河床演變分析及危段河道綜合治理技術

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(甘肅省水務投資有限責任公司,甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

某河是某縣境內第2條大河，發源于祁連山冷龍嶺北坡，全長61公里。該河某溝為某河的支流，位于某河右岸的毛家莊村，流域面積33km2，河長10.3km。某河治理段位于水庫下游40km處，兩岸均為耕地、村莊、輸水渠等，河道左岸有漿砌石丁壩11座，丁壩對河岸只是局部防護作用，整體防護能力較弱。河道左岸為凹岸，河道主流總體偏向左岸，造成左岸岸坎滑塌，洪水侵蝕農田、道路及渠道等基礎設施。由于年久失修，河床沖刷下切嚴重，兩岸坍塌，行洪不暢，兩岸向外侵蝕嚴重，嚴重威脅左右兩岸耕地和群眾生產生活。

2 防洪工程現狀及存在的問題

2.1 防洪工程現狀

該河左右兩岸現狀為天然砂礫石岸坡，河岸邊有鄉村公路和輸水干渠，沖刷較嚴重，岸坎塌陷，向外侵蝕嚴重。該河某溝治理段由于年久失修，河床沖刷下切嚴重，兩岸坍塌，向外侵蝕嚴重，嚴重威脅左右兩岸耕地和居民生產生活。

2.2 存在的主要問題

(1)防洪體系不健全，防洪標準低。治理區防洪能力差。未治理河段現狀基本無防洪設施，未能形成統一的河道防洪系統，岸邊居民及農田遭受嚴重洪澇災害的威脅。

(2)河流規劃和前期工作滯后。已有前期工作不能滿足河流治理和管理的需要，難以有效指導近期河流的治理和保護。

(3)投入嚴重不足，問題日益突出。長期以來，中小河流治理缺乏投資機制和渠道，治理資金嚴重不足。使中小河流面臨的問題日益突出。

2.3 工程建設的必要性

(1)工程建設是保障兩岸居民生命財產安全的需要。

(2)工程建設可以治理水土流失，改善生態環境。某河河道縱坡大，暴雨洪水沖刷破壞嚴重，生態環境日趨惡化[1- 3]。

(3)工程建設是整理河床、保護穿河基礎設施的安全需要。工程建設通過防洪堤建設等工程措施，達到疏通河道、固定河槽的作用，安全下泄來洪并保護各類基礎設施安全。

(4)改善居民生活環境、建設美麗鄉村的需要。

綜上所述，為了提高工程區整體防洪能力，確保工程防護區在設計洪水標準下不受洪水侵害，保證防護區的度汛安全，確保該縣社會經濟可持續發展，建設完善的防洪體系，保護居民的生命財產安全，刻不容緩。

2.4 治理原則

河道治理在綜合性原則，協調性原則，自然性原則，經濟性原則的基礎上滿足防洪、排澇及引水等河道基本功能，通過人工修復工程措施促進河道水生態系統恢復，構建健康、完整、穩定的河道水生態系統環境[4- 7]。

3 工程建設任務和規模

3.1 工程建設任務

結合本工程的實際，通過修建堤防等工程措施，保障1.35萬人的生命財產安全，保護耕地約1.2萬畝，保護交通道路、水利設施及其它建筑物在設計洪水標準下不受洪災侵害。

3.2 治理范圍

該河某溝河道治理為保護治理段兩岸耕地，治理河段長1.307km，新建堤防2.088km，其中左岸1.044km，右岸1.044km；某河段堤防工程為某河右岸和某河左岸永新公路下游總長3.505km，新建堤防3.505km，其中該河右岸規劃堤防為第一段，從六支渠到八支渠下游長2.360km；該河左岸規劃為第2段堤防工程。

4 近期河道演變分析

4.1 造床流量

中小河流的造床流量按2年一遇的洪峰流量計算比較合理[8- 10]。故河道造床流量采用2年一遇洪水流量，見表1。

表1 2年一遇洪水流量表

4.2 穩定河寬計算

(1)

式中，A—穩定河寬系數；J—河道縱比降；Q—流量；B—穩定河寬。計算結果見表2。

從計算結果看，項目區某河第1段穩定河寬在17.31～18.65m之間，平均穩定河寬17.92m，第2段穩定河寬在17.29～27.06m之間，平均穩定河寬19.59m，現狀河道寬度在172.62～521.52m之間，本次治理以單側防護為主，由于穩定河寬相對較小，現狀河床相對較寬，故按最小河寬不小于23m控制。該河某溝段穩定河寬在4.06～5.81m之間，平均穩定河寬5.21m，現狀河道寬度在7.50～42.57m之間，由于該河某溝溝槽較陡，穩定河寬及現狀河寬相對較小，故本次治理寬度確定河寬為8.5m。

表2 治理河段穩定河寬計算結果

4.3 河道穩定性分析

4.3.1縱向穩定性分析

治理河段縱向沖淤變化基本穩定，定量分析需計算河道縱向穩定系數和河床穩定比降[11- 12]。縱向穩定系數采用希樂茲公式或洛赫金公式計算：

希樂茲公式

(2)

洛赫金公式

(3)

式中，d—床沙平均粒徑,mm(某河15mm，該河某溝20mm)；h—平均水深,m；J—縱比降,mm/m。計算結果見表3。

4.3.2橫向穩定性分析

河道橫向穩定系數計算公式為：

(4)

(5)

式中，Q—平灘流量;J—縱比降；b—枯水河寬。

橫向穩定系數0.18≤φb1≤1.5，0.09≤φb2≤0.8，河床縱向較穩定，但由于河道沒有明顯的枯水河槽，系數φb2相對較大，其主要原因是項目區段河床大部分寬淺式，河道擺動。該河某溝治理段河道總體態勢較不穩定。

4.4 河相關系

河相關系是河流水力計算和河道整治的依據，由于河床形態常處于變化過程之中，故河相關系數亦是相對均衡。項目區各段的沿程河相關系采用阿爾杜寧公式：

(6)

表3 治理河段縱向穩定系數

式中：ξ—河相系數；B—平灘水位時河寬；h—平灘水位時平均水深；m—系數，對于平原區河段取0.5。計算結果見表4。

根據計算數值，河岸不沖和難沖的河流河相系數值3～4，平面穩定的沖積河流河相系數值8～15，河岸易沖的河流河相系數值15～20。從表4可知，項目區河段河相系數偏大，某河治理段河道擺動趨勢大，該河某溝治理段有擺動趨勢。

5 河道治理工程

5.1 堤防工程

某河河道總體較寬淺，洪水期水深較小，兩岸有高低不等的陡坎，河道沿岸均為耕地、林地、村莊及設施農業，根據河道設計流量及河道過流能力，及兩岸地形條件，擬提出兩種防洪堤形式進行比選，本著經濟合理、技術可行的原則確定堤防斷面形式[13- 14]，如圖1—2所示：

通過方案比選，2種防洪堤斷面型式均能滿足河道防洪要求，方案一有占地少、抗沖性強、穩定性高等優點。缺點是斷面較大，工程量大，造價較高。該方案多適用于河道狹窄，易受水流沖刷的河岸地段，其結構多采用現澆砼或漿砌塊石砌筑，穩定性好，但墻身斷面較大，工程量大，對基礎條件要求高。方案二坡式防洪堤適應于灘地河床填方堤壩，具有結構簡單，施工工藝不復雜，維修養護較容易，工程量小、造價低等特點，目前斜坡堤多用作江、河的防洪堤。當地有較豐富的砂礫石料及塊卵石料，部分淤積河段灘地或河岸局部凸出河岸開挖的砂礫石可用來填筑河堤，筑堤材料能就地取，根據總體方案布置，本次設計某河推薦方案二坡式防洪堤方案。2種方案工程量、投資情況比較見表5。

表4 治理河段河相系數計算結果

圖1 方案一：砂礫石堤身仰斜式擋土墻護面橫斷面

圖2 方案二：梯形斷面坡式防洪堤典型橫斷面

5.2 生態格網結構護面與砼護面設計

根據選定的斷面型式，防洪工程采用碾壓砂礫石梯形斷面堤防，某河河道漫灘平坦，采用生態格網結構護面堤防。該河某溝治理段河道狹長，平均寬度3m，縱向比降大，河床沖刷下切嚴重，故兩岸采用C20現澆砼護面堤防，河床采用M10漿砌石固定。

某河段新建生態格網結構護面提防均采用夯填砂礫石土堤，迎水面采用格賓墊生態護面[15- 16]，厚度300mm，基礎為梯形結構，厚度0.5m。堤防臨水面均采用綠濱墊石籠護砌，下面鋪設反濾土工布一層，規格300g/m2，起到反濾防沖的作用。綠濱墊堤防防護厚度由下列公式計算確定：

(7)

(8)

t=2.0Dm

(9)

式中，t—綠濱墊的最小厚度；Dm—填石的中值粒徑，50%的填石粒徑超過該值；S—粒徑安全系數，取1.2；Cs—填石穩定系數，取0.1；Cv—流速分布系數，取1.25；d—流速V處局部水深；γs—填石的重度；γw—水的重度；V—斷面平均流速；g—重力加速度；Kl—邊坡修正因子，邊坡1∶2.0取0.88；R—水力半徑；b—水面寬度。

經計算，綠濱墊的最小厚度t=0.189m。依據綠濱墊常用規格尺寸，考慮施工因素、生產廠家技術要求及已建工程經驗，綠濱墊的厚度取0.3m，綠濱墊規格為長2.0m，寬1.0m，高0.3m。工程區治理段堤防考慮了施工難度、凍融循環、抗腐蝕耐久性等綜合因素，采用C20砼堤防厚度采用20cm，如圖3—4所示：

6 河道綜合整體效果

對該河治理段河槽進行疏浚整理，經實地踏勘，某河變更段河床散亂，變更設計疏浚整理。河槽整理橫斷面呈中間低，兩岸高的寬淺式梯弧形斷面，兩岸設計堤腳處整理后的地面高程較河槽中心高程(設計深弧線)高1.0m。整理河槽縱向坡比1/100～1/200之間，使河道內洪水能夠全部泄出。

河道經過堤防工程治理、生態格網結構護面與砼護面治理以及河道疏浚治理后還需進行綠化帶治理措施，在河道護堤以外種植灌木和草本植物或者景觀樹為主的植物，形成具有層次感、多彩不單一的生態綠化帶。生態綠化帶是河道的一個污染攔截系統。

表5 每單位新建防洪堤工程量、投資比較表 單位：萬元

圖3 生態格網結構護面典型橫斷面

圖4 C20砼護面典型橫斷面

7 結語

通過本工程的實施能夠提高危段河道的防洪能力，改善生態環境。河道經過綜合治理工程后不僅能有效提高該河的設防標準，恢復和強化河道行洪、排污等綜合功能、穩定河勢、改善水環境，適應河道的自然性、安全性的要求，同時使周邊居民的生命財產安全得到保障。但是河道治理目前面臨的主要問題不單純是設計施工問題，要想體現人與自然和諧相處的治水理念，實現自然生態系統和社會經濟系統的良性循環，提高大眾的環保意識才是重中之重。