黃土高原中小河流堤防建設探析

張永飛

(橫山區水利局河務水庫管理站,陜西 榆林 719000)

黃土高原區中小河流多為游蕩形,降水集中且稀少,洪水具有暴漲暴落和季節性。黃土質地疏松,地質不穩,增加了堤防建設難度?，F以橫山區塔灣集鎮防洪工程為例,對黃土高原區中小河流堤防建設進行探討。

1 概 況

蘆河發源于白于山北坡,全長166 km,流域面積2486 km2,在橫山境內流程55 km,在橫山區石馬洼流入無定河[1]。榆林市橫山區位于黃河中游、陜西省北部,擬建的塔灣鎮防洪工程位于橫山區西南部30 km處蘆河下游的塔灣鎮,現有人口3100人,機關事業單位14個,學校1處,糧站1處,總土地面積為737hm2,其中沿河兩岸分布川臺耕地325.62hm2。

2 河道現狀及存在的問題

2.1 河道現狀

塔灣集鎮防洪工程蘆河段長1864m,支溝楊小川段長554m。工程區屬U型河道,流向大致為自南向北,河谷開闊,蘆河段河谷寬度約20～60m,支溝楊小川段河谷寬度約20～40m。所在河道基本沒有堤防和護岸工程,只有部分植物防護的土堤,高1.0～1.5m,農田防護只有零星的植物措施。部分路堤設計標準低、質量差、不連續,局部河段排洪不暢,有漫灘現象,整體河道防洪標準低。沿河人口居住密集,機關事業單位較多,一旦發生特大洪水,后果不堪設想。

2.2 河道演變分析

將蘆河陜西省1980年測繪1∶50000地形圖河勢與2020年8月實測地形圖河勢進行套繪。發現40年間,蘆河河道主流平面擺動變化不大,河勢基本吻合,工程區河勢處于穩定狀態。經實地查勘,工程附近河道歷史上和近期一直沒有明顯的沖刷和淤積,枯水時部分河灘有少量泥沙淤積,洪水期被洪水沖走,近幾十年來河床高程沒有大的變化。

蘆河屬于山區性河流,懸移質大都是細沙和壤土,河道沖淤變化的規律是大水沖、小水淤,根據歷史河床沖淤變化情況預測,未來河床沖淤變化是相對平衡的,所以預測今后也不會發生大的變化。

2.3 存在的主要問題

2.3.1 防洪體系未形成,防汛形勢嚴峻

塔灣鎮基本沒有堤防和護岸工程,部分河段排洪不暢,經常遭受洪水威脅。河道兩岸分布有農田、學校及村莊,農田與河底高差不足3m,不能滿足10a一遇的洪水要求,整體河道防洪標準低。

2.3.2 投入資金不足,洪澇問題日益突出

橫山區屬傳統農業縣,由于地方財力有限,對河道治理的投入遠不能滿足鄉鎮段防洪工程的需要。蘆河在橫山境內55km長只有在縣城區規劃了近6km的防洪堤,其余河道依然是歷史形成的自然河道,沒有任何防洪設施,上游出現大洪水主要靠河口廟水庫來調節。

2.3.3 生態環境惡劣,集鎮環境影響嚴重

經現場勘察,塔灣蘆河段河灘裸露,雜草叢生,河道內亂堆、亂扔、亂種現象嚴重,主河槽逐年變窄,嚴重影響了塔灣鎮的整體形象,制約著當地經濟的快速發展。

3 工程布局及建設方案

3.1 工程任務

為了保障塔灣蘆河兩岸群眾生命財產安全,塔灣集鎮防洪工程建設勢在必行。蘆河段為左右岸雙側堤防,始于塔灣鎮塔灣中學上游響鈴塔下,終于楊小川與蘆河匯流處,規劃新建堤防長3914m,其中左岸長2093m(樁號0+000～2+093);右岸長1821m(樁號0+000～1+821)。楊小川段為左岸單側堤防,起點塔灣鎮主街大橋,終于大橋下游554m處與蘆河段堤防相接處,新建堤防554m(樁號1+821～2+375)。塔灣鎮防洪工程共規劃新建防洪堤4468m。

3.2 堤線布置

蘆河段防洪堤左岸為農田,右岸為居民區及規劃移民安置區。根據當地群眾要求,盡量直線布置,縮短堤防長度,減少投資,增加宅基地面積,同時避免因水位較高而增大工程量和投資。經綜合考慮,分析確定蘆河段最小堤距為30m。楊小川段河道兩岸均為農田,是當地農民的生命田,所以要盡量沿田坎線布置,堅持少占耕地多造田、減少開挖方量的原則,并結合河道平面光滑平順銜接的要求,確定楊小川段最小堤距為25m。

3.3 建設方案

堤防工程左岸為土質堤防,植物護坡,建設中對原生植物盡量保存,迎水坡比1∶2.0,堤高2.9～3.9m,堤頂寬3m,頂鋪15cm厚砂礫石墊層,迎水坡采用三維土工網墊防護,表面植灌木類植物防護;右岸采用漿砌坡式護岸。堤岸防護工程級別為4級,洪峰流量蘆河段229m3/s,楊小川段落126m3/s。根據防洪需求,工程設計的洪水標準為20a一遇。

4 堤防工程設計

4.1 結構設計

4.1.1 堤頂高程確定

依據《堤防工程設計規范》,堤頂高程應按設計洪水位加堤頂超高確定,本工程相應安全加高為0.6m。根據橫山區氣象站資料,項目區最大風速為25.7m/s,根據規范,河水波浪爬高為0.54m,風壅增水高為0.005m。 則堤防超高:

0.54+0.005+0.6=1.15(m)

由上可知,堤防堤頂安全超高為1.15m,取1.2m,堤頂高程為設計洪水位加1.2m。

4.1.2 河床最大沖刷深度計算

工程區河道行洪寬度小、流速大,雖然河勢比較穩定,但隨著河道流量的變化,沿岸頂沖位置難免會上提下挫,特別是彎道段河勢的變化,對直流河段影響更是明顯[2]。因此,要重視頂沖段護根工程的深度和寬度,也要重視平順河段的護根工程設計。沖刷坑深度主要取決于河流的洪水流量、流速、流勢及河床質粒徑。本項目設計采用《堤防工程設計規范》附錄D公式進行計算。

1)水流平行于防護岸坡產生的沖刷深度:

(1)

式中:hB為從水面算起的局部沖刷深度,m;hp為沖刷處的水深,m,以近似設計水位最大深度代替;Vcp為平均流速,m/s;V允為河床面允許不沖流速,m/s,取0.7m/s;n為與防護岸坡在平面上的形狀有關,取n=1/4。

則水流平行于防護岸坡產生的沖刷深度:Δhp=hB-hp

2)水流斜沖防護岸坡產生的沖刷深度:

(2)

式中:Δhp為從河底算起的局部沖刷坑深度;vj為水流的局部沖刷流速,m/s;g為重力加速度,9.81m/s2;d為坡腳處土壤計算粒徑,cm;α為水流流向與岸坡交角;m為防護建筑物迎水面邊坡系數。

對于灘地河床,Vj按下式計算:

(3)

式中:B1為河灘寬度,從河槽邊緣至坡腳距離,m;Q1為通過河灘部分的設計流量,m3/s;H1為河灘水深,m;η為水流流速分配不均勻系數,取1.00。

工程設計防洪堤段為平順段或凹岸,只做平順沖刷深度計算,各河段基礎沖刷深度計算結果見表1。

表1 基礎沖刷深度計算結果表

由表1可知,設計河段堤防臨水側基礎埋深計算值為:平順段以及凸岸彎曲段為深泓以下約0.5m,結合實地調查綜合分析,沖刷深度取深泓以下1m。

4.2 堤身結構設計

4.2.1 堤型選擇

防洪堤一般有擋土墻和坡式護岸兩種結構形式。本工程堤線布置和堤型結構應滿足防洪和環境綜合整治建設的需要。堤型比較根據工程范圍內地形地質、河流水勢、建筑材料、施工條件、運行管理與工程要求、工程造價等因素,結合塔灣鎮實際地形情況,綜合各種因素考慮,本項目設計防洪堤采用坡式護岸和土堤植物護坡形式。蘆河段防洪堤右岸和楊小川段左岸采用漿砌坡式護岸結構形式,蘆河段防洪堤左岸植被較好,并有部分樹木,以建設綠色、生態、堤防為主題。合理利用現有林木,體現人與自然的和諧發展,因此在左岸采用土質堤護岸,迎水坡采用三維土工網墊防護,表面植灌木類植物防護,體現安全和環保的工程理念[3]。

4.2.2 結構設計

1)坡式護岸斷面:蘆河段右岸和支溝楊小川段左岸防洪堤采用漿砌坡式護岸斷面,基礎及堤身均采用M7.5漿砌石砌筑,基礎嵌入河床1.3m,寬1.0m,下鋪20cm厚砂礫石墊層,寬1.6m。地基采用振沖碎石樁處理,樁直徑1.2m,樁距2.0m,采用單排樁布置,平均樁深10m。迎水面為坡式斜墻,堤坡比1∶2.0,墻高2.9-3.9m(楊小川段墻高2.5～3.3m),迎水面為M7.5漿砌料石護坡,厚50cm,堤頂寬3.0m,頂鋪30cm厚砂礫石墊層。護坡墻背后鋪設20cm厚的砂礫石濾料帶,集中導流地表滲水,經排水管導入河內。防洪堤每隔3m設一根φ75mmPVC排水管,排水管出水口距河底0.5m,比降為1/100,兩層尼龍網包裹管頭,外填充砂礫石反濾料。護坡每隔10m設一道3cm寬的伸縮縫,縫內填充橡膠泡沫板。

2)土堤植物護坡斷面:主河蘆河段左岸為土質防洪堤,植物護坡,對原生植物盡量保存,迎水坡比1∶2.0,堤高2.9～3.9m,堤頂寬3m,頂鋪15cm厚砂礫石墊層。迎水坡采用三維土工網墊防護,表面植灌木類植物防護。

4.3 堤防穩定處理

為了提高和確保堤防的穩定性,堤防后背需土料回填,填筑土料可從蘆河右岸山體開挖,距離河堤運輸最遠處達2km,土料儲量完全滿足工程需求。為保證堤后填方的穩定,采用機械碾壓,填筑土體土料壓實度≥92%。當筑料土體天然含水量小時,應隨時灑水處理,含水量應控制在14%。

經對塔灣集鎮段4468m河道地質勘測,現狀河道底淤泥至巖石層面較深,最深處達15m,最淺6.8m。現狀河道天然地基承載力為100kPa,不滿足設計要求,需要對天然地基進行處理,以提高現狀基礎的承載力。本項目工程采用振沖碎石樁處理,處理后均能滿足設計承載力要求。根據已有防洪工程施工經驗和地勘提供的地基處理建議,采用振沖碎石樁處理,碎石樁直徑1.2m,平均樁深10m,布置單排樁,相鄰兩根樁中心之間距離2.0m,樁頂與護坡砌石墻基礎之間鋪20cm厚的砂礫層。共需振沖碎石樁約1188根。

工程完工后,對河道進行疏浚清淤,清除河道淤積泥砂、生活垃圾、雜草,阻礙河道行洪的淤積物。清淤高程按設計河床高程,清淤深度0.3～0.8m,比降為1.72‰ 。

5 結 語

黃土高原區洪水沖刷力大,河勢復雜,土質疏松,增加了堤防建設難度。塔灣集鎮河道治理工作總體滯后,河道防洪能力差、行洪不暢,已成為影響當地社會經濟發展和農民增收的一大瓶頸。通過分析探討,按照20a一遇防洪標準進行堤防工程建設,以建設綠色、生態、堤防為主,確定堤距為25～30m,防洪堤采用坡式護岸和土堤植物護坡形式。蘆河段防洪堤右岸和楊小川段左岸采用漿砌坡式護岸結構形式,為堤防工程建設提供了科學依據。