某山洪溝(河道)演變分析及河堤設(shè)計(jì)研究

朱 峰，陳 霞，王海濤，趙泱軍

(江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 工程概況

某山洪溝防洪區(qū)(八壩段～十壩段)涉及502戶1308人，耕地面積4.0836萬畝，戈壁農(nóng)業(yè)示范基地農(nóng)場6個(gè)，黑河沿岸林草地0.8萬畝以及國家級重點(diǎn)公益林區(qū)[1]。防洪堤兩岸分布有農(nóng)田、蔬菜園(右岸樁號(hào)3+095～3+654段)、國家級重點(diǎn)公益林區(qū)(右岸樁號(hào)4+480～7+160段)等重點(diǎn)防洪保護(hù)對象。現(xiàn)狀防護(hù)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，河道兩岸侵蝕耕地的數(shù)量逐年擴(kuò)大，因洪水災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失也在逐年增加。因此，本文在防洪治理工程中進(jìn)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

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(jìn)行分析。

2.1 造床穩(wěn)定分析

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

(1)河道縱向穩(wěn)定系數(shù)按下式計(jì)算：

(1)

式中：φh′為縱向穩(wěn)定系數(shù)，φh′值越大，表明河道橫向越穩(wěn)定；d為床沙平均粒徑；H為河流平攤水深，m；J為縱比降，根據(jù)實(shí)測計(jì)算。經(jīng)計(jì)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(jì)算表

當(dāng)縱向穩(wěn)定系數(shù)愈小，泥沙運(yùn)動(dòng)愈強(qiáng)，河床愈不穩(wěn)定，從表1中可以看出，八壩段防洪堤縱向穩(wěn)定系數(shù)φh′=0.013～0.062，九壩十壩段防洪堤縱向穩(wěn)定系數(shù)φh′=0.001～0.195，將計(jì)算結(jié)果與謝鑒衡主編的《河床演變與整治》書中對黃河與長江不同河型及河段的對應(yīng)的縱向穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行類比分析，表明八壩段～十壩段在本防護(hù)區(qū)內(nèi)河段的縱向穩(wěn)定性較好。

(2)河道橫向穩(wěn)定系數(shù)按下式計(jì)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(jì)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。

表2 八壩段～十壩段防洪堤橫向穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表

從計(jì)算表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，同理與《河床演變與整治》課本中橫向穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行類比分析，表明八壩段～十壩段防洪堤在本防護(hù)區(qū)內(nèi)河段的橫向穩(wěn)定性較好。

2.2 河床河相關(guān)系及河型分析

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(shí)，表明河道斷面愈淺，洪水對兩岸河床侵蝕愈強(qiáng)烈，反之當(dāng)ξ值較小時(shí)，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)系數(shù)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(jì)算結(jié)果見表3。

表3 八壩河段河相關(guān)系數(shù)ξ計(jì)算成果表

經(jīng)過對八壩段39個(gè)斷面進(jìn)行分析計(jì)算，該段河道河相關(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)，所以該段河道偏向于游蕩型河段。同理經(jīng)過對九壩十壩段段53個(gè)斷面進(jìn)行分析計(jì)算，該段河道河相關(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)線布置時(shí)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 m～500 m，直線段長L=150 m～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

河道沖淤情況采用《河床演變與整治》一書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(shí)，河床將發(fā)生沖刷；v為斷面流速；h為斷面水深；0、i分別為足標(biāo)，0表示進(jìn)口斷面，i表示出口斷面。

選取一典型斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 典型斷面沖淤判別系數(shù)計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算，在防護(hù)區(qū)內(nèi)沖淤判別系數(shù)ψ=0.38<1，表明在防護(hù)區(qū)內(nèi)河床將發(fā)生沖刷。

3 堤身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，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三種方案進(jìn)行比選[5]，斷面示意圖見圖1～圖2，現(xiàn)按照河堤高度4.5 m比較分析。

圖1 仰斜式擋土墻斷面示意圖

圖2 重力式擋土墻斷面示意圖

從技術(shù)角度對比，結(jié)構(gòu)性能直墻式護(hù)岸優(yōu)于仰斜式擋土墻護(hù)岸，優(yōu)于混凝土或漿砌石護(hù)面夯填砂礫石梯形土堤，但從經(jīng)濟(jì)角度比較，混凝土或漿砌石護(hù)面夯填砂礫石梯形土堤造價(jià)遠(yuǎn)低于重力墻式護(hù)岸和護(hù)坡式護(hù)岸的造價(jià)。所以性價(jià)比混凝土或漿砌石護(hù)面夯填砂礫石梯形土堤優(yōu)于墻式護(hù)岸和護(hù)坡式護(hù)岸。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，八壩段～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(hù)面夯填砂礫石梯形土堤，見圖3；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(hù)岸，二者都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，直墻式護(hù)岸方案占地少，但工程量大，工程造價(jià)高；仰斜式擋土墻方案較直墻式護(hù)岸方案占地稍多，但需要的漿砌石(或混凝土)量小，工程造價(jià)低。根據(jù)現(xiàn)場地形條件和經(jīng)濟(jì)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(hù)岸，匯合口以下采用仰斜式擋土墻護(hù)岸。

圖3 夯填砂礫石梯形斷面土堤

4 結(jié)論和建議

本文現(xiàn)有資料和計(jì)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，根據(jù)河道演變特性及河相分析結(jié)果，進(jìn)行八壩段～十壩段防洪堤堤身設(shè)計(jì)和整體布局，工程于2018年完工，本次防洪溝的治理，可以有效地保護(hù)防洪渠內(nèi)人口、耕地、農(nóng)場和公益林等免受山洪災(zāi)害，保護(hù)了防洪區(qū)內(nèi)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。