史灌河險工淺析與治理實踐

蔣 剛 陳慶括

史灌河險工淺析與治理實踐

蔣 剛 陳慶括

一、史灌河概況

史灌河為淮河南岸最大的支流，流域面積6895km2，流域上游為山區，中游屬丘陵區，下游為平原。從整體上看，史灌河為寬淺式游蕩性河道，砂質河床結構松散，透水性強，抗沖能力低，險工多發。據2012年統計，史灌河右岸堤防蔣集～幸福閘共長32.95km，險工段長17.4km，占堤防總長度52.8%，部分堤段如任臺～秦后樓、柿園～新臺、丁營～后寨等段險工基本連成一片，且均已沖至堤腳。史灌河險工成為史灌河防洪工程體系的最大威脅，雖大多已有防護工程，但長遠看不能脫險，也是歷次工程建設中的重點之一。

二、史灌河險工成因分析

1.地質條件復雜，對抗沖不利

河床及堤基堤身巖性為結構松散的細砂、砂壤土、中細砂等無粘性土，抗沖能力極差，在迎流頂沖段、主流靠岸段引起沖刷和側蝕，造成岸坡崩坍，灘地變窄向堤腳靠近，直至沖蝕堤腳堤身形成險工。這類險工是史灌河主要部分。

2.河槽游蕩造成主流與堤腳形成大夾角沖刷

史灌河河道較寬闊，主流游蕩不定，往往直沖堤防，致岸坡快速崩塌形成險工，如高臺險工、孟小橋險工、橋溝小學險工、倒廟險工、老李集險工等。

3.受河道斷面、堤防轉角等不利影響

史灌河河道寬度變幅較大，局部河道收窄后束流致主流靠邊，導致堤岸淘涮形成險工，如陳臺險工、老貓套險工；史灌河堤防系在原有生產堤基礎上不斷加固而成，堤線較彎曲，轉角處頂沖水流形成險工，如李小莊險工、大覺寺險工等。

4.人為因素影響

主要是無序采砂形成砂丘砂坑，改變主流流向導致頂沖，采砂坑靠近堤防導致險工，此類險工在史河中、上游常見；工程治理取土取砂造成堤腳坑塘、淺溝，洪水沖刷形成堤腳“二道河”，如史灌河右堤潘莊、付寨段險工；工程治理措施不當未能兼顧上下游左右岸，如柴營丁壩過高過長，大水時強烈挑流導致對岸孟小橋險工（已護）水毀、發展等。

三、史灌河險工特點

一是破壞形式以岸坎、堤腳崩塌為主，治理需工程量大。

二是發展快、崩塌劇烈。由于河床抗沖能力差，一旦形成頂沖或主流靠邊，往往一個平水年份即可沖蝕岸灘3～5m，頂沖點處可沖蝕10m以上，2～3年即嚴重危及堤身。

三是出險突然，較難預見。史灌河主流在兩堤間擺動，河床中一個砂丘，一處新生生物障均可導致流向改變、頂沖堤岸形成險工。如2002年石營險工在一個枯水期受砂丘影響即發展200m，后又于2005年因主流折向，一次中等洪水即全部淤積而脫險。由于水流頂沖點隨沖淘進程上下游移，造成險工段較長，沖刷深大。

四、護岸護坡工程結構設計

1.防護型式選擇

河道險工防護型式常用有兩種，即丁壩與平順護岸。史灌河河床抗沖能力差，采用丁壩后主流在左右堤岸間往返折沖，容易失去控制，因此史灌河險工處理以平順防護為宜。平順護岸布置遵循以下原則：（1）防護線路盡量順應水流方向和堤岸走向，保持平滑順直；（2）兼顧左右岸，避免過分挑流或發生漩渦；（3）兼顧上下游，與現有防護工程合理銜接，使整個防護段渾然一體。

2.護岸固基結構設計

史灌河險工處理工程實踐證明，鉛絲籠拋石固基形式防護效果較好，施工簡單，質量易控制，今后一個時期仍將是史灌河險工固基處理的主要形式。

（1）由于險工護岸破壞大都是由基礎埋置深度不足造成，故鉛絲籠拋石固基設計的重點是根據水流的局部沖刷深度確定拋石基礎埋置深度。《堤防工程設計規范》（GB50286-98）規定，水流平行于岸坡產生的沖刷深度按《規范》中式（D.2.2-1）計算。

式中：hB——從水面起算的局部沖刷深度（m）；

hp——沖刷處的水深（m），以近似設計水位最大嘗試代替；VCP——平均流速（m/s）；V允——河床面上允許不沖流速（m/s）；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4。

水流斜沖岸坡產生的沖刷深度按《規范》中式（D.2.2-2）計算。

計算公式：

式中：△hp——從河底算起的局部沖深（m）；

a——水流流向與岸坡交角（°）；

m——防護建筑物迎水面邊坡系數；

d——坡腳處土壤計算粒徑（cm）。對非粘性土，取大于15%（按重量計）的篩孔直徑；對粘性土，取表D.2.2-1的當量粒徑值；

Vj——水流的局部沖刷流速（m/s）。

對于灘地河床，Vj按下式計算：

式中：B1——河灘寬度，從河槽邊緣至坡腳距離（m）；

Q1——通過河灘部分的設計流量（m3/s）;

H1——河灘水深（m）；

η——水流流速分配不均勻系數，按α角查表D.2.2-2采用。

對于無灘地河床，Vj按下式計算：

式中：Q——設計流量（m3/s）；

W——原河道過水斷面面積（m2）；

Wp——河道縮窄部分的斷面面積（m2）。

設計采用拋石固腳，埋置深度按計算沖刷深度加安全埋置深度確定。由于前述第2、3種原因，史灌河水流流向與岸坡交角往往較大，計算的△hp值遠大于hB值。安全埋置深度值的選用應參考該河段實測得到的最大沖刷深；采用hB值確定固腳埋置深度的，應視險工所處位置上下游、左右岸關系推斷發生水流斜沖可能性，適當加大安全埋置深度。對水下開挖土方困難的，可在拋石外腳增加拋石護底。

（2）頂部寬度確定。1992年，河南省水利勘測設計院在確定鉛絲籠拋石固基頂部寬度（拋石體最小厚度）時，按護坡厚度公式進行計算，計算結果顯示鉛絲籠拋石厚度1.24m時，拋石后為靜水，設計采用拋石頂部寬度為2.0m。從運用效果看，寬度2.0m偏大，但充分考慮了一段時間內鉛絲銹蝕、根石走失的影響，基本適用；2003年后，在水流平行沖刷的險工處理中，頂部寬度部分選用1.5m也能滿足運用要求。綜合考量，如有效解決鉛絲銹蝕、根石走失問題，頂部寬度可采用1.5m甚至更小。固基拋石頂部高程一般高于枯水位0.5～1.0m，臨河側邊坡1∶1.5，后坡比不緩于 1∶1。

3.護坡結構設計

砌石護坡與現澆混凝土護坡相比，質量易保證、消浪效果好，毀壞后易修復，是險工護坡主要型式。

（1）護坡厚度計算。史灌河河道比降較陡，流速較大，其護坡厚度需通過計算確定。分別按水流作用下結果和波浪作用后計算成果，取較大值確定護坡厚度。史灌河險工處理歷次設計成果均取用厚度0.3m，從運用看是合適的。

（2）護坡頂部高程確定。近幾批史灌河險工治理設計時，護坡頂部高程一般為設計洪水位以上0.5m。從汛期觀測情況看，洪水上漲期水位在河灘水深2.0m以下時，水流流速較快，沖刷較強，水位上漲至灘地以上2.0m后，沖刷力下降，對堤岸的破壞較小，因此，除堤岸邊坡較陡堤段，護坡頂部高程可適當降低。

五、對史灌河險工治理的建議

綜上所述，石籠固基在今后一個時期仍將是史灌河險工處理的主要結構型式，但該結構存在較大不足：一是塊石用量大，開山采石破壞環境，耗用資源；二是施工機械化程度低，勞動強度很大，進度慢；三鉛絲籠銹蝕腐爛后根石易走失，維修養護工作量較大。近年來其他河道有試用格賓網替代鉛絲籠，雖解決了銹蝕問題，并可一定程度減少塊石用量（縮小頂寬），但造價較高。探索險工固基新材料、新型式十分必要。

石籠固腳的埋置深度對工程量、投資影響很大，以總高度5.0m計，埋置深度減少0.5m，可減少拋石工程量15%左右；應加強觀測和試驗研究、合理確定固腳埋深，以可使固腳拋石設計更加合理、經濟。

加大生物措施防護險工的實驗。史灌河歷史上有采用植獲草、泡柳防護險工的成功經驗，在工程管理中，也發現在堤腳灘地栽植泡柳可有效控制險工發展。生物措施防護險工尤其適用于一些險情發展初期的河段，由河槽向堤防依次為：獲草固灘、泡柳固腳護堤、草皮防護堤坡。

史灌河河床內砂丘密布（史河中上游尤其嚴重），非法植樹導致河勢紊亂，加劇了險工發展，必須加強采砂管理，切實清除阻水生物障以減少人為險工

河南省固始縣水利局 465200 固始縣江河水利工程有限責任公司 465200）