒式透水樁，每根樁套上若干個汽車廢舊輪胎，減小透水率的同時對樁的磨蝕加以防護，還能緩解泥石流沖擊和地震破壞［１２］。試驗表明，該工程因阻水而起緩流作用，對漫灘公路有效防護，同時因工程透水而使細沙淤積速度不大，攔截粗沙及卵石淤積到一定程度后，可清理出來加以利用，如此在季節性多沙河流巧妙攔沙和處置泥沙是其他方案無法取代的，該措施明顯加強了擬建工程的基礎安全，縮短了施工工期，節省了工程投資，減小了擬建工程對河道行洪的影響。為此，下一步可以利用該技術解決上述擬建漫灘公路可能出現的不利影響問題，俟機大范圍推廣攔沙緩沖保路工程技術。

３結束語

１）修建跨河公路工程必須以不影響河道安全行洪為基本原則，在不影響泄洪的情況下，還應該兼顧擬建工程的安全，通過合理設計在寬淺型河槽的河漫灘修建垂直于水流方向的公路，用來替代部分橋梁作為跨河公路工程的一部分是適宜的。

２）隨著我國綜合國力的提升及國防、經濟的需要，推動邊遠山區的交通發展將是未來較長一段時期的任務，在寬淺型河槽合理利用河漫灘修筑公路替代橋梁，對降低跨河公路工程造價有顯著效果，能有效解決邊遠山區交通設施建設資金不足的問題，助力鄉村振興戰略的實施。特別對交通量較少的公路，更能突顯其性價比，但必須對擬建工程防護設施進行優化設計，科學比選。

３）我國河流眾多，水文、地質條件各不相同，有必要在不同的工程中結合實際將現有的技術、方法加以整合。本文針對復雜河流漫灘公路阻水、泥沙淤積、泥石流沖刷、水流沖刷、地震等不利因素，科學合理地順應河勢，設計“人”字形導流壩漫灘公路防護設施，能夠有效調治水流和穩定河床，使其達到不影響行洪安全的目的。下一步可以利用“攔沙緩沖保路”試驗工程技術，解決上述擬建漫灘公路可能出現的不利影響問題。