復(fù)雜河流漫灘公路防護(hù)設(shè)施選型設(shè)計(jì)研究

方琳 婁紅光 付雪偉 陳誠(chéng)

關(guān)鍵詞：復(fù)雜河流；河漫灘；公路；防護(hù)設(shè)施；導(dǎo)流壩

從社會(huì)基礎(chǔ)層面來(lái)講，助力社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要前提是配備完善的交通基礎(chǔ)設(shè)施。在考慮河道行洪安全和節(jié)約資金成本的情況下，選擇在河漫灘修建公路已慢慢成為一種適宜的工程技術(shù)手段。尤其對(duì)于我國(guó)塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、青藏高原和內(nèi)蒙古高原廣大地區(qū)的時(shí)令河，上游流域內(nèi)降水量年內(nèi)分布極不均勻，中下游流經(jīng)沙漠地區(qū)，枯水季節(jié)河水?dāng)嗔?、河床裸露，豐水季節(jié)易形成洪水，甚至洪水洪峰很大，在河漫灘上直接修建公路代替橋梁，可提高建設(shè)資金效能。但在河漫灘建設(shè)垂直于河流方向的公路會(huì)對(duì)河流行洪產(chǎn)生影響［１］，為了兼顧河道行洪與擬建工程的安全，同時(shí)有效降低工程造價(jià)，有必要對(duì)擬建工程防護(hù)設(shè)施選型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。適宜的河漫灘公路修建線路需要結(jié)合工程本身實(shí)際情況，綜合考慮設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選取。

馬良等［２］進(jìn)行了多沙河流治導(dǎo)線流路方程研究，建立了治導(dǎo)線流路特征參數(shù)同河流水力因子之間的定量關(guān)系式；劉明瀟等［３］研究認(rèn)為灘區(qū)公路沒(méi)有對(duì)整治工程增添新的不利影響；甄映紅等［４］通過(guò)水力學(xué)研究方法分析認(rèn)為，灘區(qū)公路建設(shè)不影響黃河下游寬灘河段行洪，公路布置路線與河道行洪方向基本一致且遠(yuǎn)離主槽，可以使公路對(duì)灘區(qū)的行洪干擾保持在較低水平；李新杰等［５］結(jié)合歷史典型漫灘洪水資料分析了灘區(qū)工程對(duì)黃河下游漫灘水流的沖淤變化影響，提出開(kāi)展河道整治工程和標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)，生產(chǎn)堤改造成防護(hù)堤，在灘區(qū)設(shè)置行洪滯洪沉沙區(qū)的建議；劉培斌等［６］通過(guò)分析滹沱河寬灘區(qū)特性，建議灘區(qū)建設(shè)公路應(yīng)順河布線；張俊華等［７］對(duì)游蕩型河流治理后的河型轉(zhuǎn)化等復(fù)雜的學(xué)術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究；張紅武等［８－９］對(duì)黃河下游河道整治開(kāi)展系統(tǒng)研究，認(rèn)為科學(xué)進(jìn)行工程布局對(duì)防洪不會(huì)產(chǎn)生不良影響；張紅武等［１０］通過(guò)完成國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”，分析了在未來(lái)洪水條件及其災(zāi)害情景下灘槽演變趨勢(shì)及河槽變幅，探索出提升河勢(shì)穩(wěn)定治導(dǎo)與輸沙技術(shù)能力的途徑?，F(xiàn)有研究成果對(duì)高海拔、復(fù)雜地質(zhì)條件、垂直于河流方向的跨河漫灘公路工程布置及其防護(hù)設(shè)施研究較少。本文以某河流上擬建跨河公路工程為例，在確保河道行洪安全及節(jié)約成本的前提下采用漫灘公路替代部分橋梁，同時(shí)結(jié)合工程地質(zhì)、水文特性等開(kāi)展跨河漫灘公路工程布置及其防護(hù)設(shè)施選型設(shè)計(jì)研究，以期對(duì)山區(qū)寬淺型河流跨河公路工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

１工程概況

某河流位于天山南脈腹地，地處高寒山區(qū)，周邊巖土為季節(jié)性?xún)鐾?、鹽漬土。擬建漫灘公路長(zhǎng)４．６８３ｋｍ，設(shè)計(jì)車(chē)速２０．０ｋｍ／ｈ，路基寬度為６．５０ｍ，采用四級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率為５０ａ一遇，路基及涵洞設(shè)計(jì)洪水頻率為２５ａ一遇，總投資為２１１７萬(wàn)元。公路建成后能縮短河道兩岸居民通行距離３３ｋｍ，極大改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)村公路交通運(yùn)輸條件，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民產(chǎn)業(yè)脫貧提供基礎(chǔ)條件以及助力鄉(xiāng)村振興。

１．１工程區(qū)水文狀況

工程所處河流地處高寒山區(qū)，地形特征呈“兩山夾一谷”，河流最大流量１２５０．００ｍ３／ｓ，最小流量７．０８ｍ３／ｓ，多年平均流量８３．００ｍ３／ｓ，多年平均徑流量２４．２１億ｍ３，最大年徑流量３７．４０億ｍ３，最小年徑流量１８．９０億ｍ３，河水補(bǔ)給主要來(lái)源于冰雪融化。

１．２跨河公路工程布置方案設(shè)計(jì)

擬建公路跨河處河道斷面寬１．６２ｋｍ，平水期水面寬約１００ｍ，呈典型的寬淺型河槽，河道中央及左岸漫灘寬分別為５５０、４００ｍ，上、下游兩岸較為順直，河床較平整，主流較順直，無(wú)明顯回流。工程區(qū)枯水期河道水流分叉，主流偏向左岸，發(fā)生大洪水時(shí)漫灘過(guò)水。

工程所在河道中漫灘占比較大，合理利用漫灘設(shè)計(jì)修建部分填方公路代替橋梁，在兼顧防洪的同時(shí)，能降低工程造價(jià)。擬建跨河公路橋面高程范圍為１８２３．００～１８２４．００ｍ，橋位斷面左岸堤頂高程１８２５．４０ｍ，橋位斷面右岸堤頂高程均在１８２６．３６ｍ以上。結(jié)合水文、防洪、資金等因素，擬在河道建設(shè)２座橋梁，兩橋之間漫灘上修建公路連接，左岸高漫灘為橋梁引道段，工程布置如圖１所示。設(shè)計(jì)如下：

１．３防洪綜合評(píng)價(jià)

１．３．１防洪、冰凌標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（ＪＴＧＢ０１—２０１４），該工程按照四級(jí)公路修建，擬建大橋防洪標(biāo)準(zhǔn)為５０ａ一遇，符合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ５０２０１—２０１４）要求。

根據(jù)觀測(cè)資料，工程河段冬季會(huì)有流冰產(chǎn)生，冰塊直徑范圍為０．３～１．５ｍ，該工程橋梁每跨跨徑為２０ｍ，滿足冰凌通過(guò)要求。

１．３．２河道行洪影響分析

該工程項(xiàng)目大橋?qū)儆谰眯怨こ?，涉河橋墩和填方道路上游防護(hù)設(shè)施對(duì)水流有一定的阻擋作用。經(jīng)計(jì)算，橋墩和填方道路上游防護(hù)設(shè)施的阻水面積占總過(guò)水?dāng)嗝娴模玻矗玻?，１?hào)中橋、２號(hào)大橋梁底所需最小標(biāo)高為１８２２．２２ｍ；根據(jù)工程設(shè)計(jì)，行洪范圍內(nèi)設(shè)計(jì)最低梁底標(biāo)高為１８２２．６０ｍ，高于５０ａ一遇設(shè)計(jì)洪水位，防洪高程滿足要求，但建筑物有一定的阻水作用，對(duì)河道行洪有影響。

１．３．３河勢(shì)穩(wěn)定性影響分析

該項(xiàng)目大橋橋墩沒(méi)有明顯的挑流作用，但河道灘地填方道路上游防護(hù)設(shè)施對(duì)水流有明顯挑流作用，會(huì)對(duì)工程處河道左、右兩岸臺(tái)地形成沖刷。填方道路上游防護(hù)設(shè)施會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生一定阻擋作用，其上游一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生淤積，分水后水流流速加大會(huì)加劇沖刷河槽。大橋建設(shè)對(duì)該段河道河勢(shì)有一定的影響。

１．４布置方案不利影響解決路徑

在河道整治工程中，科學(xué)合理地順應(yīng)河勢(shì)使其沿著有利和穩(wěn)定的方向發(fā)展，有效調(diào)治水流和穩(wěn)定河床，同時(shí)在河勢(shì)的關(guān)鍵部位增加防護(hù)設(shè)施，是可以改變河勢(shì)使其達(dá)到不影響行洪安全的目的。張紅武［１１］研究了河道工程引導(dǎo)河勢(shì)與提升河道輸沙能力，實(shí)現(xiàn)寬灘區(qū)有效利用、中水河勢(shì)穩(wěn)定控制與特殊洪水行洪都適應(yīng)的良性治理目標(biāo)。

該工程所在河段因水文狀況復(fù)雜，河水對(duì)漫灘公路路基、橋涵構(gòu)造物沖刷和腐蝕嚴(yán)重，故合理選取防護(hù)設(shè)施最優(yōu)布置形式并滿足安全、工期、造價(jià)等要求，防止河水沖毀漫灘公路路基、橋涵構(gòu)造物，確保行洪安全顯得尤為重要，其中漫灘公路的防護(hù)設(shè)施是降低不利因素影響的關(guān)鍵。

２漫灘公路防護(hù)設(shè)施設(shè)計(jì)

該工程所在河段河道中間為漫灘，發(fā)生大洪水時(shí)漫灘過(guò)水，河道自然演變?cè)斐芍髁鲾[動(dòng)，為游蕩型河流，即漫灘形狀、位置不穩(wěn)定。同時(shí)該工程所在區(qū)域河流有泥石流，地處地震帶，且?guī)r土、河水有腐蝕性，因此漫灘公路防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)方案需考慮因素尤為復(fù)雜。

２．１設(shè)計(jì)原則

１）根據(jù)河流地形、水文、地質(zhì)等自然條件，漫灘公路及防護(hù)設(shè)施應(yīng)盡量減少對(duì)原河床過(guò)流能力的影響；須能抵擋５０ａ一遇洪水，設(shè)計(jì)洪水流量為１９９９ｍ３／ｓ，工程所在流域枯水期為９月—翌年３月，汛期為４—８月，需要在３個(gè)月內(nèi)完成施工。

２）漫灘公路及防護(hù)設(shè)施工期務(wù)必滿足總工期要求，同時(shí)在漫灘公路保證抵抗設(shè)計(jì)洪水、防滲、抗腐蝕、抗震等功能的前提下降低工程造價(jià)。

３）漫灘公路防護(hù)及設(shè)施設(shè)計(jì)斷面應(yīng)滿足抗滑、抗剪及抗傾覆穩(wěn)定要求。

４）大橋?qū)儆谰眯怨こ蹋?jīng)計(jì)算橋墩和漫灘公路的阻水面積占總過(guò)水?dāng)嗝娴模玻矗玻?，?duì)河道行洪有一定影響，應(yīng)確保行洪安全。

５）漫灘公路及防護(hù)設(shè)施對(duì)水流有明顯挑流作用，分水后水流流速加大會(huì)對(duì)河槽及工程處河道左、右兩岸臺(tái)地造成沖刷。

２．２漫灘公路防護(hù)設(shè)施方案比選

擬建公路位置河道中間漫灘寬５５０ｍ，為自然沖積而成的不規(guī)則長(zhǎng)條狀，考慮泥石流、地震等不利因素的情況下，對(duì)混凝土護(hù)坡（方案１）、Ｃ３０混凝土衡重式樁基擋土墻（方案２）、導(dǎo)流壩（方案３）３種河漫灘公路防護(hù)設(shè)施方案（見(jiàn)圖２）的公路上游淤積、河道行洪安全、防滲、抗滑、抗震、造價(jià)、工期等指標(biāo)進(jìn)行了分析，比選結(jié)果見(jiàn)表２、表３。

方案１雖然施工方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但護(hù)坡長(zhǎng)約５５５ｍ，該河流會(huì)出現(xiàn)小型泥石流，對(duì)護(hù)坡沖擊較大，易造成護(hù)坡破壞，進(jìn)而影響公路安全。同時(shí)護(hù)坡上游一定區(qū)域易產(chǎn)生淤積，對(duì)河道行洪影響較大。另外，工程地處地震帶，護(hù)坡的抗震性能較差，一旦護(hù)坡?lián)p壞將直接影響漫灘公路的安全。該方案在泥沙含量少，基礎(chǔ)穩(wěn)定的寬淺型河流更為適宜。

方案２在抵御泥石流沖擊和地震破壞方面安全性能最好。缺點(diǎn)是阻水嚴(yán)重，造價(jià)高，工期長(zhǎng)。在泥沙含量較小的河流，該方案相對(duì)于橋梁仍有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，特別是在該方案的基礎(chǔ)上在漫灘公路上設(shè)置涵洞，可以更好地利用漫灘公路替代橋梁。

方案３充分利用了河道及漫灘的地形，考慮了水流特性，設(shè)計(jì)了對(duì)水流阻力較小的“人”字形導(dǎo)流壩，相對(duì)固定了河道上游漫灘的形狀，有調(diào)治水流和穩(wěn)定河床的作用。該方案既有效減小了對(duì)水流的阻力，又通過(guò)導(dǎo)流壩對(duì)水流方向進(jìn)行引導(dǎo)，避免了因加劇河槽沖刷而造成的主流擺動(dòng)，解決了公路上游區(qū)域易產(chǎn)生淤積的問(wèn)題。導(dǎo)流壩體積較大，對(duì)泥石流、地震危害適應(yīng)性較好，被破壞后易維修。該方案雖然工程量較大，但可利用漫灘中天然沙礫石筑壩，工程造價(jià)適中；導(dǎo)流壩和公路可同時(shí)施工，工期滿足要求。

通過(guò)對(duì)比分析，綜合考慮該工程建筑物布置、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形地質(zhì)、水文條件等，選用方案３造價(jià)相對(duì)較低、安全可靠、對(duì)河流影響較小。經(jīng)估算，該工程利用漫灘公路替代橋梁能降低造價(jià)１２６０萬(wàn)元，降低約７８％。

２．３不利影響的解決方案

對(duì)河道行洪不利影響的解決方案：加強(qiáng)與上游水電站聯(lián)系；制定完善的汛期洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警方案；若遇到突發(fā)性大洪水情況，及時(shí)進(jìn)行交通管制；造成行洪不暢時(shí)，將兩座橋梁中間路基及導(dǎo)流壩挖除泄洪，待洪水后恢復(fù)。

漫灘公路對(duì)水流產(chǎn)生一定的阻擋作用，導(dǎo)致其上游一定區(qū)域產(chǎn)生淤積，同時(shí)水流流速加大會(huì)對(duì)河槽加劇沖刷，并且泥石流、河水的腐蝕性對(duì)橋梁及導(dǎo)流壩危害較大。對(duì)此影響的補(bǔ)救措施為：１）增加橋梁基礎(chǔ)埋深及安全儲(chǔ)備，并采用鉛絲石籠對(duì)橋梁及導(dǎo)流壩基礎(chǔ)進(jìn)行防護(hù)；２）對(duì)導(dǎo)流壩及橋梁兩側(cè)岸坎例行巡查，并在枯水期及時(shí)清淤；３）若發(fā)現(xiàn)新建工程范圍內(nèi)河道或岸坎有明顯沖刷加劇現(xiàn)象，采用鉛絲石籠進(jìn)行加固。

實(shí)際上，在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市著名的“十大孔兌”（多沙支流），經(jīng)?？吹铰┕吩獾絿?yán)重水毀，清華大學(xué)、北京大學(xué)和黃河水利科學(xué)研究院等聯(lián)合主持完成的“寧蒙黃河治理對(duì)策研究”，針對(duì)性地提出的治理對(duì)策是建立黃河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙輸導(dǎo)與淤沙堤外處置的“固－阻－輸－置”綜合防治體系［１］，其中對(duì)于“十大孔兌”治理主要是“固－阻”，尤其是要重視黃河“支流泥沙阻截”，在孔兌上無(wú)法直接修建大型淤地壩和攔沙壩的條件下，開(kāi)展修建的“攔沙緩沖保路”試驗(yàn)工程顯得頗為必要。在漫灘公路防護(hù)壩址設(shè)置淹沒(méi)式透水樁，每根樁套上若干個(gè)汽車(chē)廢舊輪胎，減小透水率的同時(shí)對(duì)樁的磨蝕加以防護(hù)，還能緩解泥石流沖擊和地震破壞［１２］。試驗(yàn)表明，該工程因阻水而起緩流作用，對(duì)漫灘公路有效防護(hù)，同時(shí)因工程透水而使細(xì)沙淤積速度不大，攔截粗沙及卵石淤積到一定程度后，可清理出來(lái)加以利用，如此在季節(jié)性多沙河流巧妙攔沙和處置泥沙是其他方案無(wú)法取代的，該措施明顯加強(qiáng)了擬建工程的基礎(chǔ)安全，縮短了施工工期，節(jié)省了工程投資，減小了擬建工程對(duì)河道行洪的影響。為此，下一步可以利用該技術(shù)解決上述擬建漫灘公路可能出現(xiàn)的不利影響問(wèn)題，俟機(jī)大范圍推廣攔沙緩沖保路工程技術(shù)。

３結(jié)束語(yǔ)

１）修建跨河公路工程必須以不影響河道安全行洪為基本原則，在不影響泄洪的情況下，還應(yīng)該兼顧擬建工程的安全，通過(guò)合理設(shè)計(jì)在寬淺型河槽的河漫灘修建垂直于水流方向的公路，用來(lái)替代部分橋梁作為跨河公路工程的一部分是適宜的。

２）隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升及國(guó)防、經(jīng)濟(jì)的需要，推動(dòng)邊遠(yuǎn)山區(qū)的交通發(fā)展將是未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)期的任務(wù)，在寬淺型河槽合理利用河漫灘修筑公路替代橋梁，對(duì)降低跨河公路工程造價(jià)有顯著效果，能有效解決邊遠(yuǎn)山區(qū)交通設(shè)施建設(shè)資金不足的問(wèn)題，助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。特別對(duì)交通量較少的公路，更能突顯其性?xún)r(jià)比，但必須對(duì)擬建工程防護(hù)設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，科學(xué)比選。

３）我國(guó)河流眾多，水文、地質(zhì)條件各不相同，有必要在不同的工程中結(jié)合實(shí)際將現(xiàn)有的技術(shù)、方法加以整合。本文針對(duì)復(fù)雜河流漫灘公路阻水、泥沙淤積、泥石流沖刷、水流沖刷、地震等不利因素，科學(xué)合理地順應(yīng)河勢(shì)，設(shè)計(jì)“人”字形導(dǎo)流壩漫灘公路防護(hù)設(shè)施，能夠有效調(diào)治水流和穩(wěn)定河床，使其達(dá)到不影響行洪安全的目的。下一步可以利用“攔沙緩沖保路”試驗(yàn)工程技術(shù)，解決上述擬建漫灘公路可能出現(xiàn)的不利影響問(wèn)題。