基于現(xiàn)狀河道河型分析的河道綜合治理

胡 玲

(甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730010)

1 工程概況

興隆峽當(dāng)?shù)匾喾Q南大河，其發(fā)源于榆中縣南部馬銜山，河長約30km，平均比降為24.1%。興隆峽河道沒有經(jīng)過系統(tǒng)治理。近年來隨著城市建設(shè)的發(fā)展，大量建筑擠占河道及兩岸灘地，灘地圍墾種植現(xiàn)象增多，垃圾無序傾倒，河道內(nèi)任意掏坑取砂，影響河勢穩(wěn)定，造成河道行洪能力嚴(yán)重降低，河道生態(tài)系統(tǒng)急劇惡化。遇到較大洪水時就極有可能發(fā)生災(zāi)害，給沿岸人民帶來較大的財產(chǎn)損失。

2 項目建設(shè)的必要性

本次治理全段涉及6個村的1250戶居民及縣城約4.98萬人、2萬畝耕地和南坡灣水廠等重要企事業(yè)單位的安全。綜上所述，實施河道治理后，興隆峽不但能形成比較完整的防洪體系，使區(qū)域防洪能力得到很大提高，為工程區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供安全保障，而且能夠改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境[1- 3]。因此河道綜合治理是防洪減災(zāi)的需要，是減少水土流失的需要，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)的需要。

3 現(xiàn)狀河道過水能力

依據(jù)2016年實測1∶2000河道帶狀地形圖及1∶1000橫斷面圖，按能量方程采用逐段試算法推算興隆峽天然河道水面線，據(jù)此核算現(xiàn)狀河道10年及20年一遇洪水過水能力。

根據(jù)表1中計算結(jié)果可知：本次治理上段通過10年、20年一遇洪水時部分河段會發(fā)生漫灘，水面寬度可達(dá)到63m。

表1 現(xiàn)狀河道水面線計算成果表 單位：m

4 工程任務(wù)規(guī)模

根據(jù)工程任務(wù)、治理區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀護(hù)岸建設(shè)情況和存在問題及其工程的重要性，確定該治理區(qū)按20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防[4- 5]，河道治理范圍為興隆山滑雪場路—已建三電東干九支渠興隆峽河倒虹吸進(jìn)出水池，治理河長10.97km，兩岸共計新建護(hù)岸17.644km，其中左岸8.735km，右岸8.909km，布置防沖暗坎22道。

5 河床河型分析

5.1 河床穩(wěn)定分析

河道縱向、橫向穩(wěn)定系數(shù)按下式計算[6- 8]：

(1)

(2)

式中，φh—縱向穩(wěn)定系數(shù)；d—床沙平均粒徑，中心樁號0+000—3+604的床沙平均粒徑為41.1～47.2mm；中心樁號4+483—10+970的床沙平均粒徑為2.997～11.052mm；h—河流平攤水深；J—縱比降，本防洪區(qū)段分為兩段，中心樁號0+000—3+604為28%；樁號4+483—10+970為18%；φb—橫向穩(wěn)定系數(shù)；Q—造床流量；B—河寬。

防洪區(qū)的縱向、橫向穩(wěn)定系數(shù)詳見表2。

表2 防洪區(qū)的縱向、橫向穩(wěn)定系數(shù)

從表2可以看出，治理段中心樁號0+000—3+604縱向穩(wěn)定系數(shù)在1.01～1.51，橫向穩(wěn)定系數(shù)在0.42～0.83，中心樁號4+483—10+970縱向穩(wěn)定系數(shù)在0.09～0.19，橫向穩(wěn)定系數(shù)在0.23～0.63，通過與《河床演變及整治》對比和分析可知，該治理段中心樁號0+000—3+604河道段的縱向穩(wěn)定性較好；治理段中心樁號4+483—10+970河道段的縱向穩(wěn)定性較差，該河段橫向穩(wěn)定性一般。

5.2 河床河型分析

現(xiàn)狀河道的斷面形狀、縱比降、河寬、河水流速之間存在著一點關(guān)系，通過前人研究結(jié)果，將這些變量之間存在的關(guān)系稱為河相關(guān)系[9- 10]。

河道橫斷面河相關(guān)系式為：

(3)

式中，ζ—河相關(guān)系數(shù)，其值越大，表明河道斷面越淺，河道越不穩(wěn)定，河水對河道的沖擊作用做大，反之則效果相反。

經(jīng)過對治理段內(nèi)的48個斷面進(jìn)行分析計算，防洪區(qū)段河道河相關(guān)系數(shù)為2.72～9.91，平均值為6.29，所以防洪區(qū)治理段內(nèi)河道為順直型河道偏向于過渡性河段(蜿蜒型河道ζ為2～4，游蕩型河道ζ為19～32，過渡型河道ζ為8～12，順直型河道為1.39～7.8)。

5.3 平面河相關(guān)系

平面河相關(guān)系也就是所謂的穩(wěn)定河灣，即河道在平面上的形狀形態(tài)，有河灣變化、河灣半徑、長度等，它主要反映河灣平面變化。項目區(qū)屬于渭河流域，共有大小彎道37個，彎道半徑在26～200m，河灣跨度在26～170m，過渡段長度在60～170m。

R=KBB

(4)

Lm=KLB

(5)

Tm=KTB

(6)

L=KB

(7)

式中，R—彎曲半徑，m；Lm—河灣跨度，m；Tm—彎曲幅度，m；L—過渡段長度，m；KB、KL、KT、K—對應(yīng)河灣形態(tài)特征值的系數(shù)。

經(jīng)計算，KB=2.9～8.7m，KL=3.5～15.8m，KT=2.6～7.3m，K=2.8～7.5m。對大多數(shù)穩(wěn)定河灣，KB=3～5m，KL=12～14m，KT=4～5m，K=1～5m，這表明該段河道由順直型向彎曲型河道過渡，兩岸需采取護(hù)岸處理。

綜上分析，由于河道河床穩(wěn)定性一般，河型屬于順直型河道偏向于過渡性河段，故需修建護(hù)岸及防沖坎，以達(dá)到固定岸坎，使河段處于穩(wěn)定狀態(tài)的目的。

5.4 河道沖淤分析

河道沖刷淤積判別采用沖淤判別公式計算。

(8)

式中，ψ—沖淤判別系數(shù)，當(dāng)ψ<1時，河床將發(fā)生沖刷，當(dāng)ψ>1時，河床將發(fā)生淤積；v—斷面流速；h—斷面水深；0、i—下標(biāo)，0表示進(jìn)口斷面，i表示出口斷面。

經(jīng)計算，興隆峽樁號0+000—3+604治理段的沖淤判別系數(shù)為0.18<1，表明該段將發(fā)生沖刷；樁號4+873—10+970治理段的沖淤判別系數(shù)為3.97>1，表明該段將發(fā)生淤積。

6 堤距的確定

6.1 穩(wěn)定河寬及堤距寬度確定

本河段中穩(wěn)定河寬的確定由阿爾圖寧公式計算[6，10]，河道過流流量選為該河道2年一遇的洪峰流量。

(9)

式中，B—整治河寬，m；A—穩(wěn)定河寬系數(shù)。對于中游河段，A取1.0～1.1；對于下游較穩(wěn)定的河段，A為1.1～1.3；而對于下游較不穩(wěn)定的河段，A為1.3～1.7，本次治理段屬較穩(wěn)定的河段，故A=1.1。

經(jīng)現(xiàn)場勘查可知，治理段上段河道中心樁號000—3+604治理段現(xiàn)狀主河槽寬度在18～48m；中心樁號4+483—10+970治理段現(xiàn)狀主河槽寬度在29～99m。河道治理結(jié)合河道實際兩岸地形地質(zhì)條件，對河道兩岸的砂石料棄渣及建筑垃圾進(jìn)行清理，以保證興隆峽治理河段治理寬度控制在15m以上。穩(wěn)定河寬及設(shè)計堤距計算成果見表3。

表3 穩(wěn)定河寬計算成果表

6.2 設(shè)計水面線推算

6.2.1河道分段

該段河道設(shè)計水面線推算分為兩段，其中：第一段為興隆山滑雪場路至城區(qū)已建護(hù)岸起端(中心樁號0+000—3+604)；第二段為城區(qū)已建護(hù)岸末端至已建三電東干九支渠興隆峽河倒虹吸進(jìn)出水池(中心樁號4+483—10+970)。根據(jù)河道內(nèi)天然河床糙率及治理后護(hù)岸糙率，綜合率定河道糙率為0.035。

6.2.2起始水位選定

(1)河道流態(tài)判定

根據(jù)興隆峽河道特點，本次治理段將興隆峽河道分為兩段。第一段縱坡為28.6%，對應(yīng)臨界水深為hk=2.78m，臨界縱坡為ik=11.4%，該段河道hk=2.78m>h正=1.56m、i=28.6%>ik=11.4%，故樁號0+000—3+604段河道為陡坡，水流為急流；第二段縱坡為17.9%，對應(yīng)臨界水深為hk=3.29m，臨界縱坡為ik=9.46%，該段河道hk=3.29m>h正=2.99m、i=17.9%>ik=9.46%，故中心樁號4+483—10+970段河道為陡坡，水流為急流。綜上所述，興隆峽河道為陡坡，水流為急流。

(2)起始水位

第一段為興隆山滑雪場路至城區(qū)已建護(hù)岸起端(中心樁號0+000—3+604)。該段水面線計算按急流河道從上游向下游采用能量方程逐段進(jìn)行推算，但河段下游有楊家莊交通橋(中心樁號2+795)，會產(chǎn)生壅水，且壅水長度取決于壅高，壅水長度一般較短，因此本次水面線計算按急流河道從上游開始，以1#斷面為基準(zhǔn)斷面，起始水位為臨界水深。水位計算結(jié)果見表4，表中V表示斷面平均流速，hf，hj分別表示兩斷面之間的沿程損失與局部損失。

表4 設(shè)計水面線計算結(jié)果 單位：m

6.3 沖刷深度計算

穩(wěn)定河道過流時的河道沖刷深度計算公式如下：

(10)

(11)

式中，hs—河道沖刷深度，m；H0—水深，m；Ucp—平均流速，m/s；n形狀系數(shù)，取n=1/4～1/6；η—流速系數(shù)。

經(jīng)計算，整治區(qū)最大水深在0.82～4.99m，沖刷深度(從深泓線算起)分別為0.39～1.38m，平均沖刷深度為0.77m。沖刷深度計算結(jié)果詳見表5。

表5 興隆峽沖刷深度計算表(P=5%)

7 岸堤及生態(tài)綠化帶設(shè)計

7.1 堤型比選

根據(jù)上述原則，興隆峽河道治理工程針對5%的洪水流量情況下的堤身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了直墻式、陡墻式、斜坡式(梯形斷面土堤)三種堤型方案的比較，如圖1所示。發(fā)現(xiàn)河道各分段具有其實用的不同護(hù)堤型。

圖1 堤型方案對比(單位：cm)

第一段有大量建筑擠占河道，本次治理對該段需進(jìn)行拓寬，為了減少占地，該段河道采用方案一、方案二均能滿足該段的治理要求，但從經(jīng)濟(jì)上比較，方案二優(yōu)于方案一。第二段堤防位于主城區(qū)段，治理段上游城區(qū)已建堤防型式為重力式擋土墻堤防(直墻式斷面)。第三段地形開闊，不涉及占地、拆遷等問題，故推薦方案三斜坡式(夯填砂礫石梯形斷面土堤堤防)，即主城區(qū)末端—蒲家莊過水路面(中心樁號6+8640—11+210)的設(shè)計堤防型式。

7.2 護(hù)坡滲流計算

洪水回落時間很短，一場洪水一般持續(xù)時間t為2～3h，難以形成穩(wěn)定滲流，所以按不穩(wěn)定滲流計算，其計算公式如下：

護(hù)岸最大斷面浸潤線的方程為:

y2=2.02-0.18x

(12)

護(hù)岸背水坡面滲流出口比降:

(13)

式中，m2—背水坡坡比，m2=1.25；h0—背水坡面浸潤線溢出點的高度；y—護(hù)岸臨水坡面的水位；x—指坐標(biāo)系中護(hù)坡滲流點的橫坐標(biāo)。

由于不形成穩(wěn)定滲流，J近似為0，則護(hù)岸背水坡面不發(fā)生滲透破壞。

滲流在背水坡腳出現(xiàn)的時間T為：

T=n0H(m1+m2+b/H)2/(4k)

(14)

n0=n(1-Sw%)

(15)

式中，k—堤身滲透系數(shù)，m/s；n0—土的有效孔隙率；n—孔隙率；Sw%—飽和度；m1、m2—堤身上下游邊坡系數(shù)；H—迎水面的水面高度，m；b—指壩體頂部寬度。

經(jīng)計算T=3.8h，大于一般洪水持續(xù)時間2～3h，即根據(jù)不穩(wěn)定滲流計算的結(jié)果滿足滲流穩(wěn)定要求。當(dāng)洪水減弱，河道內(nèi)水位下降，下降后水位與背水坡水位基本一致，因此不會產(chǎn)生滲透破壞，滲流穩(wěn)定。

7.3 河道疏浚

河道疏浚多被用于河道治理中，包括疏通、加寬和清理現(xiàn)狀河道淤積及清除水下障礙物等。本工程進(jìn)行河道疏浚工程主要目的在于確保防洪安全，主要任務(wù)是清理現(xiàn)狀河道中的堆棄物及填平采砂形成的大坑以便形成固定平穩(wěn)的河槽，使上下游水流暢通，疏浚河道寬度按照治理河寬進(jìn)行處理，疏浚底寬不小于穩(wěn)定河寬。其中砂礫石料場堆積的砂石料由料場自行清理解決，其余淤積物及建筑垃圾拓寬清理采用機(jī)械清理與人工清理相結(jié)合。結(jié)合實際，本次疏浚長度共6.38km。

7.4 生態(tài)綠化帶設(shè)計

經(jīng)過河堤治理，在河道兩岸建立以綠化帶和封育帶構(gòu)成的生態(tài)綠化帶[11- 14]。綠化帶主要種植以觀賞性為主的草本植物，以鮮花、禾木等為主，其作用主要在于綠化人行道。封育帶以種植排狀分布喬木、灌木為主，其作用主要以提高綠化層次感，色澤多變?yōu)橹鳎里L(fēng)固沙為輔。生態(tài)綠化帶中建立橫豎0.4m×0.4m的格狀種植坑，每個坑間隔3m。隔離帶不僅可以降低水土流失，防止河道淤積，同時能提高整個河岸的綠化效果，打造出富有層次感、多元化植物的城市綠化帶。

8 結(jié)語

農(nóng)村河道因多年廢棄及垃圾堵塞，多數(shù)河道已失去安全泄洪能力。河道治理需驗算河道過流能力、穩(wěn)定狀況等，經(jīng)過調(diào)查分析河道現(xiàn)狀進(jìn)行河道治理工程的實施，可減少洪水造成的危害，保護(hù)河道兩岸居民及企業(yè)安全，確保當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展不受洪澇災(zāi)害影響。本工程河道治理理論完善、技術(shù)成熟，費用較小，不僅社會效應(yīng)好，生態(tài)方面也具有良好的景觀綠化效果。水環(huán)境保護(hù)的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于治理，提高廣大群眾對水環(huán)境保護(hù)重要性的意識也至關(guān)重要，河道安全重在保護(hù)，治理非長久之計。