黃河寧夏段河道治理工程設計

婁森元

摘要：為進一步控制黃河寧夏段游蕩性河勢，規順分汊型河段中水河槽，使其逐步穩定，工程設計中結合河道治理現狀，采用了“微彎型整治+就岸防護”的綜合整治方案。在設計實踐中，根據每處工程所處地理位置、地形條件、河勢變化、迎送流情況，考慮新建、續建、改建工程與己建工程的一致性，確定了工程的布置方案及結構型式。隨后采用三維有限元模型對河道整治工程進行穩定性分析，確定該工程護根內坡坡比采用1∶1.2，外坡坡比采用1∶1.5較為合理。研究成果對游蕩性河道治理工程設計具有較強的借鑒作用。

關鍵詞：河道治理； 游蕩性河道； 就岸防護； 黃河寧夏段

中圖法分類號： TV882.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.025

0引 言

由于黃河寧夏段河勢還未得到有效控制，加上部分河段缺乏堤防保護，寧夏河段防洪保障總體不足的問題在近年汛期暴露較為突出。堤防、岸坡出險較多，超出防汛搶險能力，對兩岸防洪安全構成直接威脅，其主要原因是黃河寧夏段游蕩性河道治理不甚完善。

以往游蕩性河道治理方式主要是單岸、雙岸控制，在彎道凹處建設控導、防護等工程，且工程以丁壩護岸等為主［1］。因此，在吸取過往經驗的基礎上，根據河道治理現狀，針對黃河寧夏段提出了“微彎型整治+就岸防護”的綜合整治方案。

微彎型整治能夠有效控導河勢、減輕河勢游蕩、保堤護灘，是從以往治理黃河“隨彎就曲”的治理思路中發展而來的［2］，較符合水流運動和河床演變的發展規律。它依據“河性行曲特性”的學說，在河勢演變的基礎上，歸納出幾條基本流路，進而選擇一條中水流路作為整治流路，與洪水、枯水流路相近。就岸防護依堤防或灘地的走向、地形修建，無控導河勢的作用，主要作用為保堤護灘。

1工程概況

黃河寧夏段防洪二期工程是國務院確立的172項重大水利工程之一，工程建設將進一步完善寧夏自治區河道防洪工程體系，增強河道抵御洪凌災害能力。工程主要建設內容包括：加固改建總長16.65 km的堤防，堤防建筑物21座；河道整治工程73處，工程總長118.04 km，其中新建長97.09 km的壩垛、護岸工程，加固壩垛254道（座），工程長度20.95 km，以及配套管理設施等。

2河道治理工程布置

2.1微彎型整治方案河段工程布置形式

采用微彎型整治方案的河段，主要是沿規劃治導線在彎道凹岸修建工程，這種工程布置不但能適應不同的來流方向，而且導送流能力強，能很好地控制河勢，因而是比較理想的平面布置形式［3］，續建新建的工程仍然按凹入型布置，遵循“上平、下緩、中間陡”的原則。

2.2就岸防護整治方案河段工程布置形式

采用就岸防護整治方案的河段，主要是考慮在保證現有河汊正常過水，穩定汊道的前提下，根據水流頂沖堤岸的位置，就岸布設短壩小垛或平順護岸，以防止河岸坍塌，確保沿河堤防、村莊、學校等安全。從歷年的河道地形分析來看，惠農農場至石嘴山河段主流靠右岸，河道順直，而且較窄，河勢穩定，末端已接近石嘴山峽谷段。故工程布置采取就岸防護，對現狀掏刷塌岸嚴重段布置平順護岸。

2.3河道整治工程位置線

河道整治工程的長度及壩頭位置，需依據工程位置線和規劃治導線確定。整治工程位置線是壩垛頭部的連線，主要有分組彎道式、單壩獨挑式、連續彎道式3種。其中連續彎道式的優點是導流能力強，出流方向穩，壩前掏刷較輕，易于防守，近些年黃河下游和寧夏河段河道整治工程均采用此種形式。

2.4建筑物類型及布置

河道整治建筑物一般包括丁壩、垛和護岸3種型式，多以丁壩為主，垛為輔，壩垛之間必要時修筑護岸。該段丁壩以直線型為主、垛以拋物線形為主，壩垛的布置主要采用30°方位角。除特殊情況外，新建續建工程丁壩長度取90 m，間距與壩長的比例按1∶1～1∶2控制。

對于拋物線型的垛，其背水面有托流外移減弱回流的作用，坡降值可以適當放大。黃河寧夏段近年來采用的垛半徑一般為10～20 m，垛間距50～70 m，新建垛的凈間距一般不大于40 m，中間空檔由護岸連接。

3河道治理工程結構設計

3.1工程頂部高程確定

3.1.1控導工程

控導工程的作用是控導河勢，導引水流。依據GB 50707-2011《河道整治設計規范》［4］中要求，除險工段外，其余控導工程頂部高程應高于河道整治流量相應水位以上0.5 m，黃河寧夏段近期防洪工程和二期防洪工程中，控導工程頂高程按設計整治流量相應水位加1.0 m超高確定。考慮到本次治理工程頂高程與以往工程標準的一致性，除險工段外，其余控導工程頂部高程均按設計整治流量相應水位加1.0 m超高確定。

3.1.2防護工程

（1） 堤防防護工程。

堤防防護工程由于經常受水流沖刷，出險幾率大，為了保證堤防在設計洪水條件下的安全，需要有較大的強度和足夠的超高。依據GB 50707-2011《河道整治設計規范》中要求，堤防防護工程頂高應超過設計洪水位0.5 m。黃河寧夏段近期防洪工程和二期防洪工程中，頂高程按低于設計堤頂工程1.0 m計，此次工程依舊使用此標準。

（2） 灘岸防護工程。

依據GB 50707-2011《河道整治設計規范》中要求，海灘防護工程頂高程應與灘面相平或略高于灘面。

3.1.3占體高程和根石頂高程

對于水中進占的壩垛，其占體高程以施工期水位加0.5 m超高確定。根石拋投的頂高程按照施工期水位確定，為了對護根根石下沉起到預警作用，根石上方增設根石臺，根石臺頂部高程按施工期水位加0.5 m超高確定，根石臺寬2 m。

3.2斷面設計

根據每處工程所處地理位置、地形條件以及河勢變化、迎送流情況，并考慮新建、續建、改建工程與己建工程的一致性，確定工程的結構型式。本次設計的壩垛為土石結構，分為旱地挖槽結構和水中進占結構兩種型式。

3.2.1丁壩設計斷面

丁壩均為土心丁壩，考慮施工搶險及堆放搶險物料的需要，頂寬取10 m。

旱地施工時，壩體采用壤土或礫石土填筑，分層碾壓，其裹護段邊坡坡比在施工期水位以上為1∶2，施工期水位以下為1∶1.2。

典型河道整治工程丁壩斷面如圖1～2所示。

水中進占時，由于人工成本提升及施工效率的需要，不再采用草土埽體，仁存渡以上改用散拋石進占，仁存渡以下用格柵土枕進占。由于進占時局部流速大，占體需要一定寬度才能保證其整體穩定，且高流速下施工進占強度要求高［5］，考慮到機械化施工作業空間及安全需求，占體頂寬6.0 m，頂高程超過施工期水位0.5 m，外邊坡坡比為1∶1.0，內邊坡坡比為1∶0.75。

以施工期水位為界，將裹護體分為護坡和護根兩部分，施工期水位以上為護坡，以下為護根。根據已建工程實施經驗，此次治理工程每處丁壩由迎水側壩根開始裹護，裹護至壩頭圓弧段再回裹5 m。

護坡材料的選擇應考慮堅固耐久、就地取材、利于施工和維修，既能滿足水流沖刷和自身穩定，同時也能達到美化環境、提高護岸生態性及自然性的目的。目前常見的護坡型式有干砌石護坡、漿砌石護坡、格賓網墊、土工生態袋、生態混凝土、混凝土磚等。考慮生態效果、抗沖刷、耐久性等要求，此次治理河段護坡選用鍍鋅格賓網墊。自壩根至壩頭圓弧段再回裹5 m范圍內裹護體厚度取0.5 m，背水側其它位置不再裹護。

護根工程是河道整治工程的根基，其穩定性決定著河道整治工程的成敗［6］。通過對常用幾種護根結構形式的比較，并考慮工程、當地材料及生態效果的需求，最終確定下河沿至仁存渡河段河床以砂卵石為主，為充分利用當地材料，護根部分采用混凝土四腳體（占3/4）與散拋石（占1/4）混拋［7］，拋投外邊坡坡比為1∶1.5，內邊坡坡比為1∶1.2；仁存渡至石嘴山河段：河床以沙質河床為主，護根根石采用石籠網兜（占3/4）與散拋石（占1/4）混拋。拋投外邊坡坡比為1∶1.5，內邊坡坡比為1∶1.2。

3.2.2人字垛設計斷面

用散拋石進占及填土填筑垛體，其做法與丁壩相同。垛體采用全裹護，裹護長度為垛的臨水周長，內外邊坡坡比均為1∶2。裹護體的材料、具體制作方法、裹護體厚度和抗沖粒徑及單個塊體重量要求與丁壩裹護體相同［8］。

3.2.3護岸和聯壩斷面設計

丁壩間由聯壩相連，垛間用護岸相連，均采用壤土或者礫石土填筑，分層碾壓［9］。平順護岸、垛間護岸及聯壩頂部高程與壩、垛頂相齊，頂寬均為6.0 m，背水側邊坡坡比為1∶2，平順護岸、垛間護岸臨水側均采用鍍鋅格賓網墊裹護，內外邊坡坡比均為1∶2。聯壩臨水側無需裹護，水上邊坡坡比為1∶2，水下邊坡坡比為1∶4。

3.2.4備防石

考慮到黃河河道特殊的水沙條件，目前河勢并不十分穩定，中小水的來流方向經常處于變化中，在水流頂沖的壩垛和壩垛局部段會出現實際沖坑深度大于穩定沖刷深度（模擬計算值）的現象。同時，工程長時間靠流運行，會存在根石大量損失現象［10］。因此，工程實施時按照計算沖刷深度拋投護根，仍然可能出險，故需設置備防石。考慮實際擺放場地的限制和已建工程預留備防石搶險的經驗，丁壩按工程裹護長度5 m3/m設置備防石，護岸及人字垛按照工程裹護長度3 m3/m設置備防石。根據不同河段護根材料的特點，仁存渡上游河段備防石中四腳體體積占1/3、散拋石體積占2/3，仁存渡下游河段備防石均由散拋石組成。

3.3典型工程三維有限元的穩定性分析

假設水下拋投根石在達到設計沖刷深度后處于穩定狀態，采用三維有限元數值模擬分析對邊坡的安全系數進行驗證［11］。由于丁壩的穩定沖刷深度最大（仁存渡以上河段為10 m，仁存渡以下河段為15 m），本次計算選取具有代表性的仁存渡以上河段七星渠口險工工程和仁存渡以下河段六頃地防護工程的丁壩進行分析。

三維數值模擬分析主要利用Midas/GTS軟件，采用了基于有限元法的強度折減法。通過試算逐漸減小的剪切強度，計算至模型沒有收斂為止，將沒有收斂的階段視為破壞，并將該階段最大的強度折減率作為邊坡的最小安全系數。

3.3.1建 模

計算模型的寬度取沿壩長方向10 m寬，模型中各種材料的物理力學性能均采用莫爾-庫倫準則。所建模型見圖3～4。

3.3.2邊界條件及荷載情況

地表為自由邊界條件，不設置任何方向的約束；模型側面的側向水平位移限制為零，豎向自由；模型底部的豎向位移限制為零，不設置側向水平約束。

計算主要考慮壩體的自重應力，由于實際土體的初始應力狀態無法精確計算，作為近似估計，采用土體自重應力。

3.3.3計算工況

主要考慮以下3種工況：

① 整治流量水位條件；

② 施工期水位條件；

③ 由洪水位或中水水位驟降至施工期水位條件。

3.3.4計算結果

整體穩定計算成果見表1，發現現有工程的抗滑穩定系數不能滿足規范要求，其斷面要經過多次下蟄、搶險后方能達到穩定狀態。

4結 語

黃河寧夏段“微彎型整治+就岸防護”綜合整治方案符合河道治理現狀，通過對河道工程布置、結構設計進行全面具體的分析可知，設計方案合理。目前黃河寧夏段二期防洪河道整治工程已實施完畢，從實際效果看，能夠基本控制河勢，歸順河道主槽，消除險情隱患，確保設防標準洪水以內的防洪防凌安全，保障灌區和供水工程引水安全。

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（編輯：胡旭東）