張 斌

(六安市裕安區(qū)水利局，安徽 六安 237000)

0 引 言

河道具有極為重要的防洪作用，同時(shí)也是城市景觀打造的重要內(nèi)容[1-3]。合理選取河岸防護(hù)工程型式，可保證河道防洪安全的同時(shí)，打造適宜的生態(tài)景觀。結(jié)合東汲河工程，對(duì)河道護(hù)岸工程設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

東汲河治理工程，涉及丁集鎮(zhèn)、羅集鄉(xiāng)、固鎮(zhèn)鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。河道枯水期深泓線長度18.60km，河道行洪時(shí)中泓線長度12.70km。水系概況見圖1。

圖1 水系概況

1 河道設(shè)計(jì)水位線推求

1.1 設(shè)計(jì)洪水

1.1.1 流域特征值

詹小河河口下至東汲河河口段河道流量用詹小河河口節(jié)點(diǎn)的流量。只需要計(jì)算車渡口閘(0+000)、詹小河河口下(4+900)。本次對(duì)河道比降進(jìn)行了復(fù)核，兩節(jié)點(diǎn)計(jì)算至分別為0.51‰，0.50‰。流域特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 流域特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.1.2 設(shè)計(jì)暴雨

采用由原水電部規(guī)劃總院驗(yàn)收，水電部批準(zhǔn)頒發(fā)使用的《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計(jì)洪水計(jì)算辦法》(以下簡(jiǎn)稱“84年辦法”)進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算?！?4年辦法”中統(tǒng)計(jì)參數(shù)考慮了面上平衡，能反應(yīng)短歷時(shí)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)地區(qū)分布規(guī)律，設(shè)計(jì)暴雨可采用“84年辦法”計(jì)算。

利用查圖計(jì)算，最大1h，最大24h暴雨均值分別為40mm，100mm，Cv值分別為0.52、0.52，取值Cs=3.5Cv。暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)表見表2。

表2 暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)表

東汲河流域地處江淮丘陵區(qū)，依據(jù)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)5a一遇、10a一遇、20a一遇24h點(diǎn)雨量分別為133mm、169mm、203mm，1h雨量分別為53.2mm、67.6mm、81.2mm。按照河道流量計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制的流域面積，經(jīng)點(diǎn)面折減系數(shù)折減后可得面雨量。依據(jù)“84年辦法”附表所列扣除損失量和補(bǔ)給地下水量，計(jì)算面凈雨量，計(jì)算重現(xiàn)期為5a、10a、20a，故扣損值取80mm。

1.1.3 設(shè)計(jì)洪水

依據(jù)上述流域幾何參數(shù)、暴雨參數(shù)，運(yùn)用“84辦法”計(jì)算各節(jié)點(diǎn)不同頻率流量，計(jì)算見表3。

表3 分段設(shè)計(jì)流量成果 m3/s

東汲河流域水系圖、洪水計(jì)算節(jié)點(diǎn)分布見圖2。

圖2 東汲河流域洪水計(jì)算節(jié)點(diǎn)分布圖

1.2 設(shè)計(jì)水位

本次東汲河治理段的現(xiàn)狀、治理后水位，分別以現(xiàn)狀實(shí)測(cè)、規(guī)劃治理后的河道縱、橫斷面作為基礎(chǔ)推算。固鎮(zhèn)鎮(zhèn)三岔處10a一遇、20a一遇設(shè)計(jì)洪水位分別為26.2m和26.86m。

固鎮(zhèn)鎮(zhèn)三岔處5a一遇洪水位缺少規(guī)劃資料。該河段下游頂托影響顯著，5a一遇時(shí)頂托作用不應(yīng)大于10a一遇時(shí)，本次以治理終點(diǎn)至小河沿橋之間10a一遇水面比降為控制條件，擬定不同下游水位試算，直至水面比降和10a一遇的相同，以此時(shí)的下游水位作為起推水位。同時(shí)計(jì)算了下游自由水深條件下5a一遇水面線，發(fā)現(xiàn)二者水位差距較大，這表明該河段頂托作用影響較為顯著，按照10a一遇水面比降作為參照計(jì)算的5a一遇水位是偏向于合理的、安全的。

2 河道護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

2.1 護(hù)岸工程方案比選

2.1.1 河道岸線總體布置

岸坡整治盡量保持河流的自然形態(tài)，充分利用現(xiàn)有護(hù)岸，現(xiàn)狀完好的予以保留，對(duì)護(hù)岸破損嚴(yán)重的予以修復(fù)，現(xiàn)狀無護(hù)岸的新建護(hù)岸，在部分地段栽種當(dāng)?shù)仄贩N的植物進(jìn)行護(hù)岸；河道兩岸增加植物措施。在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾糜H水設(shè)施，方便群眾的生產(chǎn)、生活。各治理河段岸線應(yīng)結(jié)合東汲河河道現(xiàn)狀進(jìn)行布置。

2.1.2 護(hù)岸型式選擇

常見的護(hù)岸型式主要有坡式護(hù)岸、壩式護(hù)岸、墻式護(hù)岸、樁式護(hù)岸、生物護(hù)岸等，結(jié)合實(shí)際情況，考慮沿岸景觀需求，選擇坡式護(hù)岸、親水平臺(tái)+斜坡式護(hù)岸，墻式護(hù)岸3種方案進(jìn)行比選。

1)方案1：斜坡式護(hù)岸：

河底至設(shè)計(jì)洪水位鋪設(shè)1∶3的聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡，設(shè)計(jì)洪水位以上至岸頂采用草皮護(hù)坡，壓頂、格埂坡頂設(shè)C20素混凝土，斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖3。

圖3 方案1斷面結(jié)構(gòu)布置型式

2)方案2：墻式護(hù)岸+斜坡式護(hù)岸：

設(shè)置墻式護(hù)岸+斜坡式護(hù)岸，墻式護(hù)岸采用格賓石籠擋墻，墻頂至設(shè)計(jì)洪水位鋪設(shè)1∶3的聯(lián)鎖式生態(tài)護(hù)坡，設(shè)計(jì)洪水位以上至岸頂采用草皮護(hù)坡，壓頂、格埂采用C20素混凝土，斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖4。

圖4 方案2斷面結(jié)構(gòu)布置型式

3)方案3：直立式擋墻護(hù)岸：

河底至地面采用直立式擋墻，墻頂設(shè)0.5×0.2m(寬×高)的C20素混凝土壓頂，墻身為M10漿砌石，背水側(cè)坡度為1∶0.5，底部為厚0.5m的C20素混凝土底板，墻趾寬0.5m，墻踵寬0.5m，擋墻底板下做0.1m厚的碎石墊層。斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖5。

圖5 方案3斷面結(jié)構(gòu)布置型式

本次護(hù)岸工程主要針對(duì)東汲河兩岸迎流頂沖段和水毀護(hù)岸段進(jìn)行護(hù)砌，考慮該段臨河側(cè)無灘地、河道邊坡較陡，同時(shí)從生態(tài)、景觀效果及施工、技術(shù)實(shí)用等方面，并結(jié)合工程區(qū)現(xiàn)狀綜合考慮，本次河道護(hù)岸型式選用方案2斷面結(jié)構(gòu)布置型式：河底設(shè)置3m高格賓石籠擋墻+預(yù)制塊護(hù)坡+不低于2m寬度的平臺(tái)(平臺(tái)高程與上下游灘地保持一致)+預(yù)制塊護(hù)坡(坡頂高程為東汲河20a一遇洪水位)。

2.1.3 護(hù)坡材料選擇

常見的護(hù)坡材料有草皮、砌石、現(xiàn)澆混凝土、混凝土預(yù)制塊等。綜合考慮選取聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡。

連鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)性能好：聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊本身強(qiáng)度高、密實(shí)度高，塊與塊之間的連鎖形成剛性表面柔性基礎(chǔ)的整體鋪面，對(duì)水流沖擊和基礎(chǔ)變形有很高的適應(yīng)性。

2)生態(tài)效果佳：聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊通常采用開孔型護(hù)坡磚，有助于種植植被。

3)施工便捷：聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊生產(chǎn)形狀規(guī)則、尺寸統(tǒng)一，質(zhì)量穩(wěn)定，受天氣影響小，施工效率高，保證了工程的施工質(zhì)量。

4)造價(jià)低：工業(yè)化生產(chǎn)的聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊成本較低，較薄的生態(tài)砌塊能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)很厚的漿砌石或獨(dú)立塊鋪面，從而大大節(jié)約了工程材料成本，便捷的施工工藝使得施工效率高、人工費(fèi)用節(jié)省。

綜上所述，聯(lián)鎖生態(tài)砌塊工程造價(jià)一般，強(qiáng)度高，抗沖刷能力強(qiáng)，可開孔植草綠化，生態(tài)效果較好能機(jī)械化施工，穩(wěn)定性、安全性較高，有利土方平衡。根據(jù)河道現(xiàn)狀，護(hù)岸以抗沖刷、防止水土流失為主要功能，結(jié)合本工程實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)擬采用的護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式主要為聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡。

聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡主要用于河道迎流頂沖段，混凝土預(yù)制塊厚度120mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，壓頂、鎮(zhèn)腳混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，護(hù)砌頂部高程平20a一遇設(shè)計(jì)洪水位。

護(hù)岸結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖6 聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡

2.2 河道水力計(jì)算

2.2.1 允許不沖流速的計(jì)算

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》中允許不沖流速計(jì)算公式：

(2)

經(jīng)計(jì)算，本次治理工程河段允許不沖流速為0.78m/s，由水面線推算成果知，河道的設(shè)計(jì)流速均小于此值，因此河底不進(jìn)行護(hù)砌。

2.2.2 河道不淤流速

依據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》，清水渠道不長草的不淤流速一般大于0.3-0.5m/s，由水面線推算成果知，設(shè)計(jì)河道斷面平均流速在0.68-0.75m/s，均大于不淤流速，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 護(hù)岸工程沖刷深度計(jì)算

1)泥沙啟動(dòng)流速Uc的計(jì)算：

采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；H0為行近水流水深，m；d50為床沙的中值粒徑，m；γ，γs水和沙粒的容重，kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，泥沙的啟動(dòng)流速Uc=0.966m/s。

2)護(hù)岸工程沖刷深度計(jì)算：

a)順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算方法如下：

(4)

(5)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；U為行近流速，m/s；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4-1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角查附表，本次計(jì)算取1.0。

計(jì)算參數(shù)選?。罕敬螙|汲河治理工程，沖刷處的計(jì)算水深H0=7.75m；行近流速U=1.05m/s；根據(jù)水流流向與岸坡的交角查《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)表D.2.2得，水流流速的不均勻系數(shù)η=2.25，計(jì)算得近岸垂線平均流速Ucp=1.12m/s；與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)的系數(shù)，本次計(jì)算取n=1/5。

經(jīng)計(jì)算，本次東汲河治理工程，護(hù)岸工程的局部沖刷深度hs=0.67m。

b)斜沖防護(hù)岸坡的沖刷計(jì)算方法如下：

(6)

(7)

式中：△hp從河底起算的局部沖刷深度，m；α為水流流向與岸坡交角，°；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)；d為坡腳處土壤計(jì)算粒徑，m；Vj為水流局部沖刷流速，m/s；η為水流流速分配平均系數(shù)；經(jīng)計(jì)算，本次東汲河治理工程，斜沖防護(hù)岸坡的局部沖刷深度△hp=0.78m。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，并考慮工程投資，本次設(shè)計(jì)選用格賓石籠護(hù)腳，護(hù)腳埋深為1m。

3 結(jié) 論

為了保證東汲河防洪需求，改善河道生態(tài)景觀。通過收集流域水文參數(shù)，使用HEC-RAS軟件分析不同頻率下河道的設(shè)計(jì)水位線，為河岸防護(hù)設(shè)計(jì)提供基本參數(shù)。通過方法比選，確定采用生態(tài)砌塊護(hù)坡+格賓石籠護(hù)腳方案，經(jīng)過驗(yàn)算，可滿足河岸整體穩(wěn)定以及泥沙沖刷要求?？蔀轭愃坪拥婪篮楣こ烫峁﹨⒖?。