以佳蘆河為例探析游蕩性河流堤防建設(shè)方案

劉周華

(佳縣河道治理工作中心,陜西 榆林 719200)

佳蘆河是黃土高原一條典型的游蕩性河流,是陜西“十四五期間”407 個防洪項(xiàng)目重點(diǎn)建設(shè)對象之一?，F(xiàn)以佳縣佳蘆河王家砭鎮(zhèn)王家寨村段堤防建設(shè)為例,對游蕩性河流堤防建設(shè)進(jìn)行探析。

1 概 況

佳蘆河系黃河中游右岸的一級支流,發(fā)源于榆陽區(qū)雙山鄉(xiāng)境內(nèi),自西北流向東南,流經(jīng)榆陽區(qū)、佳縣,在佳縣縣城附近注入黃河,全長92.5km,流域面積1134km2,河道比降7.3‰。佳蘆河王寨村,控制流域面積183km2,河道長度28.6km,河道平均比降5.92‰。項(xiàng)目河段基本無治理,無工程措施,兩岸均為天然岸坎,淘刷、沖刷嚴(yán)重,部分岸坎塌岸,右岸分布有大片耕地,左岸為王寨村聚居地,村委會臨河較近,兩岸經(jīng)常遭受洪水侵襲。

2 洪水特性與河道演變

2.1 洪水特性

佳蘆河流域洪水由暴雨造成,多發(fā)生在夏季,而且多集中在7～8月份。其暴雨特點(diǎn)是季節(jié)性強(qiáng)、強(qiáng)度大、籠罩面積小、歷時短、時空分布不均。洪水特點(diǎn)是暴漲暴落、歷時很短、峰形尖瘦、含沙量高,洪水異常迅猛。如申家灣站1958年7月13日3∶00～3∶40,40min水位上漲12.67m,流量從2.62m3/s增加到3980m3/s。

2.2 河道演變分析

項(xiàng)目區(qū)位于佳蘆河中游,工程末端距入黃口約48km,地貌單元屬河流侵蝕堆積地貌?，F(xiàn)狀河道寬度45～101m平均比降7.3‰。本次選取了2012年航測衛(wèi)星圖與2021年航拍衛(wèi)星圖圖進(jìn)行套繪對比。通過對比分析,經(jīng)過近10a的時間,工程段河道沒有發(fā)生大的擺動,主流基本穩(wěn)定,個別河段主流有所偏移,但偏移不大。根據(jù)本次地勘野外調(diào)查和走訪當(dāng)?shù)厝罕?除2012年7月治理段發(fā)生的10a一遇洪水外,自從1971年以來,佳蘆河基本沒有發(fā)生過大的洪水,河床基本穩(wěn)定,沖刷深度處一般為0～1.0m。因此,綜合以上因素,本次分析認(rèn)為佳蘆河王寨段治理河段基本穩(wěn)定。

3 工程布置與基礎(chǔ)埋深

3.1 工程布局

本次治理工程左岸起點(diǎn)位于王寨村北頭漫水橋,末點(diǎn)位于王寨村進(jìn)村大橋處,右岸起點(diǎn)位于佳蘆河王家寨村滾水壩下游約300m,末點(diǎn)位于王寨村進(jìn)村大橋處,末端方塌河支流以上700m范圍內(nèi)也屬于本次工程治理范圍,本次工程治理河長3.4km。佳縣佳蘆河王寨村段防洪治理工程治理段落共為3段,佳蘆河干流左、右岸分別各1段,方塌河支流右岸1段,方塌河左岸和干流右岸順接,樁號連續(xù)排布。工程治理河長約3.7km。設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇防沖不防淹,防護(hù)工程總長約5.3km,其中左岸1.9km,右岸3.4km。左岸護(hù)岸起點(diǎn)接佳蘆河王寨村北頭漫水橋旁混凝土渠道南岸坎,末端接王寨村進(jìn)村大橋處已成擋墻。

3.2 堤距確定

本次治理段段落采用10a一遇的防沖不防淹,同時滿足5a一遇洪水不出槽,因此不設(shè)定最小堤距,岸線布置基本沿天然岸坎布設(shè),不縮窄河道,防洪堤線基本上沿佳蘆河深泓線流向隨彎就彎布置,盡量利用現(xiàn)狀岸坎平順平緩布設(shè),彎道之間盡量平順銜接,同時岸頂預(yù)留生產(chǎn)道路,并對天然雜亂岸坎進(jìn)行梳理,總體走向與河勢流向相適應(yīng)。護(hù)岸頂高程按5a一遇設(shè)計洪水位加0.5m考慮,對局部岸坎雜亂段落進(jìn)行梳理規(guī)整,適當(dāng)調(diào)整[1]。

3.3 基礎(chǔ)埋深

游蕩性的河流主要是沖刷大,所以堤防建設(shè)必須要做好基礎(chǔ)埋深。

1)沖刷計算:根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》沖刷計算考慮水流平行岸坡和水流斜沖岸坡兩種工況,進(jìn)行沖刷深度計算。計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:hs為局部沖刷深度,m;H0為沖刷處的水深,m;Ucp為近岸垂線平均流速,m/s;Uc為起動流速,m/s,對于黏性與砂質(zhì)河床,采用公式(3);n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),取0.25;η為流速不均勻系數(shù),取1;d50為床沙的中值粒徑,取0.01mm;γs、γ為泥沙與水的容重,kN/m3。

式中相關(guān)參數(shù)及沖刷深度計算結(jié)果見表1。

表1 護(hù)岸工程10a一遇洪水設(shè)計流量沖刷深度計算成果表

本次計算王寨段護(hù)岸工程沖刷深度在10a一遇設(shè)計洪水(Q=520m3/s)情況下計算,沖刷深度計算結(jié)果見表2。由表可得,在設(shè)計洪水(Q=520m3/s)情況下的最大沖刷深度為1.35m。

2)基礎(chǔ)埋深:由沖刷深度計算成果表2可知,擬建護(hù)岸段計算沖刷深度為0.88m～1.35m,擬建護(hù)岸段計算沖刷深度最大為1.35m,根據(jù)沖刷計算結(jié)果,考慮工程造價及運(yùn)用情況,結(jié)合工程區(qū)抗沖刷及抗凍要求確定基礎(chǔ)埋置深度,防洪墻基礎(chǔ)砌置深度應(yīng)在沖刷線以下0.5～1.0m。結(jié)合工程區(qū)抗沖刷及抗凍、地基情況要求、河道特性以及河道斷面演變情況分析及現(xiàn)場調(diào)查,同時參考鄰近已成工程基礎(chǔ)埋置深度,本次治理段護(hù)岸段基礎(chǔ)置于深泓線以下2.0m[2]。

4 堤防建設(shè)方案分析

佳蘆河王家寨村堤防工程左岸WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段建設(shè)內(nèi)容為堤防,WZ2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段為護(hù)岸工程,現(xiàn)分別給予分析。

4.1 堤防斷面設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)狀地形地物,針對左岸WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段采用護(hù)岸防止塌岸,同時防止洪水對岸坎、坡腳進(jìn)行淘刷導(dǎo)致岸坡不穩(wěn)。斷面型式可采用墻式斷面、坡式斷面,墻式坡式結(jié)合的斷面型式。根據(jù)實(shí)際地形地質(zhì)條件,考慮盡量減小開挖,擋墻橫斷面型式的選擇按其穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、合理性等綜合因素考慮。擬選擇仰斜式漿砌石擋墻和衡重式漿砌石擋墻兩種型式進(jìn)行比較。兩種種擋墻斷面型式典型斷面詳見圖1、圖2,比較分析見表2。從整體穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理性、施工條件等多方面綜合考慮,推薦采用仰斜式擋墻護(hù)岸。

圖1 衡重式漿砌塊石擋墻斷面設(shè)計方案

圖2 仰斜式漿砌塊石擋墻斷面設(shè)計方案

表2 擋墻斷面型式對比表

經(jīng)過分析比較,WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段采用M7.5漿砌石擋墻,M7.5漿砌石擋墻式頂寬0.9m,迎水側(cè)坡比1∶0.45,背水側(cè)1∶0.1,迎水側(cè)趾墻為0.8m×1.2m,背水側(cè)趾墻為0.8m×1.2m。漿砌石擋墻設(shè)φ75PVC排水管,呈梅花形布置。對護(hù)岸頂高程以上的現(xiàn)狀岸坎進(jìn)行削坡處理,擋墻以上坡比為1∶1.5,草皮護(hù)坡防護(hù)。

4.2 坡式護(hù)岸工程設(shè)計

本次坡式護(hù)岸工程治理范圍包括:WZ2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段。護(hù)岸護(hù)坡應(yīng)堅固耐久、就地取材、利于施工和維修,不同堤段或同一坡面的不同部位可選擇不同的護(hù)坡型式。經(jīng)計算,治理河段內(nèi)設(shè)計洪水情況下斷面的平均流速0.71～2.2m/s,而填筑堤防的土料主要為砂礫石,而粉質(zhì)砂壤土允許不沖刷流速為0.3～0.6m/s,砂卵石允許不沖刷流速為1.0～1.5m/s,黏土允許不沖刷流速為0.6～0.9m/s,均超過了堤身材料的允許沖刷流速,為此須進(jìn)行護(hù)坡處理,以免水流對堤身的淘刷破壞。

結(jié)合當(dāng)?shù)夭牧?考慮生態(tài)等要求,適合該河段的護(hù)坡型式有:漿砌石護(hù)坡方案、干砌石護(hù)坡方案、格賓網(wǎng)砌石護(hù)坡方案、連鎖塊混凝土塊護(hù)坡方案以及復(fù)合式護(hù)坡方案。復(fù)合式護(hù)坡方案要求小流量不沖刷,大流量不破壞。其形式下部為漿砌石護(hù)坡,上部為連鎖塊混凝土塊護(hù)坡。以上四種護(hù)坡形式均能滿足堤防護(hù)坡要求,但各有優(yōu)缺點(diǎn)。從造價角度來講,漿砌石護(hù)坡和連鎖塊與漿砌石復(fù)合護(hù)坡方案兩方案工程造價相差較小,格賓網(wǎng)護(hù)坡最貴,連鎖塊護(hù)坡方案稍貴。

從首先滿足防洪,其次考慮生態(tài)、美觀結(jié)合的需求出發(fā),選擇連鎖塊與漿砌石復(fù)合護(hù)坡方案較為合理。從施工角度來說,漿砌石護(hù)坡方案施工方便、簡單,對堤防壓實(shí)度的要求較高。而格賓網(wǎng)砌石護(hù)坡復(fù)雜。連鎖混凝土塊生態(tài)護(hù)坡采用標(biāo)準(zhǔn)的連鎖塊,安裝施工方便,但同時對堤防壓實(shí)度要求較高,安裝之前要求平整度要高。

結(jié)合佳蘆河河岸現(xiàn)狀及生態(tài)治河理念的要求,按照經(jīng)濟(jì)實(shí)用、便于施工、滿足穩(wěn)定主槽和管理等要求,Z2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段護(hù)岸形式選擇連鎖式生態(tài)護(hù)坡,其優(yōu)點(diǎn)為施工方便,透水性好,植草空間大,生態(tài)效果好。臨水側(cè)坡比1∶2,背水坡坡比1∶2,護(hù)灘頂設(shè)4.0m寬泥結(jié)石路面。堤身采用12cm厚聯(lián)鎖式混凝土砌磚,連鎖塊下部鋪設(shè)300g/m反濾土工布一層,下部基礎(chǔ)采用M7.5漿砌石基礎(chǔ),基礎(chǔ)尺寸為頂寬0.6m,高2.5m,臨水側(cè)坡比1∶0.5,趾腳寬0.5m,高0.5m,基礎(chǔ)頂高程按多年平均枯水位以上0.5m考慮。頂部采用C20混凝土壓頂,尺寸為20cm×30cm。連鎖塊上進(jìn)行綠化種植,生態(tài)護(hù)坡以下采用M7.5漿砌石基礎(chǔ),基礎(chǔ)下底寬1.95m,上底寬0.6m,高2.5m。基礎(chǔ)底高程為深泓高程以下2.0m。其中干流右岸樁號WY0+870.00～WY2+730.50的岸線沿現(xiàn)有水泥路面邊布置,其余段落護(hù)岸頂新建3.0m寬泥結(jié)石防汛搶險道路,路面設(shè)2%橫坡。

5 結(jié) 語

游蕩性的河流特點(diǎn)是沖刷力強(qiáng),佳蘆河王家寨村段具有游蕩性河流特性。通過分析探討,按照現(xiàn)有河岸布設(shè)防洪工程和確定堤距,堤防基礎(chǔ)埋深為2m,擋墻選用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠抗沖力強(qiáng)的仰斜式漿砌石擋墻,護(hù)坡采用生態(tài)美觀抗沖性強(qiáng)的連鎖式生態(tài)護(hù)坡,通過本次治理,提高河道段的過流能力,保護(hù)沿岸村民及耕地免受洪水災(zāi)害影響,改善周邊生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為佳蘆河王家寨村堤防工程建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。