黃河干流蘭州城區(qū)段防洪治理方案研究

馮海雷

(蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院 ,甘肅蘭州 730050)

黃河干流蘭州城區(qū)段防洪治理方案研究

馮海雷

(蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院 ,甘肅蘭州 730050)

首先,闡述了黃河干流蘭州城區(qū)段防洪工程現(xiàn)狀及存在的主要問題。接著,介紹了防洪治理工程的設(shè)計(jì)原則及方案設(shè)計(jì),以及新建堤防針對(duì)各種堤型斷面結(jié)合地形所作的比選,并結(jié)合實(shí)際對(duì)破損河堤提出了維修加固措施。

黃河;防洪治理;新建;維修加固;方案研究

1 概述

蘭州是黃河唯一穿城而過的省會(huì)城市,坐落于一條東西向延伸的狹長型谷地,夾于南北兩山之間。沿黃河兩岸,打造了全國唯一的城市內(nèi)黃河風(fēng)情線,東西長約50 km,被稱為蘭州的“外灘”,是市民娛樂休閑的好去處。蘭州的城市依托著黃河兩岸發(fā)展,規(guī)模逐漸外延擴(kuò)大。如何才能實(shí)現(xiàn)發(fā)展與防洪共舉,與水相依,協(xié)調(diào)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處,黃河干流蘭州城區(qū)段防洪治理就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)研究的。

黃河蘭州城區(qū)段防洪治理工程河道47.5 km,共有岸線95.044 km,其中天然陡坎22.364 km,目前蘭州已建成規(guī)劃堤防56.92 km,還有未建河堤15.76 km。通過對(duì)黃河干流蘭州市區(qū)段防洪治理工程的實(shí)施,可以使蘭州市城區(qū)形成完整、有效的防洪體系,提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),改善河道現(xiàn)狀,強(qiáng)化河道行洪功能,穩(wěn)定河勢(shì),使國家財(cái)產(chǎn)和人民的生命安全得到保障。

2 洪水特性及洪災(zāi)損失概況

2.1 洪水特性

黃河上游大洪水均由大面積暴雨形成,降水水汽主要來自印度洋孟加拉灣。黃河上游暴雨中心多集中在吉邁-瑪曲區(qū)間、瑪曲-唐乃亥區(qū)間的南段和湟水流域。汛期為5至10月,主汛期為7至9月,一次洪水過程平均為30 d左右,峰型以單峰、復(fù)峰兩種形式，洪水具有量大峰較高和歷時(shí)長的特點(diǎn)。

2.2 歷史洪災(zāi)損失概況

黃河在明代共發(fā)生水災(zāi)19次,間隔年數(shù)為14.6 a;在清代共發(fā)生水災(zāi)53次,間隔年數(shù)為5.1 a;在民國年代共發(fā)生水災(zāi)19次,間隔年數(shù)為2.1 a。說明了黃河發(fā)生洪水災(zāi)害的間隔年數(shù)越來越短,同時(shí),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,洪水災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的危害越來越大。

黃河蘭州段歷史上也曾多次發(fā)生洪水災(zāi)害,其中較大洪水見黃河蘭州段歷史洪水一覽表(表1)。

表1 黃河蘭州段歷史洪水一覽表

黃河洪水歷史上曾給蘭州人民帶來數(shù)次重大災(zāi)難,近百年來黃河蘭州城區(qū)段發(fā)生5 000 m3/s以上的洪水有7次,見黃河蘭州段近百年大于5 000 m3/s洪水一覽表(表2)。

表2 黃河蘭州段近百年大于5 000 m3/s洪水一覽表

2012年7月20日以來,黃河干流因?yàn)樯嫌螐?qiáng)降雨,龍羊峽、劉家峽兩水庫加大泄洪流量,7月30日洪峰達(dá)3 860 m3/s,黃河蘭州段河堤經(jīng)受了一個(gè)多月的長時(shí)間、大流量洪水浸泡、沖刷,造成安寧區(qū)沙井驛、七里河區(qū)天緣建材市場等幾處河堤塌方,大部分河段漫灘,堤防偎水,部分土堤滲水、河水倒灌,造成低洼地區(qū)受淹。全市黃河災(zāi)害損失達(dá)14 180萬元。

3 防洪工程現(xiàn)狀及存在的主要問題

3.1 防洪工程現(xiàn)狀

(1)大部分河段已建成百年一遇設(shè)防的永久性河堤,除有部分為天然陡坎外,還有部分未建。

(2)已建成的百年一遇設(shè)防的永久性河堤出現(xiàn)了一些病害,如漿砌塊石擋墻表面風(fēng)化、砂漿脫落等。

(3)已建成的百年一遇設(shè)防的永久性河堤局部頂沖嚴(yán)重、基礎(chǔ)泥巖外露,影響河堤運(yùn)營安全。

3.2 存在的問題

(1)隨著城市發(fā)展,防洪堤建設(shè)滯后,造成城市防洪體系不完善。蘭州市建國初期人口僅19.8萬,隨著城區(qū)人口的不斷增長,兩岸防洪堤也不斷建設(shè),目前主城區(qū)人口已達(dá)249.5萬,隨著城市擴(kuò)張和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)已經(jīng)納入市區(qū)范圍,這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)大多屬于無防護(hù)狀態(tài)。局部雖然有簡易護(hù)堤,但是在防洪標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)埋深、堤頂超高、堤身材料、抗沖能力等方面均不滿足城市堤防要求。

(2)已建堤防年代不一、標(biāo)準(zhǔn)各異、質(zhì)量差別大、部分堤防運(yùn)行年代久遠(yuǎn),存在不同程度的病害問題。蘭州市從上世紀(jì)50-60年代開始修建堤防,因陋就簡斷斷續(xù)續(xù)修建了一些防洪擋墻,受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件,這部分河堤存在著質(zhì)量缺陷和安全隱患。通過現(xiàn)狀調(diào)查和病害檢測(cè),發(fā)現(xiàn)已建防洪堤大多存在著受水流頂沖、淘刷造成基礎(chǔ)外露或埋置深度不足,擋墻墻身砂漿不密實(shí),堤身高度不足等問題。

(3)百年一遇洪峰流量幾經(jīng)變化,部分河段防洪堤超高不足。通過查閱已建防洪堤檔案資料和相關(guān)文件、報(bào)告,蘭州市城區(qū)段防洪堤的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)雖一直采用百年一遇,但洪峰流量歷經(jīng)三次變化。從1954年水利部規(guī)定百年一遇安全泄洪流量5 500 m3/s,到1956年劉家峽水庫修建時(shí)規(guī)定的百年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)泄洪量5 900 m3/s,再到1979年國務(wù)院批準(zhǔn)的第二版《蘭州市總體規(guī)劃》中的6 500 m3/s,確定后一直沿用至今。此次防洪治理方案研究通過在蘭州市城區(qū)段實(shí)測(cè)124條水文大斷面,在計(jì)算6 500 m3/s時(shí)的水面線和超高的基礎(chǔ)上,經(jīng)分析后有21.1 km防洪堤存在超高不足、達(dá)不到百年一遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的問題,需加高0.5～2.1 m。

4 防洪工程總體布局和防洪標(biāo)準(zhǔn)

4.1 防洪工程總體布局

(1)根據(jù)水流要素確定出適宜的河道寬度為280～400 m。

(2)從河床穩(wěn)定性方面確定黃河蘭州段河道總寬應(yīng)為230～350 m。

經(jīng)過多年的行洪驗(yàn)證,河道總寬在260～380 m是比較合理的,西沙黃河大橋、七里河黃河大橋、蘭州黃河大橋的橋孔均在300 m左右,也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。依據(jù)上述結(jié)論,1996年修改規(guī)劃渠化設(shè)計(jì)地段原則上河道總寬按350 m控制,一般不小于300 m。

4.2 防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《蘭州市城市總體規(guī)劃(2010-2020年)》,防護(hù)人口及耕地?cái)?shù)量,參照流域規(guī)劃中對(duì)防護(hù)區(qū)洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定,結(jié)合該工程的防洪保護(hù)對(duì)象為城市,保護(hù)對(duì)象等級(jí)為Ⅰ級(jí),選定該工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇洪水,按水文分析計(jì)算結(jié)果,相應(yīng)洪峰流量為6 500 m3/s,堤防工程級(jí)別確定為1級(jí),安全加高值為1 m,臨時(shí)建筑物級(jí)別:4級(jí)。

5 防護(hù)線路布置及堤型選擇

5.1 堤線、堤距布置原則

堤線布置應(yīng)根據(jù)防洪規(guī)劃、地形、地質(zhì)條件,河流變遷,結(jié)合現(xiàn)有及擬建建筑物位置、施工條件、已有工程狀況,以及征地拆遷、文物保護(hù)、行政區(qū)劃等因素,經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后綜合分析確定。堤線布置一般應(yīng)遵循下列原則:

(1)堤線布置應(yīng)與天然河勢(shì)相適應(yīng),不改變主流流向和天然形態(tài),并與大洪水的主流線大致平行,維持河段已經(jīng)形成的彎道順勢(shì)布局;一個(gè)河段兩岸堤距應(yīng)大致相等,不宜突然放大或縮小,堤距應(yīng)大于穩(wěn)定河寬之要求。

(2)按照制定的規(guī)劃防洪線和行洪寬度布置堤線,同時(shí)執(zhí)行強(qiáng)制性規(guī)定和防洪法的相關(guān)政策。堤線布置應(yīng)力求平順,相鄰堤段間平緩連接,不應(yīng)采用折線或急彎。

(3)堤線應(yīng)布置在占?jí)焊?、拆遷房屋少的地帶,并避開文物遺址,有利于防汛搶險(xiǎn)和工程管理,盡量避開河道兩岸現(xiàn)有耕地、林草地、灌木群及植被,并要求施工時(shí)加以保護(hù)或恢復(fù)。

(4)堤距確定應(yīng)根據(jù)流域規(guī)劃所劃分的河段確定,上下游、左右統(tǒng)籌兼顧。堤距與現(xiàn)有堤防工程銜接,合理利用現(xiàn)有行洪河道。在有條件的河段,結(jié)合當(dāng)?shù)匾?guī)劃留出發(fā)展空間,如濕地、石林景區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、河心島等。

(5)堤線堤防工程應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有堤防和有利地形,修筑在土質(zhì)較好、比較穩(wěn)定的灘岸上,留有適當(dāng)寬度的灘地,盡可能避開軟弱地基,深水地帶、古河道、強(qiáng)透水地基。

(6)堤距根據(jù)河道的地形、地質(zhì)條件,水文泥沙特征,河床演變特點(diǎn),沖淤變化規(guī)律,不同堤距的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),綜合權(quán)衡有關(guān)自然因素和社會(huì)因素后分析確定。

(7)在確定河堤堤距時(shí),應(yīng)根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求、現(xiàn)有水文資料系列的局限性、灘區(qū)長期的滯洪、淤積作用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等,留有余地。

5.2 堤型選擇的原則

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—2013),堤防工程的形式根據(jù)堤段所在的地理位置、重要程度、堤址地質(zhì)、筑堤材料、土地占用、水流及風(fēng)浪特性、施工條件、運(yùn)用和管理要求、環(huán)境景觀、工程造價(jià)等因素,經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后綜合確定。 堤防工程的結(jié)構(gòu)、材料應(yīng)符合下列規(guī)定:

堅(jiān)固耐久,抗沖刷、抗耐磨性強(qiáng);

適應(yīng)河床變形能力強(qiáng);

便于施工、易于修復(fù)和加固;

就地取材,經(jīng)濟(jì)合理。

5.3 堤防斷面型式選擇

根據(jù)工程地質(zhì)條件和當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)條件,本著經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的原則確定堤防斷面形式。設(shè)計(jì)提出三種斷面形式進(jìn)行比較。它們是:(1)衡重式擋墻;(2)鋼筋混凝土扶臂式擋墻;(3)貼坡式斷面形式。各斷面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)詳見表3所列。

6 堤防工程設(shè)計(jì)

河道堤防工程是沿河道兩岸修建的擋水建筑物。河道兩岸筑堤之后,有利于洪水集中宣泄,保護(hù)城鎮(zhèn)、村莊、田園等免遭洪水侵害。堤防工程是我國各大江河防洪工程體系的重要組成部分,它是普遍采用的一種防洪工程措施,其防護(hù)效益和重要性不可低估。設(shè)計(jì)應(yīng)合理布置,并處理好筑堤防洪的負(fù)面影響。

6.1 堤防工程總體布置

工程總體布置按照確定的布置原則,結(jié)合相關(guān)的防洪功能、護(hù)岸功能和保護(hù)對(duì)象的不同,經(jīng)過設(shè)計(jì)、測(cè)量、地質(zhì)等專業(yè)共同完成實(shí)地定線及總體布置工作。蘭州市城防段所屬河段長度47.5 km,該項(xiàng)河道治理累計(jì)長度為36.26 km,占蘭州市河段長度的76.3%,防護(hù)線總長度52.076 km,按照左右岸劃分:左岸防護(hù)19.155 km,右岸防護(hù)32.921 km。

黃河蘭州城區(qū)段防洪目前存在的主要問題是:部分河段河堤未建,部分河堤已建但存在安全隱患。針對(duì)目前黃河蘭州段防洪存在的問題和情況,將該治理工程分為兩大類:即新建段和維修段。其中新建堤防14.56 km(按墻高分為A類、B類、C類),維修加固堤防37.516 km(按維修加固形式分為D類、E類、F類、H類、J類、I類)。

6.2 新建河堤擋墻設(shè)計(jì)

該項(xiàng)方案設(shè)計(jì),結(jié)合地形,并考慮當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)狀況,擇優(yōu)選擇斷面形式(見表4)。

對(duì)于設(shè)計(jì)墻高小于12 m的擋墻形式,采用比較經(jīng)濟(jì)的單墻式斷面形式A類。

對(duì)于設(shè)計(jì)墻高大于12 m的擋墻形式,此次設(shè)計(jì)結(jié)合地形特點(diǎn),在不同地段設(shè)置不同類型的堤防形式。在西固的地形開闊處,推薦采用占地較多的復(fù)式斷面河堤B類,在雁灘及青白石的拆遷征地費(fèi)用較高地段,推薦采用占地較少的雙墻式斷面C類(臨河側(cè)采用較高的衡重式擋墻,遠(yuǎn)河側(cè)采用較低的重力式擋墻)。

表3 擋墻斷面形式方案綜合性能比較表

表4 新建河堤擋墻斷面形式特點(diǎn)比較表

堤后填料的填筑要求非粘性土相對(duì)密度不應(yīng)小于0.65,填筑土料含水率與最優(yōu)含水率允許偏差±3%。河堤墻背要求采用砂礫土回填,擋墻設(shè)置泄水孔和反濾層,反濾層材料采用土工布?；靥罹€以上墻背部分先熱涂瀝青兩遍,然后鋪設(shè)土工布。

新建河堤A類、B類、C類擋墻布置標(biāo)準(zhǔn)斷面圖型式見圖1～圖3所示。

圖1 A類擋墻布置典型斷面圖(墻高小于12 m)

圖2 B類擋墻布置典型斷面圖(設(shè)計(jì)堤高大于12 m)

6.3 維修加固擋墻設(shè)計(jì)

6.3.1 已建堤防坍塌及基礎(chǔ)、墻面破損維修設(shè)計(jì)

圖3 C類擋墻布置典型斷面圖(設(shè)計(jì)堤高大于12 m)

在河堤的運(yùn)營工程中,由于自然老化、河道改道、河道清理疏浚及河道內(nèi)亂挖偷采現(xiàn)象,使原來按照黃河百年一遇設(shè)計(jì)的河堤出現(xiàn)了一些問題。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及黃河蘭州段已建堤防病險(xiǎn)隱患檢測(cè)報(bào)告分析,針對(duì)已建河堤存在的安全隱患,維修段提出四種類型:即D類、E類、F類、H類。

6.3.1.1 D類——坍塌維修段的河堤(見圖4)

針對(duì)坍塌段河堤,分析原因,主要是因?yàn)樯嫌螐?qiáng)降雨,龍羊峽、劉家峽兩水庫加大泄洪流量,黃河蘭州段河堤經(jīng)受了一個(gè)多月的長時(shí)間、大流量洪水浸泡、沖刷,以及河道主河槽改道,河堤受到局部沖刷加大,導(dǎo)至基礎(chǔ)淘空,泥巖軟化,河堤垮塌。由于發(fā)生河堤垮塌后,原河堤設(shè)計(jì)線處基底卵石層已被淘刷干凈,僅留垮塌后形成6～8 m的松散塌陷土體,含水量高、承載力極低,設(shè)計(jì)時(shí)考慮到將該部分土體挖除換填,換填量巨大,費(fèi)用高,設(shè)計(jì)針對(duì)這樣的情況,提出了設(shè)置鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ),穿過松散體,讓底層泥巖作為持力層的改建方案。衡重式擋墻下設(shè)C25鋼筋混凝土雙排樁基礎(chǔ),樁徑1.2 m,樁長12 m,縱向樁間距3.2 m,承臺(tái)厚2 m。擋墻15 m設(shè)置一道沉降縫,每15 m設(shè)置10根樁。

圖4 坍塌維修段D類擋墻典型斷面示意圖

6.3.1.2 E類——墻面破損,沖刷加劇,河床下切嚴(yán)重地段的河堤加固(見圖5)

經(jīng)過對(duì)沿線河堤的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)黃河右岸七里河黃河大橋-天慶萊茵小鎮(zhèn)段、左岸安寧狼舌頭泵站-省森林總隊(duì)范圍內(nèi)河堤墻面風(fēng)化,擬對(duì)其進(jìn)行墻面做鋼筋混凝土封護(hù)處理。鋼筋混凝土墻面下做鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ),墻面坡度由原來的1∶0.1過渡到1∶0.2,增加其穩(wěn)定性,并針對(duì)基礎(chǔ)沖刷加劇,河床下切嚴(yán)重地段采用拋石固基處理。

圖5 坍塌維修段E類擋墻典型斷面圖

6.3.1.3 F類——原有二級(jí)擋墻河堤需在其間增加抗沖刷措施(見圖6)

經(jīng)過對(duì)沿線河堤的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)黃河右岸蘭化106油庫段河堤兩級(jí)擋墻之間無防護(hù),且二級(jí)擋墻埋設(shè)很淺,不能滿足沖刷要求。因此,對(duì)該段河堤采用在兩級(jí)河堤之間加鋪0.2 m厚C20混凝土硬化防護(hù)處理,加強(qiáng)兩者之間聯(lián)系,防止墻間淘蝕。其中類型二適用于一級(jí)擋墻基礎(chǔ)處于沖刷嚴(yán)重段的擋墻的防護(hù)。

圖6 坍塌維修段F類擋墻典型斷面圖

6.3.1.4 H類——墻面完好、沖刷加劇,河床下切嚴(yán)重段河堤加固(見圖7)

經(jīng)過對(duì)沿線河堤的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)黃河南岸西固、馬灘段,黃河北岸小西湖黃河大橋東側(cè)部分河堤墻面基本完好、基礎(chǔ)掏沖嚴(yán)重,擬對(duì)其下部進(jìn)行拋填石塊,上置鋼筋石籠,防止沖刷淘蝕基礎(chǔ)。所有的拋填石塊加固時(shí),應(yīng)先對(duì)水下脫漿擋墻墻面進(jìn)行空洞充填、脫漿塊石補(bǔ)縫,待其達(dá)到砂漿強(qiáng)度90%以上時(shí),再進(jìn)行拋填塊石,防止沖刷。

圖7 坍塌維修段H類擋墻典型斷面圖

根據(jù)《黃河蘭州段已建堤防病險(xiǎn)隱患檢測(cè)報(bào)告》中的檢測(cè)內(nèi)容,沿線已建河堤存在的主要問題是超高不足,河道沖刷加劇、河床下切嚴(yán)重,漿砌石墻面破損,針對(duì)這些病害,提出了針對(duì)性的維修方案。對(duì)河道沖刷加劇、河床下切嚴(yán)重的做出了拋石固基處理;對(duì)墻面破損的做出了鋼筋混凝土面板防護(hù)處理。

6.3.2 已建堤防高度不足維修段

對(duì)于黃河蘭州段已建的河堤,根據(jù)計(jì)算,復(fù)核其過流能力。對(duì)于按照百年一遇流量設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的堤頂高程高于現(xiàn)狀河堤堤頂高程的確定為堤防超高不足,按照其不足程度分類處理(見圖8)。對(duì)超高不足在0.5 m以內(nèi)的不做處理。對(duì)于標(biāo)高相差不足1 m的已建段,采用拆除原有河堤欄桿,改造為鋼筋混凝土花池護(hù)欄,中間栽種花草,鋼筋混凝土墻身還可作為超高防浪(見圖9)。對(duì)于標(biāo)高相差大于1 m的已建段,采取拆除原有河堤欄桿,在其上加高原有游覽道至設(shè)計(jì)標(biāo)高。維修加固段擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用《理正巖土計(jì)算—邊坡穩(wěn)定分析程序》對(duì)擋墻的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算。

7 結(jié)語

圖8 堤防高度不足維修段典型斷面示意圖

圖9 改造花池欄桿大樣示意圖

黃河干流沿岸是甘肅省經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的區(qū)域,但防洪能力薄弱,工程區(qū)河段上、下游許多河岸仍處于無任何防護(hù)的天然狀態(tài),與高速發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)不相適應(yīng)。當(dāng)有洪水來臨時(shí),沿河居民處于險(xiǎn)境,精神高度緊張,情緒不穩(wěn),生活環(huán)境的安全受到威脅,急需有一道安全屏障,來保證沿岸居民安居樂業(yè)。

通過對(duì)黃河干流蘭州市區(qū)段防洪治理工程的實(shí)施,可以使蘭州市城區(qū)形成完整、有效的防洪體系,提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),改善河道現(xiàn)狀,強(qiáng)化河道行洪功能,穩(wěn)定河勢(shì),使國家財(cái)產(chǎn)和人民的生命安全得到保障。

TU998.4

B

1009-7716(2015)03-0086-06

2014-11-12

馮海雷(1977-),男,陜西興平人,高級(jí)工程師,從事橋梁與市政工程設(shè)計(jì)工作。