其他湞江一級支流治理工程的設計要點分析

張士潔

（成都嶺南工程勘察設計有限公司，成都 512026）

1 工程概述

其他湞江一級支流治理工程分布于韶關市。本工程位于北江流域上游，氣候屬中亞熱帶季風氣候區，所處的地理位置及地形條件有利于暴雨的形成。流域水量充沛，濕潤多雨，洪水由暴雨導致。該河屬于山區性河流，總體來說山高坡陡，溪河狹窄，洪水匯流時間短，在短時間內就形成洪峰，河水暴漲，易造成山洪災害。由于本次工程涉及的流域河床比降較大，匯流時間短，洪水洪峰流量大，致使兩岸人民經常受到洪水的侵害，根據政府記載的資料，1998年-2016年18a中共發生有記載的大小洪災有8次，平均2～3a發生一次，現狀河道兩岸防洪標準均屬未設防狀態，洪水一來兩岸街道房屋受浸，農田被毀，農作物減產失收，嚴重影響了兩岸人民的生產和生活，制約了當地社會經濟的發展，河道治理勢在必行。

2 設計要點

2.1 清淤疏浚設計

根據工程現場調查，項目區內各河段均屬山區河流，坡降較陡，清淤效果不明顯。下游河岸低洼，水流流速較緩，導致河道淤積嚴重，使河床抬高，對河道兩岸產生嚴重威脅，為保證河道行洪安全，擬對治理河段全線進行清淤。其余河流在淤積不嚴重的河段不進行全線清淤，僅在坡降相對平緩或人村密集、河道中垃圾及雜物較多的河段進行少量清淤。

項目區內有多座交通橋，在工程清淤過程中，需在其基礎上下游各預留20m采用人工清淤，清淤深度不宜過深，以免影響橋墩及翼墻基礎安全[1]。本次清淤范圍分布在10個流域，清淤長度共計11.57km。

2.2 洪水設計

1）計算范圍。本次治理設計河道水面線計算河道總長23.232km。

2）斷面資料。采用2019年實測斷面資料，共布設110個斷面，平均間距約50m。

3）河道糙率。由于缺乏實測水文資料，無法通過水力學公式計算河道糙率，本報告根據河道特征，結合《水力學》（1990年科學出版社出版）里提供的糙率表進行選取。現狀河道斷面較為整齊，床面以卵石及少許孤石組成。綜合考慮，糙率取0.033；治理后河道斷面整齊，河床以卵石、礫石為主，孤石及叢木均已被清理，綜合考慮，有治理措施的兩岸建設護岸及清淤疏浚的河道糙率取0.03[2]。

采用廣東省水利廳建設管理中心和廣州沃亞軟件有限公司聯合開發的HydroLab 1.0版“水面線計算”程序推求，計算原理為伯努里方程，即能量方程：

式中：

Z1、V1為斷面1的水位和流速；Z2、V2為斷面2的水位和流速；hW為斷面1到斷面2之間的水頭損失。

本工程治理河道的16座為全開敞式水陂，均可直接利用堰流公式計算該溢流堰的泄流能力，偏安全考慮，在泄流能力計算中，不考慮輸水建筑物的泄洪作用[3]。

式中：σs為淹沒系數；m0為流量綜合系數，按折線形實用堰的流量系數表取值；B為溢流堰凈寬；H0為堰頂水頭，取H0=H+v02/2g。

2.3 岸坡整治及護岸工程

護岸工程一般可選用坡式、壩式、墻式護岸和其他護岸型式。本工程從節省投資，減少開挖占地等方面綜合考慮墻式護岸與坡式護岸型式[4]。本工程為達到更好的治理效果結合地形條件、過水斷面、征地拆遷難易程度、以及生態環境等因素分別對護岸類型提出比選方案。由于本工程治理河段屬于山區性蜿蜒型河道，河流坡降陡，流速大，河流彎曲，洪水陡升陡降，容易造成河岸沖刷，塌岸、進占農田等現象時有發生。因此，本次治理護岸型式的選擇將重點考慮護腳的防洪抗沖及保持岸坡穩定性等。同時，為了避免護岸的建設破壞河道原有生態，護腳的型式將注重親水性，護腳高度不宜太高。

2.3.1 護腳型式比選

1）護腳材料比選。對于本次護腳的材料，根據當地的實際情況，主要可采用埋石混凝土、格賓石籠、混凝土、生態漿砌石、漿砌預制砼塊這五種材料，見表1。

表1 護腳材料比選

通過以上的護腳材料比較可知，混凝土與埋石混凝土在施工及使用等方面優缺點相當，但生態型均較差，結合本工程實際情況，本次設計不推薦使用。格賓石籠生態性較好，造價不高，適用于水下施工，作為本次治理的護岸推薦方案之一。本次治理河段坡降較大，河道較窄，漿砌石抗沖刷能力較強，施工時不用使用模板，且漿砌石通過表面不勾縫等工藝，可以增強一定的生態性，做為本次治理的護岸推薦方案之一。漿砌預制混凝土塊施工中能夠預留魚槽作為水生動植物棲息場所，生態性較好，但造價較高，抗沖刷性較差等原因本工程不予使用。機械疊砌大塊石護腳，適用于各種坡降的河床，整體性好，施工速度快，基本不受河道水位的影響，大塊石間的孔隙有利于水生環境；但受石材供應的影響，本工程不予使用。

2）護腳方案比選。本治理工程結合實際地形條件、過水斷面、以及生態環境等因素提出如下5種護腳方案，可結合自身實際情況，選擇合適的方案。

護腳方案一：重力式（階梯式）護腳。該護腳采用重力式混凝土擋墻護腳，如圖1所示，具體尺寸根據實際需要確定，該方案優點為：混凝土護腳抗沖刷能力強，擋墻為直墻式能減少占用河道，施工方便，前坡階梯式，面層貼一層漿砌鵝卵石有利于親水，同時也方便人類及牲畜下河涉水等活動。缺點：開挖面大，混凝土擋墻生態效果較差。適用于局部河道較寬，人村較密集的河段，本次治理項目區內河道普遍較窄，不宜采用此種方案。

圖1 重力式混凝土擋墻護腳結構示意圖

護腳方案二：仰斜式生態漿砌石護腳（如圖2所示）。護腳采用 M7.5 砌筑，墻頂寬 0.5m，迎水坡坡比為1:0.5，迎水面表面不露漿，具有一定的生態性。優點為：抗沖刷能力強，可降低土壓力，斷面尺寸小，開挖小，節省材料。缺點：擋墻自身穩定性較差。該方案適用于高度小于4.0m、河道較窄、開挖條件較差的河段。

圖2 仰斜式生態漿砌石護腳

護腳方案三：仰斜式埋石混凝土護腳（如圖3所示）。護腳采用C15埋石混凝土澆筑，墻頂寬0.5m，前坡坡比為1:0.5，后坡坡比為1:0.25。優點為：抗沖刷能力強，整體性較好，可降低土壓力，斷面尺寸小，開挖小，節省材料。缺點：擋墻自身穩定性較差，埋石砼護腳施工時單面模板施工難度大，質量及外觀不易控制。本次設計不采用此種護腳。

圖3 仰斜式埋石混凝土護腳

護腳方案四：格賓石籠護腳。該護腳采用格賓石籠堆疊成擋墻護腳，該方案優點：結構為柔性結構能適應易變形基礎，材料可以保證河流水體與土體中水正常交換，利于水生動植物的生長，生態效果明顯，且可水下施工，不需要圍堰。缺點：格賓籠容易鉤掛垃圾和樹枝，較難清理。

墻式護岸方案五：重力式護腳。擋墻采用M10漿砌石砌筑，墻頂寬0.5m，迎水面垂直，后坡坡比為1:0.4，該方案適用于擋墻高度＜4.0m的護岸，優點為：抗沖刷能力強，對地基承載力要求小，施工方便。缺點：斷面尺寸大，開挖量大。

2.3.2 護岸工程設計

兩岸新建護岸長度0.57km，其中：左岸0.389km，右岸新建護岸0.185km。本次設計擬在上游河兩岸新建格賓石籠護岸及格賓石籠+雷諾護墊護岸。其余河段僅在沖刷嚴重河段采用格賓石籠護岸。河道兩岸岸坡整治長度0.57km，其中格賓石籠護岸長0.439km，格賓石籠+雷諾護墊0.135km。根據《生態格網結構技術規程》，格賓擋墻抗傾計算可忽略墻前的被動土壓力，抗傾覆安全系數K0可按下列公式計算：

式中：ΣMV、ΣMH分別為對墻基底前趾的抗傾覆力矩、對墻基底前趾的傾覆力矩。

抗傾安全系數要求符合下列條件：5級水工擋土墻抗傾覆穩定安全系數≥1.40；在特殊荷載組合條件，不論擋土墻的級別，抗傾覆穩定安全系數均≥1.30。格賓擋墻抗滑安全系數ks應按下式計算：

C0、ΣG、ΣH、f分別為基底黏聚力、—作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載、作用在擋土墻行全部平行于基底面的荷載、基礎摩擦系數。

2.4 水面線計算

最基本最簡單的水面線計算公式為明渠均勻流公式，在水利工程中的應用比較常見。明渠均勻流的流量公式可以按照連續方程與謝才公式予以確定：

式中：Q、n、A、R、i分別為流量、粗糙系數、面積、水利半徑、渠道比降。

水面線計算時，可以按照明渠恒定非均勻漸變流能量方程確定，在計算時公式如下：

式中：Z1、Z2、V1、V2、HW、α分別為上游斷面的水位、下游斷面的水位、上游平均流速、下游平均流速、上下游斷面之間的能量損傷、動能修正系數。軟件對動量方程與連續性方程進行確定。

式中：t、Q、x、g、C、、R、q、h分別為時間、流量、過水斷面面積、沿河道距離、重力加速度、謝才系數、動力擴散系數、水力半徑、側向入流流量、河道水位。

式中Hydrolab Basic軟件對控制方程進行計算：

式中：Z1、H1、α、v1、Z2、H2、v2分別為上游河底高度、上游河道高度、流量系數、上游斷面平均速度、下游河底高程、下游河道水位、流量系數、下游平均流速。

3 結 語

綜上所述，其他湞江一級支流治理工程在保護生態安全、附近流域居民和設施安全方面發揮著至關重要的作用。在治理實踐過程中，需要嚴格控制治理工程的各個設計要點，做好清淤疏浚設計、洪水設計、岸坡整治及護岸工程設計以及水面線計算等工作，以此保證其他湞江一級支流治理工程的整體質量和效果。