莊河市河道維修養護工程設計探析

李 穎

(遼寧省鐵嶺縣新臺子鎮水利工作站，遼寧 鐵嶺 112611)

1 莊河河道現狀

莊河發源于莊河市蓉花山鎮猴石嶺，流經莊河市蓉花山、光明山、太平嶺、徐嶺、興達街道，于城關街道龍王廟村南端注入黃海。流域面積618 km2，河長56.5 km，河道平均比降2.83‰。莊河分東西兩大支流，西支發源于桂云花鄉桂云花山南麓，流經桂云花、長嶺，在太平嶺鄉注入莊河干流，流域面積267 km2，河流長31 km，河道平均比降2.89‰。莊河市境內河流屬黃海水系，河網比較發育，除碧流河為莊河市與普蘭店市界河外，有九條主要河流獨立注入黃海。莊河市境內有50 km2以上的河流21條，大多河流坡降大、河床窄，流速大，河流洪、枯水位變差大，汛期洪水暴漲暴落，洪峰持續時間短。多支河道存在防洪標準低，洪澇災害嚴重，缺乏全河道的防洪、生態、水質保護和全流域的水土保持規劃。

2 擬維修養護河段問題分析

本次以莊河一段10 526 m的長河道研究對象，該段河道存在淤積較重，雜草從生，河道面貌不堪，行洪斷面狹窄；現有部分段堤壩由于沒有防護措施，受水流沖刷，已經形成陡坎、片坡[1]，已嚴重威脅到堤防安全，一旦遭遇大洪水，現狀河道將形成很大的洪水災害，沿岸大量民房、果樹、糧田將會收到洪水沖擊，給當地人民生活、生產帶來災害性的威脅，造成巨大的經濟損失，為了保障兩岸民房、耕地、人民群眾生命財產安全，必須對河道進行清淤，對堤防進行防護，對壩炕進行修復及綠化，提高河道防洪能力，減少洪水災害，為人民生活生產提供安全保障是當務之急[2]。

3 河段維修養護工程設計分析

3.1 堤防工程

根據《堤防工程設計規范》相關規定，堤頂設計高程按設計洪水位加堤頂超高確定，堤頂超高為安全超高加風浪爬高加風壅水面高[3]。堤頂超高由下式計算：

Y=R+e+A

(1)

式中：R為堤頂超高(m)；e為設計波浪爬高(m)；A為設計風壅增水高度，(m)(忽略不計)；為安全加高，不允許越浪取0.5m。

其中的風浪要素按下列公式計算確定：

(2)

(3)

按平均波周期計算波長L由下式確定：

安全加高根據堤防工程級別由規范查取[4]，安全加高A值按《堤防工程設計規范》，本設計堤防等級為5級，在不允許越浪的情況下，取A=0.5 m。波浪爬高計算如下：

(4)

在風的直接作用下，根據規范，正向波在單一斜坡上的波浪爬高按下列公式計算[5]：

當m=1.5～5.0時，按下式計算，

(5)

式中：RP為波浪爬高(m)；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數，楓楊與干砌塊石護面K△=0.8。KV為經驗系數；KP為爬高換算系數；m為斜坡坡率(m=1.5～5.0時)，m=ctgα，α為斜坡坡角(度)；為堤前波浪的平均波高(m)；L為堤前波浪的波長(m)。

河道堤頂高程設計成果見表1。

表1 各河道堤頂高程設計成果表 m

3.2 塊石粒徑選擇及護砌厚度確定

3.2.1 護坡厚度計算

由于設計采用干砌石護坡，根據《堤防設計規范》計算干砌石護坡厚度如下：

(6)

m=cotα

式中：t為斜坡干砌塊石護坡厚度(m)；K1為系數，干砌石取0.266；γb為塊石的容重(kN/m3)，26.5kN/m3；為水的容重(kN/m3)，10kN/m3；H為計算波高(m)，當d/L≥0.125，取H4%，當d/L<0.125，取H13%，d為堤前或岸坡前水深(m)；L為波長(m)；m為斜坡坡率；

3.2.2 塊石粒徑計算

根據《堤防工程設計規范》，可按下式計算：

(7)

式中：d為折算直徑，m，按球型折算；V為水流流速；g為重力加速度；C為石塊運動的穩定系數；傾斜坡底取C=0.9；γs為石塊的重率，可取γs=2.65 g/cm3；γ為水的重率，γ=1.0 g/cm3。

經計算，塊石粒徑d計算值為0.19～0.27 m，考慮當地塊石粒徑及護坡安全，本設計取護坡的厚度為0.30 m。

3.3 沖刷深度計算

1)河道沖刷計算采用《堤防工程設計規范》中公式計算水流平行于岸坡產生的沖刷深度：

(8)

(9)

(10)

式中：hs為局部沖刷深度(m)；H0為沖刷處的水深(m),以近似設計水位最大深度代替，Ucp為近岸垂線平均流速(m/s)；Uc為泥沙起動流速(m/s)；U為行進流速(m/s)；n為岸坡形狀系數，n=1/4～1/6，取1/6；η為水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角α查得1.0；γs、γ為礫砂與水的容重(17 kN/m3)，取10 kN/m3；d50為床沙的中值粒徑(m)。

2)河道沖刷計算采用《堤防工程設計規范》(GB50286-98)附錄D.2中公式計算水流平行于岸坡產生的沖刷深度：

(11)

(12)

式中：hB為局部沖刷深度，m。hp為沖刷處水深，m，以近似設計水位最大深度代替。Vcp為近岸垂線平均流速，m/s； V為行進流速(m/s)；V允為允許不沖流速，m/s；n為系數，n=0.25。η為水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角α查得η=1.0。

3)設計最大沖刷深度取值

以上分別采用《堤防工程設計規范》對沖刷深度進行計算，計算沖刷深度分別為0.7～1.13 m。經與莊河市河道管理處、各鄉鎮水利站、當地沿線村屯百姓溝通了解，本次治理段河道歷年平均沖刷深度均未超過1.2 m。結合以上情況綜合分析，本次設計沖刷深度取1.0 m、1.2 m，護腳綠格網箱地面以下埋深為1.0 m、1.2 m。

3.4 擋墻穩定計算

抗滑穩定計算：

以李洞河擋用北京理正水工擋土墻穩定計算得出：通過計算可知，抗滑穩定系數1.399大于1.20，滿足規范規定要求，故橫道河河道護岸漿砌石擋墻滿足穩定安全要求[6]。

3.5 無紡布規格

無紡布作為干砌塊石護坡的反濾層對護坡的穩定性和耐久性非常重要，必須選擇質量較好的無紡布為護坡反濾層，根據工程經驗，300 g/m2無紡布利用到本工程中較為合適，建議無紡布各項質量指標如表2所示。

表2 聚酯長絲紡粘針刺無紡布技術指標

3.6 護腳綠格網箱

3.6.1 綠格網箱材料

綠格網箱采用專業生產廠家的成品網箱，現場組合而成。矽膠涂塑鋼絲為鍍鋅鋼絲經深度防腐加工而成，在鍍鋅鋼絲和涂塑層間用矽膠層緊密粘合，將金屬與空氣、水隔絕，從而防止其氧化生銹。

3.6.2 網箱規格

干砌石護腳網箱 長×寬×高=4 m×1 m×1.2 m(4 m×0.8 m×1.0 m)，護岸綠格網箱長×寬×高=4 m×(1～2.2)m×(0.7～1.0)m

3.6.3 網孔與網絲規格

網孔100×120 mm，網絲Φ2.5 mm矽膠涂塑后Φ3.5 mm，邊絲Φ3.2 mm矽膠涂塑后Φ4.2 mm。

3.6.4 矽膠涂塑鋼絲力學性能

拉強度>400Mpa；斷裂延伸率>10%。

3.6.5 矽膠涂塑鋼絲外覆聚酯膜力學性能

抗拉強度>215 mpa，斷裂延伸率>180%。

3.7 橋涵維修工程

3.7.1 工程等別和標準

本工程為村級道路跨河建筑物，橋涵設計標準為：(1)設計荷載：公路Ⅱ級。(2)車橋設計洪水頻率：十年一遇。(3)涵洞設計洪水頻率：十年一遇。

3.7.2 結構設計

橋涵工程結構采用交通部《小橋涵標準圖集》，結構驗算從略。

3.7.3 主要材料

(1)砼標號：行車道板、防撞墻采用C30砼，墩、臺帽均采用C25砼。

(2)漿砌石：墻體、護坡、護底采用M10水泥砂漿砌筑。

(3)鋼筋：直徑Φ≥10 mm者采用HRB335鋼筋，直徑Φ≤10 mm者采用HRB235鋼筋。其技術符合GB13013、GB1499的規定。

3.7.4 橋涵過流能力驗算

1)設計洪水

本工程新建橋涵7座，相應流域洪水主要由暴雨形成，本次設計采用交通部公路科學研究所提出的匯水面積小于10 km2的設計洪水計算經驗公式：

Q=KFn(m3/s)，

式中：K為徑流模數；n為地區指數；n=1(F<1.0 km2)，n=0.85(1.0≤F<10.0 km2)； F為匯水面積(km2)。

2)橋涵過流能力驗算

按寬頂堰自由溢流公式計算：

式中： b為每孔凈寬；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭；v0為行近流速；m為自由溢流的流量系數；n為閘孔孔數；σc為側收縮系數。

經計算橋涵過流能力均大于相應設計標準下洪峰流量，故滿足過流要求。

4 結語

河道治理是一個系統工程，不僅關系到區域防洪安全，還涉及到生態環境保護和水資源可持續利用，在確保防洪安全的基礎上，充分發揮河道治理的綜合效益，為經濟社會的可持續發展提供保障。本次維修養護段與農村的生產、生活環境，城鎮、農村飲水環境建設息息相關，加強河道維修養護工程建設，對改善農村的生產、生活，保障城鎮、農村飲水安全起到巨大的促進作用，加快了社會主義新農村建設進程。