析木西大河海城河重點(diǎn)河道問(wèn)題分析及治理方案布局

劉 明

（皓筠工程設(shè)計(jì)有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110000）

析木西大河是太子河一級(jí)支流海城河支流,發(fā)源于海龍川東麓,其支流黑金河、栗子園河、岔溝河、白草洼河于李房橋與打白虎村匯入西大河,流入析木鎮(zhèn)。析木西大河2012年爆發(fā)洪水災(zāi)害,水利工程設(shè)施大面積毀壞,水毀工程修復(fù)后其河道防洪標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)、抗洪能力差,高頻率洪澇災(zāi)害限制居民生產(chǎn)與生活、制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。為保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、營(yíng)造穩(wěn)定和諧的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境,對(duì)析木西大河海城河重點(diǎn)河道進(jìn)行問(wèn)題分析與治理方案布局。

1 重點(diǎn)河道問(wèn)題分析

析木西大河重點(diǎn)段河道存在兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：

其一,基礎(chǔ)防洪設(shè)施薄弱。本次河道治理工程沿岸險(xiǎn)工險(xiǎn)段頻率高,岸坡砂礫石處于裸露狀態(tài),防護(hù)措施不合格[2]。西大河接納三條支流洪水匯入,在大規(guī)模強(qiáng)降雨天氣下,河道防洪能力不達(dá)標(biāo)、岸坡防沖能力差,致使附近農(nóng)田沖毀、交通受阻、居民生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。

其二,河道淤積嚴(yán)重。屬山區(qū)河流類(lèi)型的析木西大河存在顯著的坡面陡峻、巖石裸露、徑流系數(shù)大、匯流歷時(shí)短等特征,當(dāng)洪水下瀉時(shí)常常伴有泥沙、草木和卵石等物質(zhì),因此河道河床構(gòu)成以礫砂和粗砂為主；析木西大河上游匯入支流較陡,汛期泥沙量大,加深了河段內(nèi)淤積程度[3]；此外,生活垃圾丟入河道造成淤堵,日積月累阻礙河道泄洪。

2 治理方案布局

針對(duì)基礎(chǔ)防洪設(shè)施薄弱與河道淤積嚴(yán)重問(wèn)題,對(duì)該流域重點(diǎn)河道進(jìn)行防洪治理布局,一方面新建蜂巢網(wǎng)格護(hù)岸,提高河道抗沖刷能力；另一方面,開(kāi)展透徹的河道底部清淤處理,促使水流暢通無(wú)阻,回歸析木西大河重點(diǎn)段的正常泄洪狀態(tài)。河道兩岸蜂巢格網(wǎng)護(hù)岸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為12.018 km,左岸右岸分別為4296 m、7722 m,樁號(hào)設(shè)置為19+945～20+503 m；設(shè)計(jì)河道清淤任務(wù)達(dá)558.0 m,目標(biāo)是將恢復(fù)原有河道底寬8.0 m,清淤深度達(dá)到0.5 m。

2.1 方案實(shí)施的準(zhǔn)備工作

為確保本次治理工作可行可靠,推算析木西大河水面線,證明本方案既能解決河道防洪能力差、河道淤積問(wèn)題,又使得治理段不受海城河回水影響[4]。本研究基于《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）將防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10 年一遇。

基于能量方程求取河道水面線,因?yàn)槲瞿疚鞔蠛由絽^(qū)天然河道水流屬于恒定且非均勻的,一維水力計(jì)算程序下,一般河段的能量平衡方程表達(dá)式為：

式中：上下游兩斷面的水位差用ΔZ表示；河流流量均值模數(shù)為為上下游兩斷面過(guò)水面積均值。

橋壅水部分通過(guò)鮑爾達(dá)可夫公式計(jì)算,見(jiàn)式（2）：

式中：橋壅水高度為ΔZ1,m；水流入橋孔阻力相關(guān)系數(shù)用η表示；天然條件下橋下流速均值與沖刷條件下流速均值分別描述為V0和V。

本次河道斷面采用2017年6月實(shí)測(cè)斷面,析木西大河河口至黑金河拉木房河段實(shí)測(cè) 153 個(gè)斷面,從中選取10座橋和36個(gè)控制斷面,推求水面線的基本參數(shù)信息如下：水面線計(jì)算的起點(diǎn)水位為析木西大河入海城河河口斷面處（樁號(hào)0+000）,起始水位為64.635 m,逐段向上游推算；洪水計(jì)算成果設(shè)計(jì)為：10年一遇洪峰流量為Q10=741.09 m3/s；依據(jù)2017年實(shí)測(cè)斷面資料與河道主槽、邊灘現(xiàn)狀情況,確定綜合糙率為0.035；水面線大斷面為河道控制斷面、橋孔處斷面,一般間距為400 m～600 m。

結(jié)合《海城河河道治理規(guī)劃》計(jì)算結(jié)果可知71.0 m為10年一遇洪水位值,對(duì)應(yīng)的水位差值為4.508 m,水位值=71.0-4.508=66.492 m。該水面線推算結(jié)果顯示,樁號(hào)0+600 m位置水位達(dá)66.492 m,在海城河洪水位頂托干擾下回水段長(zhǎng)度為600 m。在本次工程方案中,析木西大河洪水位設(shè)計(jì)為69.918 m,1+789 m為起點(diǎn)標(biāo)記樁號(hào),可見(jiàn)河道治理方案回水段設(shè)計(jì)超出析木西大河較大部分,海城河回水不會(huì)干擾該段河道的治理。各斷面水面線計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 水面線計(jì)算成果

2.2 方案布局

2.2.1 蜂巢格網(wǎng)護(hù)岸

（1）蜂巢格網(wǎng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蜂巢格網(wǎng)石籠護(hù)岸厚度、邊坡系數(shù)分別設(shè)計(jì)為0.30 m和1∶2.0,將無(wú)紡布鋪設(shè)于網(wǎng)墊下方,規(guī)格為400 g/m3；坡腳處布局1.0 m×1.0 m規(guī)格的蜂巢格網(wǎng)石籠網(wǎng)箱護(hù)腳。蜂巢格網(wǎng)主材是低碳鋼絲具有高防腐性,編織后呈六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)狀態(tài),圖2為蜂巢網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 蜂巢網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)示意圖

蜂巢網(wǎng)箱在工程構(gòu)件嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)下制作而成,雙隔板蜂巢格網(wǎng)網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度30 kN/m,不僅符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),且性能更優(yōu)。蜂巢格網(wǎng)施工需遵循以下程序：地基處理平整且夯實(shí)完畢,基于測(cè)量的地形數(shù)據(jù)放定施工邊線并標(biāo)記；使用整齊石塊貼附于蜂巢格網(wǎng)籠邊以補(bǔ)齊裸露在外的定邊、側(cè)邊[5]；使用小片石料填充明顯縫隙確保蜂巢格網(wǎng)緊密堅(jiān)實(shí)。以石料為填充主材的蜂巢格網(wǎng)容易形成柔性、透水的網(wǎng)墊結(jié)構(gòu),與河道岸坡防護(hù)工程治理的匹配度高。

（2）沖刷深度計(jì)算

以《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）為依據(jù)求取河道護(hù)岸工程沖刷深度,計(jì)算方法如式（3）所示：

式中：河道局部的沖刷深度用hs表示,沖刷處的水深為H0,n值為1/5；另外,近岸垂線流速均值Ucp與泥沙起動(dòng)流速Uc計(jì)算方法如下：

其中,水流流速不均勻系數(shù)、泥沙容重、水容重描述為η、γs、γ；d50表示床沙粒徑為5.00 mm。基于上述方法求取治理河道沖刷深度結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 河道沖刷深度計(jì)算結(jié)果

表1數(shù)據(jù)顯示,樁號(hào)0+000～0+890 m河段沖刷深度上限值為0.92 m,樁號(hào)1+983 以上河段沖刷深度在0.8 m以下。保障護(hù)岸基礎(chǔ)埋深符合沖刷深度標(biāo)準(zhǔn)前提下,護(hù)岸基礎(chǔ)埋深全部設(shè)計(jì)為1.0 m,符合標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)方便材料采購(gòu)及施工。

2.2.2 河槽清淤修整

由于析木西大河重點(diǎn)段及支流黑金河段河槽內(nèi)部坑洼嚴(yán)重、沙丘垃圾等雜物量大,干擾正常泄洪,對(duì)該河段實(shí)施河槽底部清淤修整。河槽清淤修整按自然比降開(kāi)展,根據(jù)橫斷面圖土方計(jì)算確定重點(diǎn)河段河槽底部清淤工程量。

在支流黑金河上游河段,對(duì)淤積嚴(yán)重的河道實(shí)施清理,其樁號(hào)標(biāo)記為19+945 m～20+503 m,河道寬度為8.0 m,平均清淤深度達(dá)0.5 m,清淤長(zhǎng)度設(shè)定為558.0 m。清淤修整后的河道河槽平整順直,強(qiáng)降雨下河道泄洪能力大大改善。本工程河道清淤土用于河道岸坡的填筑,土質(zhì)與土量均滿足需求。

2.3 方案驗(yàn)算

2.3.1 護(hù)岸穩(wěn)定驗(yàn)算

分別定義τb、τm、τc、τs表示水流動(dòng)對(duì)河床底部的剪切力、岸坡剪切力、塊石臨界剪切力、岸坡臨界剪切力,依據(jù)式（6）～式（9）計(jì)算4項(xiàng)剪切力值以評(píng)估護(hù)岸穩(wěn)定性：

式中：斷面水深均值與河床坡降用d、i表示,水重度為γw；防護(hù)系數(shù)用C表示,Dm表示塊石中值粒徑,γs為泥沙容重；表示河岸與水平線的夾角。本工程護(hù)岸穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2數(shù)據(jù)顯示,τb、不大于1.2倍的τc,同時(shí)τm不大于1.2倍的τs,可斷定護(hù)岸至少達(dá)到0.28 m厚度才符合抗沖刷標(biāo)準(zhǔn),本工程護(hù)岸厚度為0.3 m,因此本工程護(hù)岸穩(wěn)定性通過(guò)驗(yàn)算。

表2 本工程護(hù)岸穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.3.2 邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用巖土工程系列軟件求取本工程的邊坡抗滑穩(wěn)定。邊坡填筑料設(shè)計(jì)指標(biāo)如下[6]：邊坡土料為砂質(zhì)土,天然容重為18 kN/m3,飽和容重為20 kN/m3,內(nèi)摩擦角為25°,粘聚力為0 kPa。該指標(biāo)支持下各工況邊坡整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 邊坡整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表3數(shù)據(jù)顯示,整體穩(wěn)定性符合河道修整的安全標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

為增強(qiáng)析木西大河海城河重點(diǎn)河道防洪泄洪能力,營(yíng)造穩(wěn)定和諧的社會(huì)發(fā)展環(huán)境,分析了該河道目前存在的問(wèn)題,利用新建蜂巢網(wǎng)格護(hù)岸、河道底部清淤兩種措施制定了針對(duì)性的河道治理方案。本方案存在以下優(yōu)勢(shì)：（1）采用生態(tài)護(hù)岸與硬性護(hù)岸相結(jié)合策略恢復(fù)河道生態(tài)環(huán)境,不僅河道防洪能力得到提升,也兼顧了沿岸生態(tài)環(huán)境的保護(hù),與當(dāng)前低碳社會(huì)建設(shè)目標(biāo)相適應(yīng)。（2）本次治理中河道開(kāi)挖土方大部分用于自身回填,剩余棄土用于土坑、岸坡填筑,與我國(guó)節(jié)約資源的基本國(guó)策相契合。由此可見(jiàn),本方案有效治理析木西大河海城河重點(diǎn)河道之外,發(fā)揮了生態(tài)環(huán)保功能,為區(qū)域河流防洪建設(shè)、河道治理提供了有價(jià)值的參考。