何 靖，緱麗娜

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075；5.自然資源部土地工程技術(shù)創(chuàng)新中心，陜西 西安 710075)

1 引言

水利作為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在全面建設(shè)小康社會中肩負(fù)著重要的職責(zé)[1]。2010年全國發(fā)生了大范圍強(qiáng)降雨過程，主要江河流域都發(fā)生了洪水，中小河流防洪能力不足問題也顯現(xiàn)出來。國家決定加大中小河流災(zāi)害的治理力度，以防洪薄弱地區(qū)為重點(diǎn)，決定用5年時間基本解決防洪減災(zāi)體系薄弱環(huán)節(jié)的突出問題，切實(shí)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展大局[2，3]。2010年10月10日，國務(wù)院出臺了《關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)中小河流治理和山洪地質(zhì)災(zāi)害防治若干意見》[4～6](國法[2010]31號文)，水利部于2010年10月18日召開中小河流治理等專項(xiàng)規(guī)劃編制安排工作會議。藍(lán)田縣洋峪河河道堤防治理被列入《陜西省中小河流治理規(guī)劃(2013～2015年)》[7]中。

工程建設(shè)是保障焦岱鎮(zhèn)洋峪河石怡園及沿岸群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的需要；工程建設(shè)是統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，拉動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)、搞活農(nóng)家樂綠色發(fā)展的需要；工程建設(shè)符合城市發(fā)展規(guī)劃，加強(qiáng)區(qū)域安全與發(fā)展保障的需要；工程建設(shè)是貫徹落實(shí)中央關(guān)于加強(qiáng)水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)和切實(shí)加強(qiáng)中小河流治理要求的需要。根據(jù)焦岱鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃，工程區(qū)河段左右兩岸已列為藍(lán)田縣重點(diǎn)旅游開發(fā)示范園，城鎮(zhèn)建設(shè)已初見規(guī)模，急需對洋峪河進(jìn)行河道整治，保護(hù)天然河道，提高河道行洪能力，有效保護(hù)沿河耕地、村企單位、個體工商戶及居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，適應(yīng)現(xiàn)階段焦岱鎮(zhèn)的整體發(fā)展規(guī)劃，為焦岱鎮(zhèn)乃至藍(lán)田縣的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 項(xiàng)目區(qū)概況

洋峪河發(fā)源于秦嶺山脈之一的月牙山北坡，位于北緯33°50′～34°19′、東經(jīng)109°07′～109°49′之間，是浐河上游的支流之一。洋峪河流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)半濕潤氣候，四季分明，春秋短、冬夏長，3～7月多偏西風(fēng)，8月～次年2月份多西風(fēng)或西北風(fēng)，平均風(fēng)速1.5 m/s，當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速20 m/s；氣候溫涼濕潤，雨量充沛，降雨多集中在6～9月份，冬春兩季降雨較少，多年平均降水量833.3 mm，多年平均相對濕度71%，年蒸發(fā)量1200 mm。多年平均日照時數(shù)2054 h，年均氣溫13.1 ℃，極端最高氣溫43.3 ℃，極端最低氣溫-21.2 ℃。凍土最大深度25 cm，凍結(jié)日期為每年1月5日前后，解凍日期為每年2月23日前后。

工程區(qū)所處秦嶺山前地帶，南近秦嶺山前斷裂，北近余下-鐵爐子斷裂，東北臨浐河斷裂，西北臨長安-臨潼斷裂。秦嶺山前斷裂為秦嶺隆起與渭河地?cái)貕q沉降區(qū)的分界線。余下-鐵爐子斷裂、長安-臨潼斷裂為活動性斷裂，浐河斷裂為新構(gòu)造運(yùn)動中晚期形成的斷裂。

3 工程建設(shè)任務(wù)與規(guī)模

3.1 建設(shè)任務(wù)

本工程位于藍(lán)田縣洋峪河焦岱鎮(zhèn)街道附近，工程主要建設(shè)內(nèi)容為：新建左岸護(hù)岸工程總長523 m。

3.2 工程規(guī)模

3.2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

該工程按10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.2 總體布局

(1)河堤主導(dǎo)線的布置主要考慮：①河堤堤線應(yīng)與河勢流向相適應(yīng)，并與大洪水的主流線大致平行。堤間距應(yīng)大致相等。②堤線應(yīng)力求平順，各堤段應(yīng)平緩相接，不得有折線或急彎。③盡可能利用現(xiàn)有堤防和有利地形，修筑在基礎(chǔ)好的灘岸上。④最大程度配合藍(lán)田縣焦岱鎮(zhèn)石藝園景區(qū)總體規(guī)劃，合理布設(shè)堤線。⑤充分利用右岸已成堤防護(hù)岸型式，左岸擬新建為坡式護(hù)岸。

(2)堤間距確定是按照：①根據(jù)流域防洪規(guī)劃按河段確定上下游，統(tǒng)籌兼顧。②根據(jù)河道地形、地質(zhì)條件、水文泥沙特性、河床演變特點(diǎn)等條件考慮。③考慮石藝園景區(qū)為山區(qū)，無土地資源，利用修河堤可置換出一部分土地。④利用阿爾杜林經(jīng)驗(yàn)公式、統(tǒng)計(jì)主河槽寬度及現(xiàn)狀水面曲線推求采用主河寬度3種方法分別計(jì)算洪峰流量，采取試算法分別求得河寬。參照此3種方法及考慮城市規(guī)劃占地等因素得出的河道寬度，綜合分析確定洋峪河石藝園段堤間距≥15 m，取15 m。

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 工程等級

本次設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，工程級別確定為Ⅳ級，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水，其工程主要建筑物級別為五級。

4.2 堤防設(shè)計(jì)

4.2.1 堤岸岸頂超高

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)要求，設(shè)計(jì)堤頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加超高，超高為坡浪爬高、風(fēng)雍增高及安全加高三者之和。

堤頂超高按(1)式計(jì)算：

y=R+e+A

(1)

式(1)中：y為堤頂超高，m；R為設(shè)計(jì)坡浪爬高，m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)雍增水高度，m；A為安全加高，m。

坡浪的平均波高和平均波周期采用莆田公式[8,9]計(jì)算：

(2)

平均波周期：T=4.438H0.5

(3)

式(2)、(3)中：H為平均波高，m；T為平均周期，s；V為計(jì)算風(fēng)速，采用歷年汛期最大風(fēng)速平均值的1.5倍，為30 m/s；F為風(fēng)區(qū)長度，取F=169 m；d為水域平均水深，d=1.98 m；g為重力加速度。

(4)

式(4)中：L為平均波長，m；D為水域平均水深，m。

當(dāng)m=1.5～5時，波浪爬高:

(5)

式(5)中：Rp為波浪爬高，m；KΔ為斜坡的糙率滲透系數(shù)，查表C3.1-1，取值0.80；Kv為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表C.3.1-2，取值1.3；Kp為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表C.3.1-3，取值2.07；M為迎水坡斜坡坡率，m=0.4。

最大風(fēng)雍水面高度：

(6)

式(6)中：e為計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)雍水面高度，m；K為綜合摩阻系數(shù)，(取3.6×10-6)；β為計(jì)算風(fēng)向與堤防軸線的法相夾角，為38°、49°、43°。

經(jīng)分析計(jì)算，堤頂超高計(jì)算值為1.1246～1.0006 m，根據(jù)本次陜西省中小河流治理有關(guān)文件，堤防超高原則不大于1.0 m，考慮到洋峪河為季節(jié)性河流，河流洪水為陡漲陡落型，且洪水歷時較短，因此本次設(shè)計(jì)確定堤頂超高均為1.0 m。

4.2.2 沖刷深度計(jì)算及基礎(chǔ)深度確定

4.2.2.1 岸坡沖刷深度計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)附錄D.2計(jì)算方法，岸坡沖刷深度按下式計(jì)算：

(7)

(8)

式(7)、(8)中：hs為局部沖刷深度，從水面起算，m；H0為沖刷處的水深，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替，m；Ucp為平均流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取0.25；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表D.2.2采用；Uc為泥沙起動流速，m/s；U為行進(jìn)流速，m/s。

本工程河床為砂卵石河床，對于卵石的起動流速可采用長江科學(xué)院的起動公式[10,11]D.2.1—6計(jì)算：

(9)

式(9)中：d50為河床沙的中值粒徑，取0.02 m；H0為行進(jìn)水流水深，m；γs、γ為泥沙與水的容重，KN/m3；g為重力加速度，m/s；Uc為泥沙起動流速，m/s2。

經(jīng)計(jì)算，護(hù)岸沖刷深度為0.66～1.57 m。

4.2.2.2 基礎(chǔ)埋置深度

考慮到該工程地處山區(qū)，根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果并類比相似工程，結(jié)合地質(zhì)勘探資料建議，本次設(shè)計(jì)護(hù)岸基礎(chǔ)底高程低于現(xiàn)狀河道深弘點(diǎn)以下1.5 m。工程處多年平均最大凍土深度為0.25 m，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286—2013)第7.8.5條要求，所取基礎(chǔ)埋深同時滿足凍結(jié)深度和抗沖刷深度要求。

當(dāng)基礎(chǔ)開挖時如遇基巖，可將基巖處理平整后再砌筑基礎(chǔ)，基礎(chǔ)下面與整體基巖上面應(yīng)良好銜接?？紤]到該工程地處山區(qū)，地質(zhì)勘探資料建議、以及出于安全考慮，基礎(chǔ)深度采用1.5 m。

4.2.3 護(hù)岸防護(hù)型式及堤頂結(jié)構(gòu)

護(hù)岸工程主要是為了保護(hù)灘岸免遭洪水沖刷而修建的防護(hù)工程，主要的結(jié)構(gòu)型式有坡式護(hù)岸和墻式護(hù)岸斷面型式[12,13]。所用建筑材料應(yīng)按照經(jīng)濟(jì)實(shí)用、就地取材、抗沖效果好、便于施工、滿足防洪和管理等要求即可。目前常用的建筑材料有現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土、漿砌石、干砌石、格賓籠石或鉛絲籠石等[14]。

根據(jù)本工程堤防土體抗沖能力低，河道比降大，水流流速相對較低，以及焦岱鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃要求，治理段右岸具有已成較高岸坎的漿砌石擋墻護(hù)岸及交通道路工程，因此護(hù)岸型式采用坡式護(hù)岸及擋墻護(hù)岸進(jìn)行比較(圖1)。

圖1 護(hù)岸斷面圖(m)

(1)坡式護(hù)岸方案：護(hù)坡坡比1∶2，對岸坡進(jìn)行修整，采取盡量挖填平衡，少占河床的原則，賓格卵石護(hù)坡0.3 m，漿砌石基礎(chǔ)頂部厚度0.7 m，深2.8 m，基礎(chǔ)底寬1.7 m，基礎(chǔ)坐落于砂卵石地基上。

(2)仰斜式擋墻護(hù)岸方案：擋墻采用M7.5漿砌石砌筑，頂部厚度0.7 m，墻背坡比1∶0.55，墻面坡比1∶1，墻底厚度2.876 m，基礎(chǔ)坐落于砂卵石地基上。

(3)重力式擋墻護(hù)岸方案：擋墻采用M7.5漿砌石砌筑，頂部厚度0.7 m，墻背坡比為直立，墻面坡比1∶0.4，墻基礎(chǔ)厚度2.876 m，基礎(chǔ)坐落于砂卵石地基上。

坡式護(hù)岸：工程量較小，景觀效果好，適宜采用賓格護(hù)坡，柔韌性、透水性、生態(tài)性較好；但其抗沖能力較漿砌石擋墻差，永久占地較仰斜式占用耕地較多；占地面積64.6畝，每米工程直接費(fèi)用1816元。仰斜式護(hù)岸：開挖量小，構(gòu)造簡單，整體性好，抗沖能力及耐久性高，就地取材；屬于硬性護(hù)岸，生態(tài)性較差，易產(chǎn)生不均勻沉陷，較重力式擋墻護(hù)岸占地大；占地面積39.7畝，每米工程直接費(fèi)用2842元。重力式護(hù)岸：開挖量小，構(gòu)造簡單，整體性好，抗沖能力及耐久性高，就地取材，占地小，與右岸已成擋墻護(hù)岸相統(tǒng)一；于硬性護(hù)岸，造價高，生態(tài)性較差；占地面積6.3畝，每米工程直接費(fèi)用3803元。項(xiàng)目區(qū)為山區(qū)，土地十分金貴，本次治理段沿河均為當(dāng)?shù)厝罕妰?yōu)質(zhì)基本口糧田，坡式護(hù)岸和仰斜式擋墻護(hù)岸占用主要糧田較多，推薦采用仰斜式擋墻護(hù)岸。

從3種護(hù)岸的優(yōu)缺點(diǎn)可以看出，坡式護(hù)岸每延米工程直接費(fèi)較仰斜式擋墻節(jié)省1026元，多占用耕地24.9畝，占地投資每米多142元；仰斜式擋墻比重力式擋墻直接投資每延米少961元，多占用耕地33.4畝，占地投資每米多192元。由于本工程的特殊性，考慮本段河道流速較大，重力式漿砌石整體性、抗沖性及耐久性能高，右岸已成堤防均采用仰斜式漿砌石擋墻護(hù)岸型式，臨水側(cè)坡比為1∶0.4，本段治理河道總長約5.3 km，工程位置處在石藝園景區(qū)及狹長地帶，土地面積本身十分緊缺，加之治理段沿河均為當(dāng)?shù)厝罕妰?yōu)質(zhì)基本口糧田，坡式護(hù)岸和仰斜式擋墻護(hù)岸占用基本優(yōu)質(zhì)糧田較多，為充分兼顧保護(hù)糧食安全及防洪安全，集合當(dāng)?shù)貙?shí)際，本次設(shè)計(jì)堤型采用仰斜式擋墻護(hù)岸，這樣即節(jié)約了土地資源、確保了防汛安全，又使新修護(hù)岸與已成護(hù)岸型式協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使整個治理段整體美觀。

河堤設(shè)計(jì)：按照左岸擋墻外3.0 m寬堤頂及道路，外坡1∶1，堤身填筑料采用就地取材原則為砂礫料填筑，壓實(shí)度為相對密度≥0.6。堤頂和邊坡均做綠化，綠化植物選用種草措施。

4.2.4 河堤穩(wěn)定性分析

4.2.4.1 河堤護(hù)岸抗傾穩(wěn)定分析計(jì)算

河堤抗傾穩(wěn)定性分析計(jì)算分兩種情況：第一種在河道內(nèi)有水時，水對堤產(chǎn)生向外推力，與河堤(擋土墻)后填土對河堤向內(nèi)的推力可相互抵消一部分力，這種情況不是最不利情況；第二種當(dāng)河道內(nèi)無水時，堤防受到擋土墻后填土的推力最大，會產(chǎn)生最大的傾翻力，這時對河堤穩(wěn)定為最不利的情況，堤防穩(wěn)定計(jì)算對這種最不利情況下河堤的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算[15]。本設(shè)計(jì)擋土墻后回填為砂礫石料，γ=1.7 T/m3，漿砌石擋墻γ=2.2 T/m3。

按《防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)附錄F的規(guī)定，焦岱鎮(zhèn)石藝園段河堤擋土墻抗傾穩(wěn)定計(jì)算采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(10)

式(10)中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；MV為抗傾覆力矩，KN·m；MH為傾覆力矩，KN·m。

(11)

表1 地基土的各項(xiàng)指標(biāo)建議值

4.2.4.2 河堤護(hù)岸抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算

按《防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)附錄F的規(guī)定，焦岱鎮(zhèn)石藝園段河堤擋土墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(12)

式(12)中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為底板與堤基之間的摩擦系數(shù)，卵石、砂礫石取0.5；∑W為作用于墻體上的全部垂直力的總和，KN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和，KN。

5 結(jié)論

(1)通過計(jì)算，確定該工程的堤頂超高均取1.0 m；護(hù)岸沖刷深度為0.66～1.57 m，基礎(chǔ)埋置深度均取1.5 m。

(2)對比3種堤型的優(yōu)缺點(diǎn)及工程實(shí)際，本次堤型采用仰斜式擋墻護(hù)岸。

(3)通過對河堤護(hù)岸抗滑、抗傾穩(wěn)定性的計(jì)算，防洪墻抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，基底最大應(yīng)力小于地基的允許承載能力220 kPa，且最大值與最小值之比小于3.0，說明防洪墻的抗滑、抗傾覆穩(wěn)定劑基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，防洪墻設(shè)計(jì)是安全的。