臺頭山河小流域防洪治理工程研究

王 慶，楊大魁

(凌源市水務(wù)局，遼寧 凌源 122500)

每年汛期，洪水造成河流水位上漲，嚴(yán)重威脅到居民的生產(chǎn)、生活安全，為了保障兩岸居民安全，提前進(jìn)行防護(hù)治理是非常必要的。有較多的學(xué)者對小流域河流治理工程進(jìn)行研究。崔海崗[1]、張繼斌[2]、曹菀[3]對河流防洪設(shè)計(jì)中水面線的推算進(jìn)行了研究，認(rèn)為降水對面線有較大的影響；王建明等[4]對小流域防洪治理工程進(jìn)行研究，提出了河道疏浚等方案，取得了較好的治理效益；杜江鳴[5]基于河道自身行洪能力提出了一種防洪工程施工工藝技術(shù)，在工程中取得了較好的效果；陳梁擎等[6]使用投影尋蹤方法對不同的河流治理效益進(jìn)行研究，建立一種新的評價(jià)模型；馬靜輝[7]以七里莊西溝為例，研究了支流防洪工程對干渠的影響，結(jié)果表明影響較小，可滿足防洪要求；王建中等[8]使用模糊評價(jià)方法對洪水風(fēng)險(xiǎn)劃分進(jìn)行分區(qū)評價(jià)，可以為防洪工程設(shè)計(jì)提供參考；王民[9]對防洪工程的環(huán)境影響進(jìn)行分析評價(jià)，認(rèn)為產(chǎn)生的影響較小；張志學(xué)[10]對格賓石籠的防洪治理效益進(jìn)行分析，認(rèn)為可在工程建設(shè)中進(jìn)行推廣。

在此基礎(chǔ)上，以臺山頭河小流域防洪治理工程為例，分析了洪水位設(shè)計(jì)以及治理工程方案比選，選取小流域治理最優(yōu)方案。

1 工程概況

臺頭山河屬于青龍河的一級支流，河床坡降較大，河道復(fù)雜，洪水總量大，洪水調(diào)控性差，一旦爆發(fā)洪水將會(huì)帶來嚴(yán)重的損失。臺頭山河大雨大災(zāi)、小雨小災(zāi)，對流域范圍內(nèi)的居民生產(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重影響。近年來，氣候變化較大，降雨次數(shù)較之前增多、雨量增大，臺頭山河成為居民生活的一大威脅。青龍河流域自1949年以來，多次決堤，洪水頻發(fā)，受災(zāi)土地面積達(dá)8000hm2之多，占流域土地面積的一半以上，破壞房屋累計(jì)8000多間，造成多人傷亡，人民流離失所。因此，需要對流域進(jìn)行工程治理，臺頭山河綜合整治工程主要由東營子至洼子店，治理長度8.0km。工程區(qū)水位設(shè)計(jì)如圖1所示，見表1。

圖1 控制斷面水位與流量關(guān)系曲線

項(xiàng)目P/%51020φp0.520.420.3α三P0.410.330.26α三-24P0.190.190.19Qp/(m3/s)188.14126.2271.4

表2 不同堤防方案比選

2 堤防結(jié)構(gòu)方案比選

(1)方案一：柔性襯砌(鉛絲籠+塊石夾柴草護(hù)坡、鉛絲籠+塊石夾柴草基礎(chǔ))

堤防工程臨水一側(cè)坡比為1∶1.75，使用鉛絲籠+石塊+柴草的方式進(jìn)行堆砌，對河道邊坡進(jìn)行保護(hù)和基礎(chǔ)進(jìn)行處理。河床以上部位防護(hù)層厚度設(shè)計(jì)為30cm，堆砌至河岸頂，同時(shí)在襯砌層底部鋪設(shè)30cm厚的砂礫(直徑1.5

根據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B反濾層設(shè)計(jì)，被保護(hù)土為無粘性土，反濾層的級配按下式確定：

D15/d85≤4～5

(1)

D15/d15≥5

(2)

式中，D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d15—被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%，d15=0.22mm；d85—被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%，d85=0.34mm。

經(jīng)計(jì)算，D15在1.1～1.7mm之間，通過試驗(yàn)確定粒徑在1.5～30mm之間。

(2)方案二：剛性襯砌(C20砼堤防)

使用現(xiàn)場澆筑C20混凝土的方式進(jìn)行砌筑，使用C20混凝土進(jìn)行澆筑時(shí)，河床以上部位的襯砌厚度為0.15～0.20m，在襯砌結(jié)構(gòu)下方鋪設(shè)防凍墊層(使用砂礫進(jìn)行鋪設(shè))，厚度為0.60m。河床以下部位，基礎(chǔ)頂部的C20澆筑厚度為0.20～0.25m，坡比1∶2.25設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)埋深為2.0m。河道堤防按照河流流向方向每隔4m應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一道伸縮縫，寬度為3cm，使用閉孔泡沫板填縫，使用聚氯乙烯膠泥灌縫。

綜上所述，并結(jié)合表2，本次設(shè)計(jì)推薦方案一，即柔性襯砌，鉛絲籠塊石夾柴草護(hù)砌方案。

3 鉛絲籠+塊石夾柴草護(hù)坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 抗沖刷設(shè)計(jì)

臺頭山河河道比降相對較大，水流速度相對較快，河道寬度較窄。因此，水流流速v是決定護(hù)坡大小和塊石粒徑的主要因素。抗沖粒徑d。計(jì)算公式如下：

(3)

式中，C—塊石穩(wěn)定系數(shù)；γs、γ—水和塊石的容重；g—重力加速度。

通過計(jì)算塊體粒徑為0.24m。塊石歷經(jīng)相對較好，易于施工。

3.2 抗滑、抗傾覆設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范要求抗滑安全系數(shù)kc和抗傾覆安全系數(shù)km計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中，f—基底和基礎(chǔ)摩擦系數(shù)，此處取0.35；∑W、∑P—計(jì)算單元處垂向力之和和水平力之和；∑MV、∑MH—抗傾力矩和抗覆力矩。

計(jì)算過程中，采用基礎(chǔ)面作為控制面板。通過計(jì)算，各個(gè)斷面處的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 抗滑、抗傾覆安全系數(shù)

通過6個(gè)斷面的計(jì)算，使用鉛絲籠+塊石夾柴草作為護(hù)坡時(shí)，抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均能滿足要求。由于使用鉛絲網(wǎng)要求塊石體積較大，塊石完整程度較好，在鉛絲網(wǎng)的約束下，保證了護(hù)坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部的穩(wěn)定性。護(hù)岸結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 護(hù)岸結(jié)構(gòu)示意圖

4 防治工程效益分析

除進(jìn)行河道堤岸改造加固、護(hù)坡改造加固外，對河道治理采取了河道疏浚工程，作為防洪的重要手段之一，經(jīng)過河道治理，保證了臺頭山小流域沿岸居民的生產(chǎn)生活安全，同時(shí)對原有護(hù)坡工程利用，在降低工程建設(shè)投資的同時(shí)，也可以較好的保障河道洪水期的安全，具有較好的工程效益。

5 結(jié)論

(1)以臺頭山河小流域工程為例，針對堤防工程、護(hù)岸工程各提出了兩種比選方案，最終選取柔性襯砌結(jié)構(gòu)作為提防加固方案，選取鉛絲籠塊石夾柴草+砂礫墊層方案作為護(hù)坡加固方案，對護(hù)岸結(jié)構(gòu)防沖刷以及抗滑、抗傾覆安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求。取得了良好的防洪減災(zāi)效益，可為工程提供參考。