楊芳君

(湖南省新晃侗族自治縣水利局， 湖南 懷化 419200)

淺議平溪河李樹至洞坪段河道治理工程設(shè)計

楊芳君

(湖南省新晃侗族自治縣水利局， 湖南 懷化 419200)

平溪河李樹至洞坪段經(jīng)多年水流沖刷，部分臨河護岸難以發(fā)揮防洪功用，急需河道治理工程設(shè)計。本文依據(jù)禾灘水文站實測水文觀測數(shù)據(jù)，對工程區(qū)進行設(shè)計洪水計算、設(shè)計水面線計算、施工期洪水計算。同時，選定設(shè)計基準(zhǔn)年為2013年，堤防、護岸工程級別為5級，重點對治導(dǎo)線布置、提防方案選定、重力式漿砌石擋墻斷面設(shè)計等河道治理工程設(shè)計中的核心內(nèi)容進行詳細(xì)闡述，可為類似工程提供借鑒。

河道治理； 設(shè)計洪水計算； 設(shè)計水面線； 施工期洪水計算； 治導(dǎo)線布置

1 引 言

平溪河為舞水的一級支流，發(fā)源于新晃縣境內(nèi)天堂鄉(xiāng)鄧營山的龍?zhí)?，流?jīng)天堂、新寨、扶羅、李樹、禾灘、興隆、洞坪、波洲等8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，流域集雨面積595km2，干流全長75.3km，坡降7.6‰。其中，平溪河李樹段涵蓋坪地、紅星、楓木、三江4個村，防洪設(shè)施薄弱，受洪澇災(zāi)害影響嚴(yán)重。

平溪河李樹至洞坪段寬窄變化大、彎道多，極易產(chǎn)生沖刷，為保護已開墾農(nóng)田，兩岸依地勢建有干砌石護岸，漿砌塊石、漿砌混凝土塊護岸。由于部分臨河護岸高度不夠，又沒有采取護坡措施，致使防洪能力降低，經(jīng)過多年的運行，岸坡沖刷崩塌嚴(yán)重，河道泥沙淤積，河床抬高，洪澇災(zāi)害頻繁，急需河道治理工程設(shè)計。

2 水文條件分析

平溪河流域位于湖南省西部，屬副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，春夏暴雨多是空氣活動氣流輻合和地形抬升的綜合作用，常發(fā)生局部地區(qū)的暴雨和籠罩面積大、持續(xù)時間長的暴雨。平溪河上現(xiàn)僅有禾灘水文站具有1966—2011年的實測流量及水位觀測資料，并以此作為工程區(qū)水文分析計算的依據(jù)。

2.1 設(shè)計洪水計算

2.1.1 流域洪水特征

平溪河屬副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，流域洪水主要由暴雨形成，具有山區(qū)性河流陡漲陡落的特點。4—9月為汛期，根據(jù)禾灘水文站實測資料分析，洪水一般發(fā)生在4—9月，其中5—7月出現(xiàn)機會最多，統(tǒng)計其年最大洪水各月發(fā)生概率，見表1。

表1 禾灘站年最大洪水各月發(fā)生概率統(tǒng)計

從表1可知，洪水主要發(fā)生在5—7月，出現(xiàn)概率為79.6%，其中5月最多為34.1%，個別年份年最大洪水發(fā)生在4月或10月。1993年禾灘站發(fā)生建站以來最大洪水，洪峰流量達1120m3/s，一次洪水過程為43h，洪峰流量已超過30年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 禾灘站設(shè)計洪水

采用地區(qū)綜合頻率曲線法分析計算設(shè)計雨量[1-2]時，采用與該流域相近的雨量站資料。經(jīng)分析，范家鎮(zhèn)、黃前水庫、王大下、下港4個雨量站年最大24h點雨量均值分別為105.8mm、113.1mm、102.4mm、115.2mm，對各站最大24h點雨量進行頻率分析，按照理論頻率曲線與經(jīng)驗點據(jù)擬合較好的原則[3]，Cv分別為0.57、0.45、0.58、0.54。根據(jù)規(guī)范要求及出于安全考慮，綜合定線時，Cv取0.57，即110.5mm。各雨量站年最大72h點雨量均值分別為131.7mm、136.6mm、125.5mm、135.4mm，對各站最大72h點雨量進行頻率分析，Cv分別為0.54、0.50、0.47、0.53，綜合定線時，Cv取0.53，即133.5mm。

經(jīng)點面折減換算得到不同頻率設(shè)計面雨量，小安門水庫流域面積36.3km2，最大24h、72h雨量點面折減系數(shù)分別為0.977、0.987。禾灘站流量實測系列為1966—2011年，實測系列經(jīng)驗頻率按式(1)計算：

(1)

式中m——實測系列序號；n——實測洪水系列長度(n=44年)；Pm——實測系列序號為m的經(jīng)驗頻率。

計算成果見表2。

表2 禾灘站設(shè)計洪水成果

2.1.3 控制斷面設(shè)計洪水

由于工程河段延伸較長，有八世溪、磨溪、面溪、茶園腳溪、洞坪溪等支流匯入，根據(jù)支流匯入及集雨面積沿程變化情況，選取8個控制斷面，分別計算其設(shè)計洪水，各控制斷面具體情況見表3。

將禾灘站設(shè)計洪水按面積比的n次方搬移至工程各控制斷面[4]，即求得各控制斷面設(shè)計洪水，面積比n指數(shù)采用經(jīng)驗值2/3，計算成果見表4。

表3 控制斷面具體情況

表4 工程控制斷面設(shè)計洪水成果

2.2 設(shè)計水面線

平溪河李樹段、新寨段及支流八世溪河段河床主要為砂礫石、卵石，河床面不平整，有凹凸?fàn)?，兩?cè)岸壁長有雜草。設(shè)計推求工程河道水面線，根據(jù)河道實際情況查《水力計算手冊》及該區(qū)類似工程經(jīng)驗，得工程區(qū)河道糙率。

表5 平溪李樹至洞坪段起始斷面設(shè)計洪水位成果

以平溪4+900、平溪41+050、平溪57+200斷面為洞坪段、李樹段、新寨段起始斷面，采用水面曲線法，向上推求各斷面設(shè)計洪水位。水面線推算中計入沿程水頭損失，彎道、斷面收縮、擴散以及各橋梁等阻水建筑物局部水頭損失。

2.3 施工期洪水計算

平溪河李樹至洞坪段治理工程永久建筑物設(shè)計等級為5級，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)，工程導(dǎo)流建筑物均為5級建筑物，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為3～5年一遇洪水。根據(jù)禾灘站實測資料統(tǒng)計，求得禾灘站分期洪水系列。采用面積比的2/3次方將禾灘站設(shè)計洪水搬移至工程河段各控制斷面，即求得各控制斷面相應(yīng)時段的分期設(shè)計洪水成果，見表6。

表6 平溪河9月至次年3月分期設(shè)計洪水成果

根據(jù)實測平溪河縱橫斷面，采用能量方程，求得平溪李樹至洞坪段施工期洪水水面線。

3 工程建設(shè)設(shè)計

3.1 設(shè)計依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

將鄉(xiāng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪與流域治理相結(jié)合，工程措施與非工程措施相結(jié)合，以恢復(fù)行洪、保護岸坡為主，因地制宜、綜合治理，既要以流域規(guī)劃為依據(jù)，又要密切結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)總體規(guī)劃。洞坪鄉(xiāng)、李樹鄉(xiāng)、新寨鄉(xiāng)屬一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)，防護標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。

平溪河李樹至洞坪段治理工程的設(shè)計基準(zhǔn)年為2013年，近期設(shè)計水平年為2015年，遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年為2020年。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)，堤防、護岸工程級別為5級，相應(yīng)的穿堤建筑物涵閘、交通閘等按5級建筑物設(shè)計。

3.2 治導(dǎo)線布置

3.2.1 布置原則

a. 對原河堤岸不做大的調(diào)整，保持原河勢流態(tài)，修整局部不順暢河段，使治導(dǎo)線平緩連接，與大洪水的主流線大致平行，以利行洪。

b. 堤距滿足河道行洪要求，盡量少抬升原河道水面線，充分利用有利地質(zhì)、地形條件，盡量減少地基處理、土方填筑、占地及房屋拆遷。

c. 充分考慮河岸交通道路的順暢布置和整體美觀協(xié)調(diào)。

d. 堤防、護岸在保證穩(wěn)定、安全的前提下，盡量利用當(dāng)?shù)夭牧?，力求?jīng)濟、美觀。

3.2.2 布置方案

按照堤防、護岸布置原則，在1/1000地形圖上進行治導(dǎo)線布置，根據(jù)平溪河流域各河段自然地理條件，堤防、護岸工程沿平溪河流域各河段沿河兩岸修建，工程措施基本沿河岸走線，與大洪水的主流線大致平行，對沿岸阻礙行洪的地段適當(dāng)進行削坡取直，使工程修建后的河岸平順。

3.2.3 治導(dǎo)線距確定

平溪河流域各河段兩岸基本無堤防保護，項目保護區(qū)內(nèi)堤防治導(dǎo)線距確定遵循原則包括：上游、下游左右兩岸統(tǒng)籌兼顧考慮，結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，考慮現(xiàn)有水文資料系列的局限性。

根據(jù)治導(dǎo)線距、護岸布置原則及現(xiàn)狀河道斷面實測資料，結(jié)合河勢變化、沿河兩岸地形條件兼顧?quán)l(xiāng)村發(fā)展等，以工程興建后不致水面線產(chǎn)生壅高為原則，經(jīng)計算確定最小治導(dǎo)線距。設(shè)計擬定最小堤距成果見表7。

表7 平溪李樹至洞坪段設(shè)計擬定最小堤距成果

3.3 堤防方案選定

3.3.1 堤防型式選擇原則

a. 居民密集區(qū)主要采用重力防洪墻，堤防拆遷占地較小。

b. 居民較少、地形平坦區(qū)主要采用坡式堤防，在原有較緩岸坡上修建坡式堤防，經(jīng)濟、簡便。

c. 當(dāng)新修坡式堤防受地形限制，或者土料料場距離太遠(yuǎn)時，采用重力式防洪墻。

d. 滿足生態(tài)、環(huán)保要求。

3.3.2 堤防型式選擇設(shè)計

結(jié)合李樹鄉(xiāng)規(guī)劃，根據(jù)工程所在地地形、地質(zhì)條件，依據(jù)堤線布置，考慮行洪影響，結(jié)合當(dāng)?shù)亟ú?，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，分段確定。

李樹鄉(xiāng)左岸部分河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，現(xiàn)有地面已超過防洪高程，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)劃，修建防洪堤。原有直立式漿砌石擋墻長432m，墻身結(jié)構(gòu)較新，從節(jié)約投資的角度出發(fā)，利用部分原有擋墻加高達到防洪標(biāo)準(zhǔn)。其余需新修堤防工程段地勢開闊且不存在拆遷，局部為保證與原河岸擋墻銜接決定采用重力式防洪墻。

對典型堤段，進行土堤和重力式擋墻兩種方案比較。最后選擇重力式漿砌石擋墻作為推薦方案，其優(yōu)點包括：占地少、充分利用開挖土料、施工容易、符合李樹鄉(xiāng)用地規(guī)劃。

3.3.3 設(shè)計堤頂高程

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)的規(guī)定：頂高程按設(shè)計洪水位加頂超高確定。頂超高值按以下公式計算：

(2)

式中Y——頂超高，m；R——設(shè)計波浪爬高，m；e——設(shè)計風(fēng)壅水面高度，m；A——安全加高，m，5級堤防取0.5m。

風(fēng)浪要素計算：

(3)

(4)

式中V——設(shè)計風(fēng)速，按計算波浪的風(fēng)速確定；F——風(fēng)區(qū)長度，m；d——水域平均水深，m；e——計算點風(fēng)壅水面高度，m；K——綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β——風(fēng)與垂直于堤軸線的法線夾角。

波浪爬高計算：

當(dāng)m=1.5～5.0時，計算公式為

(5)

當(dāng)m≤1.25時，計算公式為

(6)

KD——斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，取KD=0.9；

KV——經(jīng)驗系數(shù)；

KP——爬高累積頻率換算系數(shù)；

m——斜坡率；

L——堤前波浪的波長，m。

計算堤防的安全加高值為

y=RP+e+A=0.042+0.002+0.5=0.542m

考慮到平溪河流域各河段為山區(qū)小河流，故安全加高值取5級堤防的安全超高值0.6m。

3.4 重力式漿砌石擋墻斷面設(shè)計

平溪41+300斷面防洪堤為重力式漿砌石擋墻型式，墻高5.38m，頂寬1.0m，底寬2.57m，迎水面坡比1∶0.25，背面垂直，基底順直，設(shè)置10cm的C15混凝土墊層。堤頂無通車要求，墻后用1∶1.5的土坡與堤頂相接，設(shè)置400mm×500mm排水溝。

重力式漿砌石擋墻的穩(wěn)定原理是通過墻體自身重量來維持擋墻在土壓力下的穩(wěn)定。根據(jù)地勘試驗資料，堤防穩(wěn)定分析計算中，巖石和土的物理力學(xué)指標(biāo)取值包括：砂卵石地基允許承載力250kPa，摩擦系數(shù)f混凝土/巖=0.35。重力式擋墻計算截面簡圖如下圖所示。

重力式擋墻計算截面簡圖(單位：mm)

根據(jù)堤防運行情況，計算工況選定正常運行情況和最危險的外河洪水驟降情況。

抗滑穩(wěn)定計算：

(7)

式中Kc——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； ∑W——墻身自重、土重等垂直荷載及基底面上揚壓力總和；

∑P——土壓力、水壓力等水平荷載總和；

f——基底面與砂卵石基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)，取0.35。

正常運用條件：[KC]=1.15；非常運用條件：[KC]=1.05。

抗傾覆穩(wěn)定計算：

(8)

式中K0——抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)； ∑MV——作用于墻身的各力對墻趾穩(wěn)定力矩；

∑MH——作用于墻身各力對墻趾的傾覆力矩。

正常運用條件：[K0]=1.40；非常運用條件：[K0]=1.30。

基底壓應(yīng)力計算：

(9)

經(jīng)計算，基底最大應(yīng)力δmax=226kPa<250kPa，基底最小應(yīng)力δmin=85kPa?；鬃畲蟆⒆钚?yīng)力均滿足要求。通過抗滑穩(wěn)定及其基底應(yīng)力分析計算，堤防工程均可選擇砂卵石基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

平溪河李樹至洞坪段經(jīng)多年水流沖刷，部分臨河護岸難以發(fā)揮防洪功用，急需河道治理工程設(shè)計。本文依據(jù)平溪河禾灘水文站1966—2011年的實測流量及水位觀測資料，對工程區(qū)進行水文分析計算。統(tǒng)計水文站長系列數(shù)據(jù)，判定平溪河洪水5—7月出現(xiàn)概率最大，并采用地區(qū)綜合頻率曲線法對禾灘站設(shè)計洪水進行計算。根據(jù)支流匯入及集雨面積沿程變化情況，選定8個控制斷面，分別求得各控制斷面設(shè)計洪水。根據(jù)斷面實測成果，采用水面曲線法，推求各斷面設(shè)計洪水位。根據(jù)面積比的2/3次方將禾灘站設(shè)計洪水搬移至工程河段各控制斷面，求得各控制斷面相應(yīng)時段的分期設(shè)計洪水成果。

治理工程設(shè)計基準(zhǔn)年為2013年，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)，選定堤防、護岸工程級別為5級。本文重點對治導(dǎo)線布置、提防方案選定、重力式漿砌石擋墻斷面設(shè)計等河道治理工程設(shè)計中的核心內(nèi)容進行詳細(xì)闡述，可為類似工程提供借鑒。

[1] 張寶森,郭全明.黃河河道整治工程險情分析[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,2002,13(3):1-5.

[3] 彭瑞善,李慧梅.小浪底水庫修建后已有河道整治工程適應(yīng)性研究[J].人民黃河,1996(10):30-33.

[4] 喻剛.河道治理工程中的新思路[J].上海水務(wù),2008(1):51-52.

On design of river governance engineering of Pingxi River from Lishu to Dongping Section

YANG Fangjun

(Hu’nanXinhuangDongAutonomousCountyWaterConservancyBureau,Huaihua419200,China)

Pingxi River from Lishu to Dongping Section suffers from water scouring for many years. A part of riverside revetments cannot play the role of flood control easily. It is urgent to design river channel governance engineering. In the paper, designed flood calculation, designed flow profile calculation, and construction period flood calculation are implemented in the engineering area according to measured hydrology observation data of Hetan hydrological station. Meanwhile, the designed benchmark year is selected as 2013. Dike and revetment engineering level is 5. Core contents in river governance engineering design are described in detail mainly, including regulation line layout, embankment plan selection, gravity slurry masonry retaining wall cross section design, etc., thereby providing reference for similar projects.

river governance; designed flood calculation; designed flow profile; construction period flood calculation; regulation line layout

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.014

TV85

A

2096-0131(2017)06- 0053- 06