小流域綜合加固防洪提升治理研究

付新巍

(江西省贛西土木工程勘測設(shè)計院，江西 宜春 336000)

1 工程概況

1.1 項目背景

建山鎮(zhèn)位于高安市西南部，建山鎮(zhèn)(新橋～英嶺)肖江治理工程地處高安市建山鎮(zhèn)境內(nèi)，位于肖江支流三城河兩岸。工程防護(hù)面積為6.42 km2，保護(hù)耕地377.33 hm2，保護(hù)人口0.3萬人，保護(hù)建山鎮(zhèn)的新橋村、英嶺村、竹山村、北劉村、穎江村等村莊的防洪安全。工程起點(diǎn)為新橋村泉福閘上游約200 m處，終點(diǎn)為英嶺村謝家閘處，綜合整治河道長7.62 km。

高安市建山鎮(zhèn)(新橋～英嶺)肖江治理工程現(xiàn)有堤身斷面單薄，堤身多年出現(xiàn)決口險情，部分堤段迎水面迎流頂沖嚴(yán)重，穿堤箱涵年久失修。近年來，防護(hù)區(qū)內(nèi)由于受洪水影響的原因，災(zāi)害頻繁發(fā)生，不僅嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，人民生活民不聊生，也使得當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略遭受阻礙。

1.2 工程現(xiàn)狀及存在的主要問題

本工程范圍內(nèi)共有4條圩堤，分別為北劉堤、泉富堤、穎江堤及前港堤。堤身長3.0～4.0 km。堤頂高程范圍為32.0～37.5 m，堤高1.0～4.0 m，堤頂寬度一般為2.0～4.0 m?，F(xiàn)狀4條圩堤內(nèi)、外坡均無護(hù)坡；防洪堤堤外基本存在10～40 m 寬的灘地，部分臨水，堤內(nèi)主要為村莊及農(nóng)田。

4條圩堤全堤段堤身斷面單薄，填土土質(zhì)較均勻，結(jié)構(gòu)較松散，土質(zhì)抗沖能力差，高水位下，堤背水坡腳水塘、低洼地內(nèi)多出現(xiàn)過泡泉等險情。圩堤現(xiàn)有穿堤涵由于當(dāng)時建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，大部分穿堤涵均已老化嚴(yán)重，部分穿堤涵存在破裂，無法滿足排澇要求。部分穿堤建筑物跨河建筑物老化嚴(yán)重，取水困難，無法滿足當(dāng)?shù)毓喔纫?。高安市?條圩堤進(jìn)行了應(yīng)急整治，對背水面堤背水坡腳水塘、低洼地等進(jìn)行了壓浸處理，堤腳內(nèi)的險情基本得到解決，但未對堤防進(jìn)行加固處理。

2 水文與地質(zhì)條件

2.1 水 文

本工程及其保護(hù)對象所處區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，流域地形以低丘平原為主，流域內(nèi)水系發(fā)達(dá)。流域面積142 km2，主河道長24.4 km，河道比降1.37%。

肖江流域洪水頻發(fā)，建山鎮(zhèn)地處肖江中上游地區(qū)，地勢較平坦，一經(jīng)發(fā)生洪水，常泛濫成災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計新中國成立以來肖江共發(fā)生過5次大洪水，尤其是2020年洪水，建山鎮(zhèn)鎮(zhèn)前港村等地受淹嚴(yán)重，村莊進(jìn)水達(dá)1以上，農(nóng)田遭受洪澇災(zāi)害，給人民群眾的財產(chǎn)安全帶來較大損失。

2.2 地 質(zhì)

工程區(qū)位于高安市南部，區(qū)內(nèi)主要地貌類型為河流沖積階地及構(gòu)造剝蝕低山地貌。其中構(gòu)造、剝蝕低山地勢低矮，山坡較平緩，山坡呈波狀起伏，剝蝕嚴(yán)重。其中沖積階地主要分布于肖江兩岸，地面標(biāo)高大多為28～36 m，整體地勢較平坦，地形較開闊，由全新統(tǒng)沖洪積層組成。區(qū)內(nèi)肖江總體走向?yàn)楸蔽?南東，區(qū)內(nèi)河道總體較順直，河寬10.00～43.00 m，河底高程為26.24～33.65 m。

本區(qū)不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為第四系地層組成的堤岸崩塌，區(qū)內(nèi)未見其他明顯不良物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

3 防洪標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計水位

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)、《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)及《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)，本次堤岸坡工程等別為Ⅴ等，防洪(治理)標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇(P=10%)。

施工洪水位計算了10月—次年2月P=20%(5 a一遇)的設(shè)計洪水位以及11月—次年1月P=20%(5 a一遇)的設(shè)計洪水位。

枯水期水位定為12月—次年2月的平均水位。

3.2 河道洪水水面線推求

3.2.1 設(shè)計洪水位

對該防洪工程所處河流進(jìn)行設(shè)計洪水位分析計算，從而為防洪工程設(shè)計提供依據(jù)。本次設(shè)計通過試算使用能量方程推算河道設(shè)計水面線，作為防洪工程設(shè)計洪水位。

采用天然河道非均勻流推算時，利用布置的河道橫斷面，依據(jù)分析確定的糙率、比降、水力要素、設(shè)計流量，從下游向上游推求河道設(shè)計水面線[1-5]。

河道水面線推算利用一維恒定流運(yùn)動方程并考慮河道局部水頭損失后，沿河道方向進(jìn)行差分離散如式(1)：

(1)

式中：Zu、Zd為上、下游斷面水位，m；ξ為局部水頭損失，對漸變流，ξ=1或ξ=0；Δs為上、下游斷面間距，m；Au、Ad為上、下游斷面過水面積，m2；Ku、Kd為上、下游斷面流量模數(shù)，m3/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Q為斷面流量，m3/s。

本次水面線計算采用水利部四川省水利水電勘測設(shè)計研究院開發(fā)的SWS軟件進(jìn)行計算。

(1)基本資料。以設(shè)計洪水成果與實(shí)測三城河建山段縱橫斷面資料推求設(shè)計水面線。

(2)邊界條件。推求河道設(shè)計洪水水面線的邊界條件主要包括：各控制斷面的設(shè)計洪峰流量、下游控制斷面起算水位、河道綜合糙率等?，F(xiàn)就以上邊界條件分述如下：

①設(shè)計洪水。 下游控制斷面10 a一遇水位，謝家陂32.12 m、前港閘壩32.53 m、穎江陂壩32.89 m、泉富閘36.21 m。以各控制斷面洪水位由下游向上游逐段推求河道水面線。

②河道綜合糙率。 本次設(shè)計我院對三城河建山段進(jìn)行了洪水水面線調(diào)查，主要調(diào)查到2020年洪水洪痕。從而推算出各斷面的河道綜合糙率在0.03～0.04之間。

(3)設(shè)計水面線。確定工程河段設(shè)計洪峰流量、河道綜合糙率與下游控制斷面起算水位之后，可依據(jù)實(shí)測縱橫斷面確定該河段的現(xiàn)狀水面線[6]。按推求河道水面線方法推求河道設(shè)計水面線?，F(xiàn)狀水面線成果見圖1。

對工程河段加固后的水面線推求，按河道整治后的斷面資料、糙率、下游控制斷面起算水位按同樣的方法計算求得，結(jié)果詳見圖1。

本次對設(shè)計河段調(diào)查到了2020年的洪痕水位。2020年洪水發(fā)生在7月9日，降雨集中，上午開始下雨，下午六點(diǎn)左右即形成洪峰。根據(jù)贛江下游水文水資源監(jiān)測中心分析，該次洪水重現(xiàn)期約20 a。調(diào)查到的三城河洪痕點(diǎn)如圖1所示。可以看出，P=10%設(shè)計洪水位與調(diào)查洪水的洪痕比較相應(yīng)，表明本次設(shè)計洪水水面線成果基本合理。

3.2.2 施工期設(shè)計水位

本工程施工期為10月—次年2月，根據(jù)水位流量關(guān)系查算的各控制斷面施工洪水位為：謝家陂(累計間距0 m)28.82 m，前港閘壩(累計間距1205 m)29.50 m，穎江陂壩(累計間距2493 m)30.52 m，泉富閘壩(累計間距7264 m)34.35 m。依據(jù)控制斷面水位，逐段推算工程河段施工洪水位，成果見圖1。

3.2.3 設(shè)計枯水位

由于設(shè)計需要，需進(jìn)行設(shè)計枯水位的分析計算。根據(jù)水位流量關(guān)系查算的各控制斷面枯水位為：謝家陂27.71 m，前港閘壩28.36 m，穎江陂壩29.86 m，泉富閘壩33.50 m。依據(jù)控制斷面水位，逐段推算工程河段枯水位，成果見圖1。

4 工程總體布置

4.1 工程等級與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

工程區(qū)現(xiàn)有圩堤堤身不達(dá)標(biāo)，局部河岸迎流頂沖、塌岸嚴(yán)重、建筑物老化、破損等。采取對部分堤防迎水面進(jìn)行防護(hù)，保證堤防不受洪水沖刷，對建筑物進(jìn)行加固處理的加固防洪措施。

根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計規(guī)范》(SL 654—2014)，確定本工程合理使用年限為30 a；本工程主要建筑物為4條千畝圩堤，主要建筑物級別為5級，主要建筑物合理使用年限為20 a。

4.2 工程布置原則

根據(jù)我國和我省鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪工程建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充分結(jié)合河流特點(diǎn)進(jìn)行工程布置。

以局部護(hù)岸固腳為主，盡量不建或少建堤防。 結(jié)合河段的特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)狀兼顧考慮居住、飲水、交通與環(huán)境、景觀工程等因素的影響，充分保護(hù)水生態(tài)。

因地制宜，根據(jù)河道現(xiàn)狀設(shè)計河道縱橫斷面，需盡量維持河道的天然形態(tài)，做到挖填平衡，減少工程占壓。

工程措施的布置需充分考慮環(huán)境、景觀要求及運(yùn)行管理等因素[6-8]。

本次加固仍維持原河岸線不變，加固前后行洪能力基本一致。

4.3 肖江治理工程加固措施

高安市建山鎮(zhèn)肖江治理工程綜合整治河道長7.62 km，土堤培厚14.981 km，干砌石護(hù)岸長310 m，堤頂?shù)缆?.58 km，恢復(fù)現(xiàn)有溝渠1983 m。異址拆除重建前港閘壩，拆除重建北劉堤排水涵等10座排水涵管，接長北劉堤排水涵等18座排水涵管，拆除重建前港堤灌溉涵。新建前港堤灌溉涵、穎江堤灌溉涵。拆除重建北劉堤機(jī)耕橋，新建北劉堤機(jī)耕橋等7座機(jī)耕橋，泉富閘消力池加固等。

工程具體加固措施見表1。

4.4 堤防加固工程

本工程堤防加固范圍為：北劉堤(左樁號0+000.0～4+440.0)4.440 km、泉富堤(右樁號0+000.0～3+570.0)3.57 km、穎江堤(左樁號4+490.0～7+603)3.113 km、前港堤(右樁號3+750.0～7+608)3.858 km，總長14.981 km，堤防加固培厚處理，對現(xiàn)有坡進(jìn)行削坡整坡處理，土堤采用黏土填筑，設(shè)計壓實(shí)度≥0.91，迎水面坡比為1∶2.5，背水坡坡比1∶2.0，堤頂寬4.0 m，堤頂設(shè)置3.0 m寬泥結(jié)石路面。

4.5 護(hù)岸設(shè)計

防洪工程迎水岸坡在支流入河口段迎流頂沖，因受水流長期沖刷的作用，逐步形成緊靠堤腳的深泓河槽，水流淘空堤腳產(chǎn)生崩岸塌坡現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅大堤的安全；二是風(fēng)浪沖擊河岸，汛期洪水來臨，水面寬廣水深增大，風(fēng)急浪高，直接破壞大堤岸坡，故本次設(shè)計擬對迎流頂沖和嚴(yán)重風(fēng)浪淘刷圩堤險段進(jìn)行護(hù)坡、護(hù)岸處理。

為防止洪水沖刷堤坡，對左樁號1+360～1+430、右樁號2+880～3+028段長310 m堤防迎水面采用干砌塊石護(hù)坡，采用人工塊體或經(jīng)過分選的塊石作為斜坡堤的護(hù)坡面層且斜坡坡率為1.5～5.0，波浪作用下單個塊體、護(hù)面層厚度及塊石的質(zhì)量Q，如式(2)、式(3)[9-10]：

(2)

(3)

式中：t為塊體或塊石護(hù)面層厚度，m；Q為主要護(hù)面層的護(hù)面塊體、塊石個體質(zhì)量，t；KD為穩(wěn)定系數(shù)；γb為人工塊體或塊石的容重，kN/m3；γ為水的容重，kN/m3；H為計算波高，m；n為護(hù)面塊體或塊石的層數(shù)；c為系數(shù)，無量綱。

計算得面坡1∶2時，最小塊石重量Q=5.6 kg，厚度t=0.268 m，考慮到工程實(shí)際施工條件及其他堤防工程經(jīng)驗(yàn)，塊石重量≥15 kg，砌石厚度≥0.4 m。

干砌石護(hù)岸設(shè)置0.55 m×0.40 m(寬×深)干砌石壓頂，坡比為1∶2，干砌石護(hù)岸厚0.40 m，下設(shè)0.15 m厚砂卵石墊層，干砌石護(hù)岸頂為岸頂高程，護(hù)岸底為河床底高程并設(shè)置2.1 m×1.0 m(寬×深)干砌石固腳。

干砌石護(hù)岸應(yīng)確保砌筑質(zhì)量，塊石要求穩(wěn)固，無松動、架空現(xiàn)象。所用石料必須質(zhì)地堅硬、新鮮完整，無裂縫，且不易風(fēng)化，不允許使用風(fēng)化料，石塊形狀要大致整齊，鋒邊尖角應(yīng)敲去，表面的泥垢、青苔、油質(zhì)等應(yīng)沖刷干凈；塊石平均粒徑不宜<30 cm，塊石密度≥2.5 g/cm3，抗壓強(qiáng)度R≥40 MPa，軟化系數(shù)≥0.75。

5 總 結(jié)

高安市建山鎮(zhèn)(新橋～英嶺)肖江治理工程防護(hù)區(qū)內(nèi)受洪水影響，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，給當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來較大損失，也使得當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略遭受阻礙。

設(shè)計采取了有效、經(jīng)濟(jì)、安全的治理措施，能達(dá)到除險加固、提高工程防洪能力的目的。該項目實(shí)施后，可改善河道水體環(huán)境，提高區(qū)內(nèi)人民群眾的生活品質(zhì)，達(dá)到“河暢、水清、岸綠、景美”和人水和諧的目標(biāo)，同時產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。