山區河流的堤防工程設計研究

盧錦城

(龍巖市永定區水利工作站，福建 龍巖 364101)

1 研究區域概況

岐嶺溪發源于湖雷鎮高地大雪崠，海拔高程1085 m，流經陳東鄉和岐嶺鄉的蕉坑、榕蛟、共星、湖河、井下、下山和蒲山7個村，于岐嶺鄉蒲山村匯入金豐溪主河道。岐嶺溪全流域面積98.1 km2，河道總長度為24 km，平均坡降10.1‰。根據現有研究成果《永定區山洪災害調查評價成果》，岐嶺溪流域內共有4個危險區，分別為岐嶺鄉井下村、下山村，陳東鄉焦坑村、榕蛟村。危險區人口共1688人，涉及戶數316戶，房屋226座。這些農民每年都因岐嶺溪的洪水而遭受土地和財產的巨大損失[1]。

2 方法與實例分析

本文對岐嶺溪河道堤防進行了數學模型研究，堤防斷面如圖1所示，進行了數學模型研究，根據河道調查資料，采用一維數學模型HEC-RAS估算河道洪水位。在HEC-RAS模型中，采用54個斷面模擬了河流的總長度。利用經驗公式推導出該河流100年重現期的流量數據。該河段的曼寧糙率值為0.035。為不同河段提供了100年一遇的洪水重現期，用作上游邊界條件。在下游邊界，在沒有測量流量數據的情況下，假設正常深度條件[2-3]。

圖1 土堤的典型斷面

2.1 模擬研究

最初的數學模型研究是在沒有再現擬建堤壩的情況下進行的。研究表明不同河段100年重現期的預測水位與工程主管部門用于防洪堤設計的水位基本一致。

2.2 筑堤

在數學模型上再現了河岸兩岸橫截面末端的堤岸。對上述上游和下游邊界條件進行了模擬；使用所描述的模型計算水位以及沿河的流速。表1為設計流量為1318.62 m3時，岐嶺溪不同河段的最大預測水位和流速。

表1 有堤和無堤水位的比較

2.3 河道整治工程

基于從一維數學模型中提取的不同水力參數，設計了兩種護岸工程。(1)斜坡堤防護工程。(2)根據現場條件和特定河段的實際情況實施上述土堤形式的保護工程[4-5]。

2.3.1 防護工程的設計

如圖1所示的保護工程適用于通過填充或挖掘的方式來修整河岸。應注意的是，在用填土修整邊坡時，河岸內的面積不應超過該段原始河流總寬度的10%～15%。

(1)斜坡堤防工程的典型計算。基本參數速度(v)為3.32 m/s,石頭的比重(Ss)為2.655 g/cm3,用于填充底板的石塊尺寸D50為175 mm(根據規范，建議使用125～225 mm的石塊，D50尺寸設定為中間值175 mm；平均流量(q)為4.914 m3/s；峰值流量(Q)為112.52 m3/s；摩擦系數(f)為6.87。

底板的表觀比重如式(1)、式(2):

Gs=Ss(1-ε)

(1)

(2)

式中：Gs為底板的表觀比重,g/cm3；Ss為石頭的比重,g/cm3;ε為空隙率。

底板重量如式(3)計算得：

(3)

式中：V為底板體積,m3；K為經驗參數， 一般取值范圍為0.60～0.85。當K的取值分別為K=0.62(岸坡為2H/1V)、K=0.76(岸坡為2.5H/1V)、K=0.83(岸坡為3H/1V)；W的計算值分別為W=151.147 kg(岸坡為2H/1V)、W=123.305 kg(岸坡為2.5H/1V)、W=112.905 kg(岸坡為3H/1V)。

底板厚度如式(4)計算得：

(4)

計算結果為T=0.3405 m。

暫時將底板尺寸設計為0.5 m×0.5 m×0.4 m(0.1 m3)(岸坡為2H/1V)、0.45 m×0.45 m×0.4 m(0.081 m3)(岸坡為2.5H/1V)、0.42 m×0.42 m×0.4 m(0.071 m3)(岸坡為3H/1V)。

檢查厚度計算中，速度壓頭：hv=v2/2g=0.5617 m，對抗負壓頭所需厚度：T=hv/(Ss-1)=0.3408 m<0.4 m，底板的厚度為0.4 m，幾乎等于負壓頭所需的厚度。因此上述各岸坡底板的尺寸是滿足要求的。

(2)典型護坦厚度計算。考慮最大流量時，HFL以下的沖刷深度DL=1.201 m。

當最大泄流強度q=4.194 m3/s，HFL以下的沖刷深度DL=1.840 m。

因此，考慮到上述兩種情況的最大值，HFL以下的沖刷深度DL=1.85 m被用于設計水下護坦。

臥式金屬底板的重量計算可知重量為93.711 45 kg，底板的體積為0.051 m3假定為0.1 m3，水下護坦的尺寸為0.20 m×0.20 m×1.25 m，分為兩層。

坡岸防護工程適用于控制水土流失和滑坡，提高邊坡穩定性和阻止巨礫層狀推移質。此類型的保護工程同樣適用于通過填充或挖掘來修整河岸。

2.3.2 土堤形式的防護工程

山區河流的大多數岸坡比3H/1V情況下更為平坦。因此本文設計的土堤防護工程適用于大多數河段，河岸土壩坡岸需要用護坡、護腳墻和水下護坦進行防護。

3 結論與建議

本文應用一維數學模型HEC-RAS估算百年重現期的洪水位。基于以上研究，得出以下結論與建議：

(1)通過添加足量的底板，利用在堤防模型研究中獲得的最高水位，確定岐嶺溪及其支流堤防的最高水位。

(2)對于3H/1V的岸坡，建議修筑防護坡度小于該坡度的土堤防護工程。

(3)建議在底板中填充石料，用于斜坡堤防護和防止高速水流對土堤的沖刷。

(4)路堤的頂部寬度可保持為3 m。

(5)建議將堤岸對齊，使河流的彎曲部分在堤岸內，寬度覆蓋整個河流。

(6)為了避免在將石頭填入底板時損壞土工織物過濾器，應在土工織物過濾器上覆蓋15 cm厚的粗砂或礫石層。

(7)建議將大塊巨石從河中心移走，或將其就地應用于護岸工程。

(8)建議護岸工程(不包括水下護坦)不得侵占原有河道寬度的15%以上。

(9)建議恢復和維護現有的防護工程，以避免對河岸造成進一步損害。