七里河綜合治理工程堤防方案分析

梁洪吉

（大連河海水利水電勘測設(shè)計(jì)有限公司,遼寧 大連 116021）

1 引言

河道綜合治理工程旨在改善河道防洪能力不足、污染嚴(yán)重、生態(tài)效益低下的現(xiàn)狀,具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益,有較多的城市采取了河道綜合治理措施,取得了良好的成果[1-5]。防洪是河道的重要功能之一,堤防工程是常見的防洪措施,選取合理的堤防結(jié)構(gòu)型式有助于提升河道的治理效果,降低工程投資,意義重大。

2 工程現(xiàn)狀

七里河綜合治理工程河道治理起點(diǎn)為0+000潘家窯村,末點(diǎn)位于3+725引黃北干出口1#洞處,全長3.725 m。河道高程在1229 m～1315 m左右,河道平均底寬約為20 m,治理段河道平均縱坡為22‰。

治理段河道現(xiàn)狀堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10年一遇,存在無堤防防護(hù)、堤防寬度及高度不滿足防洪要求等問題,部分河道現(xiàn)狀坡比較陡,遇洪水沖刷,兩岸易坍塌；部分河道行洪斷面極不規(guī)則,河底淤積嚴(yán)重,生活垃圾堆積；河道存在圍河造田等侵占河道的現(xiàn)象,致使原有河道束窄,行洪能力進(jìn)一步降低。

七里河是永定河水系的重要組成部分,對河道進(jìn)行綜合治理,提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn),保障兩岸防洪安全,實(shí)現(xiàn)河道生態(tài)恢復(fù),鞏固首都引水水源地的水生態(tài)、水環(huán)境,重現(xiàn)大河風(fēng)光和秀美山川,對該段河道進(jìn)行治理是非常必要的。

3 工程布置方案

3.1 河岸堤線的布置原則

根據(jù)治理段河道現(xiàn)狀,針對河道突出的洪水問題和沖刷破壞、岸坡失穩(wěn)現(xiàn)象,確定以保護(hù)沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊防洪安全為原則,結(jié)合生態(tài)環(huán)境建設(shè),對河道進(jìn)行綜合治理。

3.2 河道治理的總體布置

為保證河道行洪通暢,河勢穩(wěn)定,按照河道規(guī)劃的原則,結(jié)合實(shí)際地形地質(zhì)條件,經(jīng)過多次實(shí)地勘察,經(jīng)方案比較后確定本次河道治理工程設(shè)計(jì)方案。

本次河道治理工程內(nèi)容主要分為三部分,包括河道疏浚工程、護(hù)岸工程及過水路工程。

3.2.1 疏浚工程

治理段河道現(xiàn)狀部分行洪斷面極不規(guī)則,部分河底淤積嚴(yán)重,部分河段生活垃圾堆積。本次工程以恢復(fù)河道行洪能力,滿足10年一遇防洪要求為原則進(jìn)行疏浚,總長度為3.725 km,對河道行洪斷面進(jìn)行整修。

3.2.2 堤防護(hù)岸工程

堤防護(hù)岸工程是提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn)的重要工程措施,為保證河道行洪通暢,改善生態(tài)環(huán)境,按照前面所述的河道治理方針和原則布置堤防。本次盡量利用現(xiàn)有堤防,新建0+000～3+725河段兩側(cè)堤防護(hù)岸共計(jì)5.95 km。新建公路防沖消能措施一處,對一處既有橋梁進(jìn)行防護(hù)。

3.2.3 過水路面修復(fù)及防護(hù)工程

本次工程拆除重建樁號3+050處1#過水路；對樁號3+425處2#過水路進(jìn)行維修及防護(hù)。

3.3 河道水力計(jì)算

3.3.1 計(jì)算條件

1）計(jì)算范圍

本次水面線計(jì)算范圍為0+000～3+725,計(jì)算河長3.725 km。

2）地形資料

本次有實(shí)測1∶1000平面帶狀地形圖及實(shí)測現(xiàn)狀橫斷面圖,水面線計(jì)算采用設(shè)計(jì)河道平面及斷面,并結(jié)合現(xiàn)狀進(jìn)行水面線推求。

3）標(biāo)準(zhǔn)及流量

設(shè)計(jì)河段均采用10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),洪峰流量為35.0 m3/s。

4）控制水位

本次治理河道段為陡坡河道,故本次起推位置采用治理段上游0+000斷面處的均勻流水深時(shí)對應(yīng)的水位作為控制水位向下游推算,經(jīng)計(jì)算0+000斷面處水位為0.65 m。

5）糙率選取

河道糙率取值參考《水力計(jì)算手冊》中的河道糙率表,然后結(jié)合本次治理后河道的實(shí)際情況綜合考慮確定。七里河河槽水流較平順,設(shè)計(jì)斷面規(guī)整,經(jīng)綜合考慮,河道采用綜合糙率0.035。

3.3.2 計(jì)算方法

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

式中：Z1、Z2分別為下、上游斷面水位高程,m；hf、hj分別為沿程水頭損失、局部水頭損失,m；1、2分別為上、下游動(dòng)能修改系數(shù)；V1、V2分別為上、下游斷面平均流速,m/s；J計(jì)算河段的平均水力坡降；L為計(jì)算河段長度,m；n為河床綜合糙率。

局部損失主要考慮了河道斷面逐漸（突然）擴(kuò)大、彎道、支流匯流、橋墩阻力等。河道水面線計(jì)算成果見圖1。

圖1 河道水面線設(shè)計(jì)成果

堤頂高程由設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高,堤頂超高Y按下式計(jì)算：

式中： R、e、A分別為設(shè)計(jì)波浪爬高、風(fēng)壅水高度、安全加高,m。

5級堤防允許越浪時(shí)的安全加高為0.3 m。治理段河道堤防的堤頂超高成果見表1,綜上,本次設(shè)計(jì)堤頂超高取值為0.6 m。設(shè)計(jì)堤頂高程見圖2。

表1 堤頂超高計(jì)算成果表

表2 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 設(shè)計(jì)堤頂高程

圖3 堤防工程標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

4 堤防工程設(shè)計(jì)

河道治理工程共治理河道長度為3.725 km,其中河道清淤疏浚長度3.725 km（0+000～3+725）,新建0+000～3+725河段兩側(cè)堤防防護(hù)。其中新建格賓籠護(hù)坡5.576 km,新建格賓籠護(hù)腳5.576 km,新建素混凝土擋墻374 m,新建三維加筋固土網(wǎng)墊并播撒草籽6195 m2。

4.1 格賓籠護(hù)坡堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次新建格賓籠護(hù)坡5.576 km,新建格賓籠護(hù)腳5.576 km,新建三維加筋固土網(wǎng)墊并播撒草籽6195 m2。標(biāo)準(zhǔn)斷面圖一適合0+000～0+125、0+200～1+050、1+050～3+725河道防護(hù)段斷面,標(biāo)準(zhǔn)斷面圖二適合1+050～2+500段河道左側(cè)為現(xiàn)狀山體斷面。防護(hù)段堤防采用500 mm厚格賓籠護(hù)坡進(jìn)行防護(hù),下設(shè)500 mm厚格賓籠固腳共兩層。設(shè)計(jì)堤頂以上護(hù)坡采用新建三維加筋固土網(wǎng)墊（播撒草籽）作為生態(tài)護(hù)坡。

4.2 護(hù)坡堤防穩(wěn)定計(jì)算

4.2.1 堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算

采用理論方法數(shù)值模型計(jì)算滲流水力要素及其分布,分析堤基及堤身滲流安全。滲流計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取。

（1）計(jì)算工況

為安全起見在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下同時(shí)考慮穩(wěn)定滲流,因此滲流穩(wěn)定需計(jì)算以下三種工況：

1）臨水坡為設(shè)計(jì)水位,背坡側(cè)為相應(yīng)水位；

2）臨水坡為設(shè)計(jì)水位,背坡側(cè)為低水位或無水位；

3）洪水降落時(shí)（河道內(nèi)水深為設(shè)計(jì)洪水時(shí)的1/3水深）對臨水側(cè)堤防最不利的情況[6]。

（2）代表斷面及計(jì)算參數(shù)

滲流穩(wěn)定分析采用有限元分析方法（數(shù)值法）。

各參數(shù)參考本地區(qū)類似工程確定。

根據(jù)河道的斷面型式、邊坡、高度等因素,確定1+000迎水坡最不利斷面的代表斷面,堤防高度2.01 m,水深1.3 m,邊坡坡比1∶2。

（3）滲流穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)以上確定的計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況,采用有限元法對代表斷面的各工況進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算所得流網(wǎng)見圖4,各種工況計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 滲流穩(wěn)定計(jì)算成果匯總表

圖4 斷面1+000流網(wǎng)圖

由表3可知,河道堤防滲透比降滿足要求,滲流穩(wěn)定。

4.2.2 堤防穩(wěn)定計(jì)算

1）計(jì)算工況及方法

根據(jù)河道堤頂高程和迎、背水坡的最低點(diǎn)高程,確定1+000斷面為最不利斷面,堤防抗滑穩(wěn)定分以下三種工況：

（1）設(shè)計(jì)水位時(shí)的迎水坡；

（2）水位降落期的迎水坡；

（3）施工期迎水坡。

滑弧穩(wěn)定計(jì)算利用理正巖土計(jì)算軟件,采用瑞典圓弧法,選擇典型斷面進(jìn)行計(jì)算。

2）代表斷面及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)本次地勘報(bào)告提供的數(shù)據(jù),各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表4。

表4 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

3）計(jì)算典型斷面

正常運(yùn)用時(shí)期分別為設(shè)計(jì)水位和水位降落期（河道內(nèi)水深為設(shè)計(jì)洪水時(shí)水深的1/3）時(shí)為最不利工況；特殊工況1為施工期。計(jì)算斷面見圖5,計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 堤防圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖5 斷面1+000完建期穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果簡圖

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果,岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1）七里河治理段河道存在防洪能力不足、岸坡易坍塌、河道淤積嚴(yán)重等現(xiàn)象,亟需采取綜合治理工程提高河道行洪能力。

2）通過收集相關(guān)參數(shù),結(jié)合河道沿線實(shí)際情況確定堤線布置情況,基于能量原理進(jìn)行河道水面線推求并確定堤頂高程。選取兩種標(biāo)準(zhǔn)堤防斷面進(jìn)行,經(jīng)分析安全性滿足相關(guān)要求。

3）建議在河道治理工程中考慮生態(tài)環(huán)境效益,提高親水空間打造,讓七里河成為區(qū)域休閑娛樂的地點(diǎn),更好地服務(wù)人民。