楊昌定，陳 林，石 新

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 流沙河防護(hù)工程簡(jiǎn)介

流沙河移民安置防護(hù)工程是一項(xiàng)移民安置工程，工程建設(shè)任務(wù)是通過流沙河整治開發(fā)土地安置移民，兼有防洪等綜合效益。

流沙河移民安置防護(hù)工程范圍為兩河鄉(xiāng)富康村1組～九襄鎮(zhèn)民簇村3組，整治河段河道總長約15km。移民安置后，流沙河整治河段總?cè)丝诩s2.9萬人，總耕地面積約0.147萬hm2。

根據(jù)工程項(xiàng)目區(qū)的地形地質(zhì)、河道走向、河道現(xiàn)有堤岸及移民安置規(guī)劃，采用歸順河道，單邊堤、雙邊堤及護(hù)岸相結(jié)合的堤岸防護(hù)形式，開發(fā)河灘地，滿足移民生產(chǎn)安置用地需要。工程布置防護(hù)堤堤線總長20.627km，其中左岸堤線長11.493km，右岸堤線長9.134km;新增耕地面積128.6hm2。

2 流沙河河流特性

流沙河是大渡河中游左岸的一級(jí)支流，發(fā)源于扇子山東麓，整個(gè)流域位于漢源縣境內(nèi)。本流域北面以大相嶺和青衣江分水，南面以雞冠山與大沖河為界，分水嶺最高海拔高程4 021m。流域走向大致為西北～東南向，略呈扇形。流域除四周靠近分水嶺地區(qū)為山區(qū)地形外，大部為深、淺丘地貌，中、下游干流沿岸有少量平壩。流沙河流域面積共計(jì)1 150 km2，主河道河長71.0km。

流沙河防護(hù)工程河段，上起九襄鎮(zhèn)民簇村，下至兩河鄉(xiāng)高富康村，左岸至九宜公路以下，右岸與任家灣集中安置區(qū)相接，幅員面積12.24km2。工程區(qū)地層內(nèi)基巖埋藏深，堤基地層由上至下為第四系沖洪積含漂砂卵石與侏羅系中統(tǒng)遂寧組強(qiáng)風(fēng)化的砂巖夾泥巖。經(jīng)勘探揭示，堤基0～2.3m為稍密卵石，2.3m以下為密實(shí)卵石層，其壓縮性低、變形小，承載力和變形滿足筑堤要求。

流沙河屬于典型的山區(qū)多泥沙河流，其特性有如下4點(diǎn):

(1)流沙河防護(hù)河段屬典型游蕩型卵石河床，河道平均縱坡13.3‰，河道寬闊，河勢(shì)彎曲且十分不穩(wěn)定，河槽多變、彎曲、分叉。河灘地不穩(wěn)定，經(jīng)常被洪水沖毀。小水坐槽，大水漫灘，受洪水沖積，形成多處小沙洲，加劇了河床及河槽的不穩(wěn)定。

(2)防護(hù)河段內(nèi)支溝匯入較多，匯入流量較大，河床演變特性異常復(fù)雜。在工程防護(hù)范圍內(nèi)(約15km)，較大的支溝約有8條，其中田嘴河等5條為泥石流溝(見表1)。各支溝產(chǎn)、匯流參數(shù)及流量參數(shù)見表 2、3。

(3)流沙河流域內(nèi)大部為深、淺丘地形，處于大相嶺的焚風(fēng)區(qū)，氣候較干燥，巖體風(fēng)化較嚴(yán)重，導(dǎo)致流域內(nèi)沖溝發(fā)育，暴雨強(qiáng)度大，水土流失較嚴(yán)重，泥石流活躍。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，流沙河多年平均懸移質(zhì)年輸沙量121萬t，多年平均含沙量1 910g/m3，輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在汛期(6～9月)，占全年輸沙量的94.2%;其中8月份輸沙量最大，占全年輸沙量的42.3%。

(4)流沙河洪水過程一般為單峰，洪水陡漲陡落，洪水歷時(shí)一般不超過一天，加之河道坡降較陡，洪水時(shí)挾沙量較大，造成洪水流速大、挾沙量大、沖刷能力強(qiáng)。本工程實(shí)施前，流沙河亦曾經(jīng)歷多次整治，但效果均不佳，究其緣故，大多為河水淘刷防護(hù)工程基腳，導(dǎo)致防護(hù)工程坍塌。

表1 流沙河移民安置防護(hù)工程河段較大支溝泥石流特性

表2 工程區(qū)河段較大支溝流域特征值及產(chǎn)、匯流參數(shù)

3 防沖設(shè)計(jì)

3.1 原防沖設(shè)計(jì)方案

根據(jù)堤防布置河段的地形地質(zhì)條件和當(dāng)?shù)靥烊唤ㄖ牧系膶?shí)際情況，以及河道沖刷計(jì)算結(jié)果，為在滿足防洪需要的前提下，盡可能增加新增耕地面積、提高工程經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)其結(jié)構(gòu)型式要盡可能適應(yīng)建筑物區(qū)的地形地質(zhì)條件，達(dá)到使工程安全可靠、便于施工和節(jié)省工程投資等目的，原防沖設(shè)計(jì)方案選取了三種方案進(jìn)行比較，即:

方案一:漿砌塊石護(hù)坡的碾壓砂卵石堤。

方案二:上部采用漿砌塊石護(hù)坡，下部采用重力式漿砌塊石擋墻堤。

方案三:重力式漿砌塊石擋墻堤。

方案一投資最小，方案三投資最大，但方案一塊石用量最大，而本工程塊石料場(chǎng)較遠(yuǎn)且儲(chǔ)量有限;方案二的防淘刷效果優(yōu)于方案一;方案二相對(duì)方案三投資小、基礎(chǔ)處理簡(jiǎn)單、適應(yīng)地基變形能力較大、施工方法簡(jiǎn)單;方案三開挖斷面相對(duì)較大，雖抗沖能力較好，造地面積較大，但對(duì)地基要求較高，塊石用量相對(duì)較大。通過綜合分析，流沙河移民安置防護(hù)工程原防沖設(shè)計(jì)方案推薦采用方案二，即以上部漿砌塊石護(hù)坡、下部重力式漿砌塊石擋墻作為防沖方案，并對(duì)河槽疏浚，將河道規(guī)整為復(fù)式河槽。

表3 工程區(qū)河段較大支溝設(shè)計(jì)洪水成果 m3·s－1

護(hù)腳設(shè)計(jì)防沖刷深度H，可按局部沖刷深度hB+安全余度確定，即H=hB+A，依據(jù)GB50286－98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D2.2－1之公式及《水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)》，局部沖刷深度采用下式計(jì)算:

式中 hB——局部沖刷深度，m;

hp——沖刷處水深，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替，m;

Vcp——平均流速，m/s;

V允——河床面上允許不沖流速，m/s;

n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)的參數(shù)。

依據(jù)防護(hù)后的河道水流條件、河床泥沙條件等，計(jì)算出防護(hù)河段沖刷深度在2.49～4.28m之間。依據(jù)各個(gè)斷面的沖刷深度，考慮0.5m的安全余度，作為設(shè)計(jì)沖刷深度H，確定各個(gè)斷面防護(hù)堤護(hù)腳尺寸。

考慮到流沙河洪水期挾沙量大，淘刷能力強(qiáng)，在護(hù)腳墻前開挖斷面處平鋪兩層1m×1m鋼筋鉛絲石籠，鋼筋鉛絲石籠上碾壓回填河堤開挖料。

防護(hù)方案斷面見圖1、2。

圖1 防護(hù)堤典型斷面

圖2 防護(hù)堤護(hù)腳典型斷面

3.2 修復(fù)設(shè)計(jì)防沖措施

2009年流沙河防護(hù)堤白鶴集鎮(zhèn)段，因河道演變使得河床頻繁沖刷。為了減少河床沖刷對(duì)防護(hù)堤基地帶來的安全隱患，盡量固化河道縱坡及主流方向，在白鶴集鎮(zhèn)段修建了3個(gè)橫隔墻(間距500m)及四面體混凝土塊(單個(gè)重3t)護(hù)腳。經(jīng)過2010年汛期的運(yùn)行，橫隔墻固化河床的效果較好;但由于橫隔墻基礎(chǔ)較淺、間距較大、四面體較小等原因而受到不同程度的破壞。

根據(jù)2009、2010年兩個(gè)汛期洪水對(duì)防護(hù)堤損毀的不同位置和不同程度及橫隔墻的運(yùn)行效果，考慮一固一防的防沖措施對(duì)原有的流沙河防護(hù)堤損毀段防沖設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn):

一固:采用橫隔墻以固化河床，以穩(wěn)定河道底坡，減少河道的一般沖刷。橫隔墻的間距取250m;橫隔墻斷面采用梯形設(shè)計(jì)，頂寬80cm，底寬5.0m，上游坡比1∶0.6，下游坡比1∶0.2，頂部采用兩個(gè)圓弧，墻身上部采用C25鋼筋混凝土(鋼筋保護(hù)層厚度取10cm)，墻身下部采用C20埋石混凝土。

一防:采用四面體作為減少局部沖刷的措施。在流沙河彎道沖刷較為嚴(yán)重的部位采用四面體護(hù)腳，四面體底邊長2.0m、頂邊長1.5m、高1.5m，單個(gè)重4.8t。

3.3 損毀前后防沖措施對(duì)比

流沙河防護(hù)工程施工完畢后，連續(xù)經(jīng)歷2年雨季的洪水考驗(yàn)，防沖措施均有不同程度的損毀。破壞的主要原因?yàn)槌瑯?biāo)準(zhǔn)洪水，即最大洪水超過防護(hù)工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)10年一遇。除此之外，還有以下2方面的原因:

(1)由于該河道的特殊性，河道的游蕩及沖淤變化致使河床高程普遍下降，導(dǎo)致防護(hù)堤基礎(chǔ)擋墻埋深變淺，沖刷深度不夠。

(2)流沙河洪水期挾沙量、挾沙粒徑和洪水期流速(最大斷面平均流速4.49m/s)均較大。這種特性的河流中洪水挾帶推移質(zhì)對(duì)鋼筋鉛絲等抗沖材料的撞擊較強(qiáng)，極易破壞鋼筋鉛絲類的抗沖骨架，隨即骨架中的石塊等防沖材料被沖毀，導(dǎo)致整個(gè)防沖措施失效。

由于以上原因，在類似流沙河這種山區(qū)多沙游蕩性且洪水期挾沙粒徑大的河流采用原防沖設(shè)計(jì)方案將會(huì)有以下不足:

(1)流沙河原防沖設(shè)計(jì)方案雖做了防沖基礎(chǔ)和河道整理，但河床未固化，在經(jīng)過2年洪水期的運(yùn)行，洪水挾帶大量泥沙沖向下游，致使河床平均高程下降2m，最大河段下降3m左右，因此在修復(fù)設(shè)計(jì)中采用橫隔墻防沖措施，以固化原有河床，使河床達(dá)到?jīng)_淤平衡縱坡。根據(jù)流沙河已修工程運(yùn)行結(jié)果及實(shí)測(cè)資料，在河床達(dá)到?jīng)_淤平衡縱坡時(shí)的間隔為220m左右，因此在修復(fù)設(shè)計(jì)防沖措施中考慮一定的經(jīng)濟(jì)性將橫隔墻的間隔取為250m。

從2009年修建的橫隔墻運(yùn)行情況看，橫隔墻上部結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重。為增加橫隔墻頂部的抗沖性和盡可能保持河床固化高程，防止局部破壞缺口對(duì)整體的影響，在修復(fù)設(shè)計(jì)防沖措施橫隔墻上部采用C25鋼筋混凝土(鋼筋保護(hù)層厚度取10cm);且橫隔墻下游沖刷較為嚴(yán)重，沖刷深度很大，為保證橫隔墻安全穩(wěn)定，在修復(fù)設(shè)計(jì)防沖措施中橫隔墻下游設(shè)置長6m、厚80cm的鋼筋混凝土護(hù)坦。護(hù)坦尾部用大塊石回填(粒徑不小于80cm)，護(hù)坦兩側(cè)與原基礎(chǔ)擋墻齒墻連接，防止擋墻基礎(chǔ)淘刷。修復(fù)設(shè)計(jì)防沖措施典型橫斷面及縱斷面見圖 3、4。

圖3 河床橫隔墻橫剖面

圖4 河床橫隔墻縱斷面(半剖面)

(2)原防沖設(shè)計(jì)方案中鋼筋鉛絲石籠中的鋼筋鉛絲極易被洪水中的推移質(zhì)砸斷，使整個(gè)防沖設(shè)施失效。長江中下游較常采用的是四面體透水框架。其作用原理為通過改變水流形態(tài)、流速，實(shí)現(xiàn)水流由沖刷到淤積的轉(zhuǎn)變，是一種主動(dòng)型防淘刷設(shè)施。對(duì)于流沙河這種多泥沙的河流，洪水期水流中往往挾帶有大粒徑推移質(zhì)，在水流作用下，四面體框架承受不住大粒徑推移質(zhì)的撞擊而被破壞。鋼筋鉛絲石籠中鋼筋鉛絲骨架的破壞機(jī)理也與此類似。因而筆者認(rèn)為在修復(fù)設(shè)計(jì)防沖措施中采用埋石混凝土四面體作為抗沖措施，通過改變洪水水流形態(tài)、降低流速、增加抗沖擊性，具有較好的防沖能力。

4 結(jié) 語

通過流沙河移民安置防護(hù)工程抗沖刷設(shè)計(jì)的成果及其運(yùn)行效果來看，對(duì)于這種游蕩型卵石河床、河流坡降較大、洪水時(shí)挾沙量及挾沙粒徑較大的河流的抗沖刷設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮以下4點(diǎn):

(1)河道沖淤演變對(duì)沖刷深度設(shè)計(jì)的影響，采用橫隔墻或其他固床工程措施，以固化河床高程，消除一般沖刷對(duì)沖刷深度設(shè)計(jì)的影響。

(2)充分考慮橫隔墻頂?shù)目箾_性和橫隔墻下游的防沖措施，設(shè)計(jì)中橫隔墻頂部應(yīng)采用高強(qiáng)度混凝土，下游應(yīng)設(shè)防沖刷護(hù)坦。

(3)對(duì)推移質(zhì)較多且粒徑較大河段的抗沖刷設(shè)計(jì)，應(yīng)避免采用鋼筋鉛絲籠等護(hù)腳措施，防止推移質(zhì)對(duì)骨架的損壞導(dǎo)致整體防沖措施失效。

(4)采用較大的四面體混凝土塊護(hù)腳作為抗沖措施更為有效，但造價(jià)較高，可在頂沖段等關(guān)鍵部位局部布置。