府谷縣皇甫川堤防沖刷及滲流穩(wěn)定性分析

王功成，尚艷娥

（1.陜西省府谷縣皇甫川流域治理指揮部辦公室，陜西 府谷 719400；2.陜西省府谷縣水利水保工作隊(duì)，陜西 府谷 719400）

1 概況

皇甫川發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)拉特旗南部敖包梁和準(zhǔn)格爾旗西北部，流經(jīng)府谷3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)38 個(gè)行政村，在陜西省府谷縣下川口村匯入黃河，縣內(nèi)流程48.0 km，流域面積418 km2，實(shí)測(cè)多年平均流量為4.4 m3/s，年徑流總量1.39 億m3。1989 年7 月21 日出現(xiàn)最大洪峰11600 m3/s，流域內(nèi)人口3 萬人，流域范圍耕地面積10.38 萬畝，是府谷縣拓展開發(fā)的重要地區(qū)。皇甫川無統(tǒng)一的防洪體系，右岸沿線有零散的群眾自建的小土堤，為了確保當(dāng)?shù)胤篮榘踩岣吆拥琅藕槟芰Γ鶕?jù)《陜西省府谷縣水利發(fā)展規(guī)劃》和皇甫川特點(diǎn)及治理現(xiàn)狀，規(guī)劃對(duì)黃甫鎮(zhèn)太家溝段、藺家灣段進(jìn)行防洪工程治理，河道綜合治理長度5275 m，工程綜合治理長度5275 m，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)20 年一遇。為確保堤防工程安全，這就需對(duì)堤防的抗沖刷和滲流穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 堤防工程設(shè)計(jì)抗沖刷分析

2.1 堤防工程方案

根據(jù)工程任務(wù)、防洪標(biāo)準(zhǔn)、河道特性及河道演變分析，本次防洪工程太家溝段規(guī)劃以沙墻公路大橋?yàn)槠瘘c(diǎn)，中游彎道段岸線向河道里側(cè)靠攏，采用控導(dǎo)措施，左岸進(jìn)行適當(dāng)清障，使水流偏向河道左岸，防止河水再次掏刷右岸耕地，其余段根據(jù)現(xiàn)狀岸坎線合理布置，終點(diǎn)接黃甫水文站上游基巖；藺家灣段以河道卡口山體為起點(diǎn)，到下游工業(yè)園3052 化工廠進(jìn)廠橋結(jié)束。工程以防洪保安為重點(diǎn)，總體布局上維持現(xiàn)狀格局，僅對(duì)局部岸線不合理段進(jìn)行調(diào)整，河道采用護(hù)岸工程抵御洪水，現(xiàn)存跨河橋梁作為固床節(jié)點(diǎn)工程，保證河道縱比降的基本穩(wěn)定。岸線布置充分考慮工程現(xiàn)狀和區(qū)域發(fā)展，基本不改變現(xiàn)有河道走向和位置，避免擠占河道。

2.2 岸線布置分析

按照經(jīng)濟(jì)合理，力求平順，利用現(xiàn)有岸坎和有利地形，與河勢(shì)流向相適應(yīng)的原則，進(jìn)行岸線布置。太家溝段從皇甫川大橋開始，水流經(jīng)過橋后偏向道左岸，此處布置半徑為1000 m 的彎道；R1+238～R1+779 為耕地水毀段，該段耕地被近年來的洪水掏刷，河道已經(jīng)向右岸耕地傾向嚴(yán)重，為了保護(hù)耕地不再受洪水沖毀，按照原有河床和大洪水時(shí)的河勢(shì)考慮，布置半徑為500 m 的彎道，將水流順勢(shì)導(dǎo)向下游。R1+889～R3+294 為直線段，水流沿該段順直下泄；R3+294～R3+776 段也為耕地水毀段，近年來的洪水一直掏刷該段，已經(jīng)逼近大唐府谷能源有限公司，該段同樣按照原有河道位置布置半徑為500 m 的彎道；R3+776～R4+170 為直線段，將水流導(dǎo)入下游已成防洪工程河段。藺家灣段R0+000～R1+238，從溝壑山體開始，到工業(yè)園區(qū)大橋結(jié)束，岸線布置于河道一階級(jí)地，沿河道基本順直布置，中游根據(jù)河勢(shì)設(shè)計(jì)彎道，洪水可以平順宣泄到下游。

2.3 護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)際情況，經(jīng)綜合考慮，確定黃甫鎮(zhèn)段護(hù)岸工程超高為0.5 m。

2.3.1 護(hù)岸縱斷面

太家溝段河道樁號(hào)K0+950～K1+550 段現(xiàn)狀河道左岸為較堅(jiān)硬砂礫石層，右岸為松軟的土質(zhì)耕地邊坡，導(dǎo)致洪水期間洪水一直掏刷右岸，破壞耕地。因此護(hù)岸岸線布置于沖坑以內(nèi)，防止洪水繼續(xù)沖刷耕地，左岸進(jìn)行適當(dāng)開挖，開挖的砂礫石用于填筑料，但開挖深度不超過深泓，河底縱坡以河道現(xiàn)狀縱坡為主。

2.3.2 護(hù)岸橫斷面型式

皇甫川沿程沖刷現(xiàn)象比較普遍，所以該防洪工程護(hù)岸選擇了坡式護(hù)岸型式斷面，其具有斷面結(jié)構(gòu)簡單、施工難度較低，與上下游已成工程銜接較平順等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足抗沖要求，加之岸坡高度較低，梯形斷面結(jié)構(gòu)可就近取材，適應(yīng)性強(qiáng)，工程等級(jí)相對(duì)較低，造價(jià)便宜。填筑土料選用皇甫川河道和兩岸高低漫灘的砂礫石作為擬建護(hù)岸的填筑料，運(yùn)距500 m，填筑砂礫料的質(zhì)量指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求。按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）的要求，填筑料的壓實(shí)相對(duì)密度大于0.6。

考慮到設(shè)計(jì)河段流速較大、耐久性以及造價(jià)的因素，確定采用漿砌石護(hù)坡方案。護(hù)岸臨水側(cè)采用M7.5 漿砌石護(hù)坡，護(hù)坡厚度為40 cm。基礎(chǔ)為M7.5 漿砌石砌筑，采用頂寬0.6 m，迎水面坡比為1∶0.4，背水側(cè)直立，底寬1.6 m～1.8 m 的擋土墻斷面型式。堤頂寬度取為4.0 m。平面布置考慮防汛搶險(xiǎn)、綠化等綜合因素確定。

3 沖刷及滲流穩(wěn)定性分析

3.1 河道特性及河道演變分析

治理河段平均比降2.3，河流穿行在黃土丘陵溝壑中，兩岸塬面相對(duì)寬闊平坦。從平面形態(tài)上看皇甫川主河槽寬度260 m左右，但加上灘面的行洪寬度卻在300 m～600 m 之間，由于這些灘面地質(zhì)條件各異，導(dǎo)致洪水期洪水會(huì)在行洪寬度內(nèi)來回?cái)[動(dòng)，形成許多小彎道，從藺家灣段的電力線桿基礎(chǔ)的沖刷現(xiàn)狀也可以看出，洪水到來時(shí)偏離了主槽，掏刷了灘面處的電力線桿基礎(chǔ)，以上這些都說明河床具有很強(qiáng)的擺動(dòng)性。

河道主槽相對(duì)較窄，輸沙能力較強(qiáng)；河槽徑流具有間歇性，流量變率大，粗沙比例較大，因此在年內(nèi)（年際）有沖淤變化，但多年平均沖淤變化趨于平衡。從工程區(qū)的橋梁基礎(chǔ)沖刷來看，沖刷相對(duì)較淺，說明河床下切不明顯。

總之，河道屬于游蕩性河流，在水平面上顯示較強(qiáng)的擺動(dòng)性，縱向沖淤基本平衡。

3.2 沖刷分析

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中計(jì)算應(yīng)用公式計(jì)算工程區(qū)堤岸適用部的沖刷深度為1.19 m～1.99 m。在季節(jié)性凍土地區(qū)，還應(yīng)滿足凍結(jié)深度的要求。而該段防洪工程基礎(chǔ)埋置深度順直段為2.5 m，斜沖段為3.0 m，均滿足在沖刷線以下0.5 m～1.0 m 的防抗要求。雖然基巖較淺，但上部為強(qiáng)風(fēng)化基巖，地質(zhì)特性和砂礫石相當(dāng)，抗沖刷能力強(qiáng)。

3.3 滲透穩(wěn)定分析

本次分析斷面為最不利斷面，選擇堤防臨、背側(cè)高差較大的斷面作為典型斷面，選取太家溝段R1+650、藺家灣段R0+338，采用北京理正設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的《滲流、邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序》軟件，滲流采用有限元法，穩(wěn)定采用瑞典圓弧法，進(jìn)行堤防滲透計(jì)算。

堤防加固后或者新修堤防背水坡不存在滲透穩(wěn)定問題。由水位降落浸潤線曲線得到，R0+338 斷面臨水坡計(jì)算滲透坡降最大值為0.1，小于允許滲透坡降0.15；R1+650 斷面臨水坡計(jì)算滲透坡降最大值為0.1，小于允許滲透坡降0.12，因此，滲透穩(wěn)定滿足要求。設(shè)計(jì)斷面穩(wěn)定計(jì)算簡圖見圖1、圖2、圖3、圖4。

圖1 藺家灣段樁號(hào)R0+338 水位降落期臨水堤坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖（尺寸單位：cm）

圖2 藺家灣段樁號(hào)R0+338 穩(wěn)定滲流期背水堤坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖（尺寸單位：cm）

圖3 太家溝段樁號(hào)R1+650 水位降落期臨水堤坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖（尺寸單位：cm）

圖4 太家溝段樁號(hào)R1+650 穩(wěn)定滲流期背水堤坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖（尺寸單位：cm）

設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各段護(hù)岸穩(wěn)定計(jì)算成果表

經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)斷面幾種工況的穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，本次設(shè)計(jì)斷面滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3.4 護(hù)岸工程安全性

皇甫川是陜西省的暴雨高值區(qū)河流，也是嚴(yán)重的水土流失區(qū)，治理段為皇甫川的水沙調(diào)解區(qū)域。由于護(hù)岸工程的修建會(huì)縮窄河道，減少河道灘面，使河道的游蕩性減弱，消能作用減弱，加劇水流對(duì)河岸的沖刷，但護(hù)岸工程會(huì)抵御這種沖刷作用，減少河道淤積。對(duì)河道演變影響有利有弊。修建護(hù)岸工程在一定程度上影響滯洪區(qū)的洪水量級(jí)，但大洪水期間，護(hù)岸工程允許洪水漫過護(hù)岸，在灘面上行洪，達(dá)到行洪滯洪的目的，該區(qū)域仍然是皇甫川河道的滯洪區(qū)，因此修建護(hù)岸工程對(duì)滯洪區(qū)的洪水量級(jí)影響不大。

太家溝段下游為皇甫水文站，修建護(hù)岸工程改變了河道水流的天然屬性，破壞了水文測(cè)流斷面原有的水、流、沙分布規(guī)律，改變了上下游河段的水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、水位流量關(guān)系、水位流量與含沙量間的關(guān)系，改變河道局部走向。這些都會(huì)直接或者間接影響水文資料的收集，對(duì)水文資料精度造成影響。因此，建設(shè)單位在修建工程前要密切聯(lián)系水文站所屬上級(jí)單位，明確對(duì)水文站的影響，提出相應(yīng)受影響的解決對(duì)策。

4 結(jié)語

皇甫川是府谷縣暴雨高值區(qū)河流，沿程沖刷現(xiàn)象比較強(qiáng)。歷史上曾經(jīng)的堤防因?yàn)榻ㄔO(shè)質(zhì)量低，均被洪水沖刷掏空毀壞。文章分析了河流基本概況，針對(duì)堤防工程設(shè)計(jì)方案，從岸線布置、護(hù)岸縱橫斷面選取、施工材料、工程影響等方面，對(duì)堤防的抗沖刷性、穩(wěn)定性及防洪安全性進(jìn)行了計(jì)算分析，經(jīng)過探討論證，該堤防工程方案抗沖刷性強(qiáng)、防滲透能力強(qiáng)，安全可靠，可進(jìn)行建設(shè)，供工程建設(shè)進(jìn)行參考。