高臺縣黑河北岸山洪溝(河道)演變分析及河堤設(shè)計

馬佶琴

(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，蘭州 730000)

1 工程概況

張掖市高臺縣八壩-十壩防洪治理工程位于黑河北岸(右岸)的合黎山山洪溝道防洪區(qū)，八壩防洪堤屬合黎鎮(zhèn)，九壩、十壩防洪堤屬黑泉鎮(zhèn)，工程地理位置示意圖見圖1。

圖1 工程地理位置示意圖

防洪區(qū)涉及502戶1 308人，耕地面積0.272 24×104hm2，戈壁農(nóng)業(yè)示范基地農(nóng)場6個，黑河沿岸林草地0.053 33×104hm2以及國家級重點公益林區(qū)[1]。防洪堤兩岸分布有農(nóng)田、蔬菜園(右岸樁號3+095～3+654段)、國家級重點公益林區(qū)(右岸樁號4+480～7+160段)以及明長城、烽火臺(水涯墩)及保護范圍界樁(右岸樁號5+908～6+010之間、堤防左岸)等重點防洪保護對象。現(xiàn)狀防護區(qū)只有部分少量已建土堤，結(jié)構(gòu)簡單，防洪功能低，不符合防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，難以抵御較大洪水。且在河段內(nèi)未能形成統(tǒng)一的防洪系統(tǒng)，部分河段寬淺，每逢暴雨，洪水肆流，周邊受洪水災(zāi)害面積大，損失嚴(yán)重，無法發(fā)揮防洪工程的整體效益。防洪區(qū)內(nèi)土地資源緊缺，人均耕地面積較小，由于洪水經(jīng)常性的淘刷和侵蝕，河道兩岸蠶蝕耕地的數(shù)量逐年擴大，因洪水災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失也在逐年增加。因此，本文在防洪治理工程中進行河道演變及河相分析，可以為河道治理措施提供技術(shù)參考依據(jù)。

2 河道演變及河相分析

大量資料表明，河床在水流長期作用下，其水深、河寬、比降等形態(tài)與來水來沙條件及河床地質(zhì)條件存在著一定函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系稱為河相關(guān)系[2]。本文主要從河床穩(wěn)定、河床河相關(guān)系及河型、河道平面河相關(guān)系、河道沖淤等方面對河道進行分析。

2.1 造床穩(wěn)定分析

河道穩(wěn)定分析計算主要包括河道縱向穩(wěn)定系數(shù)和河道橫向穩(wěn)定系數(shù)的計算、分析，根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)，推斷河道形態(tài)的穩(wěn)定性。

2.1.1 河道縱向穩(wěn)定系數(shù)計算

(1)

經(jīng)計算，本河段的縱向穩(wěn)定系數(shù)見表 1。

表1 八壩段-十壩段防洪堤縱向穩(wěn)定系數(shù)計算表

2.1.2 河道橫向穩(wěn)定系數(shù)計算[3]

(2)

式中：φb為橫向穩(wěn)定系數(shù)，φb值越大，表明河道橫向越穩(wěn)定；Q為造床流量，m3/s；J為河道縱比降；B為相當(dāng)于造床流量對應(yīng)下的平灘河寬，m。

經(jīng)計算，八壩段-十壩段防洪堤在本段的橫向穩(wěn)定系數(shù)見表2。

從表2可以看出，八壩段防洪堤橫向穩(wěn)定系數(shù)φb在0.548～0.753之間，九壩十壩段防洪堤橫向穩(wěn)定系數(shù)φb在0.367～0.621之間。與《河床演變與整治》中橫向穩(wěn)定系數(shù)進行類比，分析表明八壩段-十壩段防洪堤在本防護區(qū)內(nèi)河段的橫向穩(wěn)定性較好。

表2 八壩段-十壩段防洪堤橫向穩(wěn)定系數(shù)計算表

2.2 河床河相關(guān)系及河型分析

高河道斷面河相關(guān)系主要由深寬比ξ來表征，反映了沿程河相關(guān)系的斷面穩(wěn)定性。當(dāng)ξ值愈大時，表明河道斷面愈淺，洪水對兩岸河床侵蝕愈強烈；反之當(dāng)ξ值較小時，則表示河道斷面愈深，洪水對兩岸侵蝕愈小，河道愈穩(wěn)定[4]。河道橫斷面河相關(guān)系式為：

(3)

式中：ξ為河相關(guān)系數(shù)；B、H分別為造床流量下對應(yīng)的水面寬度及平均水深，m。

計算結(jié)果見表3。

表3 八壩河段河相關(guān)系數(shù)ξ計算成果表

經(jīng)過對八壩段39個斷面進行分析計算，本段河道河相關(guān)系數(shù)為8～17，ξ平均值為15 (ξ取值區(qū)間約為2～4代表蜿蜒型河道，ξ取值區(qū)間約為20～30代表游蕩型河道，ξ取值區(qū)間約為8～12代表較為順直的過渡性河段)，所以本段河道偏向于游蕩型河段。同理，經(jīng)過對九壩十壩段53個斷面進行分析計算，本段河道河相關(guān)系數(shù)為19～21，ξ平均值為20，所以本段河道偏向于游蕩型河段。

2.3 河道平面河相關(guān)系

河道平面河相關(guān)系主要反映河灣平面形態(tài)與河道特征之間的關(guān)系，河道的平面形態(tài)是由一系列圓弧、反弧以及連接二者的直線段近似表示。在治導(dǎo)線布置彎道半徑R、直線段長度L應(yīng)滿足下列關(guān)系：

(4)

L>(1～3)B

(5)

式中：B為河道寬度，m；R為轉(zhuǎn)彎半徑，m；W為過水?dāng)嗝婷娣e。

經(jīng)過對八壩段～十壩段防洪堤天然彎道的河灣形態(tài)特征值的參數(shù)分析，轉(zhuǎn)彎半徑R=300～500 m，直線段長L=150～300 m，基本滿足治導(dǎo)線布置的參數(shù)要求。

2.4 河道沖淤分析

河道沖淤采用《河床演變與整治》中河道沖淤判別公式中沖淤判別系數(shù)Ψ分析，沖淤判別公式為：

(6)

式中：Ψ為沖淤判別系數(shù)，當(dāng)Ψ<1時，河床將發(fā)生沖刷；v為斷面流速；ho、hi分別為進口斷面和出口斷面的斷面水深。

本文選取一典型斷面進行計算，計算結(jié)果見表4。

表4 典型斷面沖淤判別系數(shù)計算表

經(jīng)計算，在防護區(qū)內(nèi)沖淤判別系數(shù)Ψ=0.38<1，表明在防護區(qū)內(nèi)河床將發(fā)生沖刷。

3 堤身結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)河道演變特性以及河床沖刷特性，對堤身結(jié)構(gòu)進行斷面設(shè)計，初選仰斜式墻式堤防、重力式擋土墻、夯填砂礫石梯形斷面土堤3種方案進行比選[5]，斷面示意圖見圖2-圖4。現(xiàn)按照河堤高度4.5 m比較分析，具體比選方案見表5。

圖2 仰斜式擋土墻斷面示意圖

圖3 重力式擋土墻斷面示意圖

圖4 夯填砂礫石梯形斷面土堤

表5 堤身結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計比選方案表

從技術(shù)角度對比，結(jié)構(gòu)性能直墻式護岸優(yōu)于仰斜式擋土墻護岸優(yōu)于混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤；但從經(jīng)濟角度比較，混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤每公里造價遠(yuǎn)低于重力墻式護岸和護坡式護岸的造價。所以在性價比上，混凝土或漿砌石護面夯填砂礫石梯形土堤優(yōu)于墻式護岸和護坡式護岸。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，八壩段防洪堤、九壩十壩段防洪堤均為匯合口以上地形較開闊，大多為荒灘，優(yōu)先選擇混凝土護面夯填砂礫石梯形土堤；匯合口以下較為狹窄，兩岸有耕地和林地分布，只能選擇仰斜式擋土墻斷面或直墻式護岸，二者都有其優(yōu)點和缺點。直墻式護岸方案占地少，但工程量大，單位公里工程造價高； 仰斜式擋土墻方案較直墻式護岸方案占地稍多，但需要的漿砌石(或混凝土)量小，單位公里工程造價低。根據(jù)現(xiàn)場地形條件和經(jīng)濟合理的原則，結(jié)合堤段所處地理位置、河堤現(xiàn)狀、堤基地層巖性、施工條件、筑堤建筑材料、工程投資等因素綜合考慮，本次治理段堤防匯合口以上采用貼坡式護岸，匯合口以下采用仰斜式擋土墻護岸。

4 結(jié)論和建議

本文根據(jù)現(xiàn)有資料和計算成果分析，河床縱向、橫向穩(wěn)定性較好，但河道偏向于游蕩型河段。由于河道為寬淺型，河床沖刷嚴(yán)重，本文根據(jù)河道演變特性及河相分析結(jié)果，進行八壩段-十壩段防洪堤堤身設(shè)計和整體布局。本次防洪溝的治理，可以有效保護防洪渠內(nèi)人口、耕地、農(nóng)場和公益林等免受山洪災(zāi)害，確保防洪區(qū)內(nèi)人民生命和財產(chǎn)安全。