以佳蘆河為例探析游蕩性河流堤防建設方案

劉周華

(佳縣河道治理工作中心,陜西 榆林 719200)

佳蘆河是黃土高原一條典型的游蕩性河流,是陜西“十四五期間”407 個防洪項目重點建設對象之一。現以佳縣佳蘆河王家砭鎮王家寨村段堤防建設為例,對游蕩性河流堤防建設進行探析。

1 概 況

佳蘆河系黃河中游右岸的一級支流,發源于榆陽區雙山鄉境內,自西北流向東南,流經榆陽區、佳縣,在佳縣縣城附近注入黃河,全長92.5km,流域面積1134km2,河道比降7.3‰。佳蘆河王寨村,控制流域面積183km2,河道長度28.6km,河道平均比降5.92‰。項目河段基本無治理,無工程措施,兩岸均為天然岸坎,淘刷、沖刷嚴重,部分岸坎塌岸,右岸分布有大片耕地,左岸為王寨村聚居地,村委會臨河較近,兩岸經常遭受洪水侵襲。

2 洪水特性與河道演變

2.1 洪水特性

佳蘆河流域洪水由暴雨造成,多發生在夏季,而且多集中在7～8月份。其暴雨特點是季節性強、強度大、籠罩面積小、歷時短、時空分布不均。洪水特點是暴漲暴落、歷時很短、峰形尖瘦、含沙量高,洪水異常迅猛。如申家灣站1958年7月13日3∶00～3∶40,40min水位上漲12.67m,流量從2.62m3/s增加到3980m3/s。

2.2 河道演變分析

項目區位于佳蘆河中游,工程末端距入黃口約48km,地貌單元屬河流侵蝕堆積地貌。現狀河道寬度45～101m平均比降7.3‰。本次選取了2012年航測衛星圖與2021年航拍衛星圖圖進行套繪對比。通過對比分析,經過近10a的時間,工程段河道沒有發生大的擺動,主流基本穩定,個別河段主流有所偏移,但偏移不大。根據本次地勘野外調查和走訪當地群眾,除2012年7月治理段發生的10a一遇洪水外,自從1971年以來,佳蘆河基本沒有發生過大的洪水,河床基本穩定,沖刷深度處一般為0～1.0m。因此,綜合以上因素,本次分析認為佳蘆河王寨段治理河段基本穩定。

3 工程布置與基礎埋深

3.1 工程布局

本次治理工程左岸起點位于王寨村北頭漫水橋,末點位于王寨村進村大橋處,右岸起點位于佳蘆河王家寨村滾水壩下游約300m,末點位于王寨村進村大橋處,末端方塌河支流以上700m范圍內也屬于本次工程治理范圍,本次工程治理河長3.4km。佳縣佳蘆河王寨村段防洪治理工程治理段落共為3段,佳蘆河干流左、右岸分別各1段,方塌河支流右岸1段,方塌河左岸和干流右岸順接,樁號連續排布。工程治理河長約3.7km。設防標準為10a一遇防沖不防淹,防護工程總長約5.3km,其中左岸1.9km,右岸3.4km。左岸護岸起點接佳蘆河王寨村北頭漫水橋旁混凝土渠道南岸坎,末端接王寨村進村大橋處已成擋墻。

3.2 堤距確定

本次治理段段落采用10a一遇的防沖不防淹,同時滿足5a一遇洪水不出槽,因此不設定最小堤距,岸線布置基本沿天然岸坎布設,不縮窄河道,防洪堤線基本上沿佳蘆河深泓線流向隨彎就彎布置,盡量利用現狀岸坎平順平緩布設,彎道之間盡量平順銜接,同時岸頂預留生產道路,并對天然雜亂岸坎進行梳理,總體走向與河勢流向相適應。護岸頂高程按5a一遇設計洪水位加0.5m考慮,對局部岸坎雜亂段落進行梳理規整,適當調整[1]。

3.3 基礎埋深

游蕩性的河流主要是沖刷大,所以堤防建設必須要做好基礎埋深。

1)沖刷計算:根據《堤防工程設計規范》沖刷計算考慮水流平行岸坡和水流斜沖岸坡兩種工況,進行沖刷深度計算。計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:hs為局部沖刷深度,m;H0為沖刷處的水深,m;Ucp為近岸垂線平均流速,m/s;Uc為起動流速,m/s,對于黏性與砂質河床,采用公式(3);n為與防護岸坡在平面上的形狀有關,取0.25;η為流速不均勻系數,取1;d50為床沙的中值粒徑,取0.01mm;γs、γ為泥沙與水的容重,kN/m3。

式中相關參數及沖刷深度計算結果見表1。

表1 護岸工程10a一遇洪水設計流量沖刷深度計算成果表

本次計算王寨段護岸工程沖刷深度在10a一遇設計洪水(Q=520m3/s)情況下計算,沖刷深度計算結果見表2。由表可得,在設計洪水(Q=520m3/s)情況下的最大沖刷深度為1.35m。

2)基礎埋深:由沖刷深度計算成果表2可知,擬建護岸段計算沖刷深度為0.88m～1.35m,擬建護岸段計算沖刷深度最大為1.35m,根據沖刷計算結果,考慮工程造價及運用情況,結合工程區抗沖刷及抗凍要求確定基礎埋置深度,防洪墻基礎砌置深度應在沖刷線以下0.5～1.0m。結合工程區抗沖刷及抗凍、地基情況要求、河道特性以及河道斷面演變情況分析及現場調查,同時參考鄰近已成工程基礎埋置深度,本次治理段護岸段基礎置于深泓線以下2.0m[2]。

4 堤防建設方案分析

佳蘆河王家寨村堤防工程左岸WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段建設內容為堤防,WZ2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段為護岸工程,現分別給予分析。

4.1 堤防斷面設計

結合現狀地形地物,針對左岸WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段采用護岸防止塌岸,同時防止洪水對岸坎、坡腳進行淘刷導致岸坡不穩。斷面型式可采用墻式斷面、坡式斷面,墻式坡式結合的斷面型式。根據實際地形地質條件,考慮盡量減小開挖,擋墻橫斷面型式的選擇按其穩定性、經濟性、合理性等綜合因素考慮。擬選擇仰斜式漿砌石擋墻和衡重式漿砌石擋墻兩種型式進行比較。兩種種擋墻斷面型式典型斷面詳見圖1、圖2,比較分析見表2。從整體穩定、經濟合理性、施工條件等多方面綜合考慮,推薦采用仰斜式擋墻護岸。

圖1 衡重式漿砌塊石擋墻斷面設計方案

圖2 仰斜式漿砌塊石擋墻斷面設計方案

表2 擋墻斷面型式對比表

經過分析比較,WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段采用M7.5漿砌石擋墻,M7.5漿砌石擋墻式頂寬0.9m,迎水側坡比1∶0.45,背水側1∶0.1,迎水側趾墻為0.8m×1.2m,背水側趾墻為0.8m×1.2m。漿砌石擋墻設φ75PVC排水管,呈梅花形布置。對護岸頂高程以上的現狀岸坎進行削坡處理,擋墻以上坡比為1∶1.5,草皮護坡防護。

4.2 坡式護岸工程設計

本次坡式護岸工程治理范圍包括:WZ2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段。護岸護坡應堅固耐久、就地取材、利于施工和維修,不同堤段或同一坡面的不同部位可選擇不同的護坡型式。經計算,治理河段內設計洪水情況下斷面的平均流速0.71～2.2m/s,而填筑堤防的土料主要為砂礫石,而粉質砂壤土允許不沖刷流速為0.3～0.6m/s,砂卵石允許不沖刷流速為1.0～1.5m/s,黏土允許不沖刷流速為0.6～0.9m/s,均超過了堤身材料的允許沖刷流速,為此須進行護坡處理,以免水流對堤身的淘刷破壞。

結合當地材料,考慮生態等要求,適合該河段的護坡型式有:漿砌石護坡方案、干砌石護坡方案、格賓網砌石護坡方案、連鎖塊混凝土塊護坡方案以及復合式護坡方案。復合式護坡方案要求小流量不沖刷,大流量不破壞。其形式下部為漿砌石護坡,上部為連鎖塊混凝土塊護坡。以上四種護坡形式均能滿足堤防護坡要求,但各有優缺點。從造價角度來講,漿砌石護坡和連鎖塊與漿砌石復合護坡方案兩方案工程造價相差較小,格賓網護坡最貴,連鎖塊護坡方案稍貴。

從首先滿足防洪,其次考慮生態、美觀結合的需求出發,選擇連鎖塊與漿砌石復合護坡方案較為合理。從施工角度來說,漿砌石護坡方案施工方便、簡單,對堤防壓實度的要求較高。而格賓網砌石護坡復雜。連鎖混凝土塊生態護坡采用標準的連鎖塊,安裝施工方便,但同時對堤防壓實度要求較高,安裝之前要求平整度要高。

結合佳蘆河河岸現狀及生態治河理念的要求,按照經濟實用、便于施工、滿足穩定主槽和管理等要求,Z2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段護岸形式選擇連鎖式生態護坡,其優點為施工方便,透水性好,植草空間大,生態效果好。臨水側坡比1∶2,背水坡坡比1∶2,護灘頂設4.0m寬泥結石路面。堤身采用12cm厚聯鎖式混凝土砌磚,連鎖塊下部鋪設300g/m反濾土工布一層,下部基礎采用M7.5漿砌石基礎,基礎尺寸為頂寬0.6m,高2.5m,臨水側坡比1∶0.5,趾腳寬0.5m,高0.5m,基礎頂高程按多年平均枯水位以上0.5m考慮。頂部采用C20混凝土壓頂,尺寸為20cm×30cm。連鎖塊上進行綠化種植,生態護坡以下采用M7.5漿砌石基礎,基礎下底寬1.95m,上底寬0.6m,高2.5m。基礎底高程為深泓高程以下2.0m。其中干流右岸樁號WY0+870.00～WY2+730.50的岸線沿現有水泥路面邊布置,其余段落護岸頂新建3.0m寬泥結石防汛搶險道路,路面設2%橫坡。

5 結 語

游蕩性的河流特點是沖刷力強,佳蘆河王家寨村段具有游蕩性河流特性。通過分析探討,按照現有河岸布設防洪工程和確定堤距,堤防基礎埋深為2m,擋墻選用經濟實惠抗沖力強的仰斜式漿砌石擋墻,護坡采用生態美觀抗沖性強的連鎖式生態護坡,通過本次治理,提高河道段的過流能力,保護沿岸村民及耕地免受洪水災害影響,改善周邊生態環境,促進區域經濟發展。為佳蘆河王家寨村堤防工程建設提供了科學依據。