鞏建軍

(北票市水務(wù)工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，遼寧 北票 122100)

河道治理是融合了美學(xué)、園林學(xué)、生態(tài)學(xué)、城市規(guī)劃學(xué)、水利工程學(xué)、生物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多門學(xué)科的系統(tǒng)性水利工程[1-2]。涼水河兩岸生活及生產(chǎn)設(shè)施受歷史洪災(zāi)影響損毀嚴(yán)重，加之河道采砂亂挖侵占嚴(yán)重影響了其行洪能力。結(jié)合地形勘測資料，遵循工程布設(shè)原則，全面考慮洪水行洪寬度和平面套繪結(jié)果，并給河道擺動預(yù)留一定的余地，科學(xué)布置河道防洪治理方案，從而實(shí)現(xiàn)河道行洪能力提升、穩(wěn)定河床、防治洪水漫溢和河道側(cè)向侵蝕等。

1 工程概況

涼水河子河為大凌河左岸一級支流，全長51km，流域面積751km2，發(fā)源于努魯爾虎山平頂山，流經(jīng)西官營鎮(zhèn)、大三家鄉(xiāng)、臺吉鎮(zhèn)和涼水河子鄉(xiāng)，并最后匯入白石水庫。涼水河子河干河子段治理流域地勢北高南低，河道平均比降為4.99‰，彎曲系數(shù)1.07，基本為穩(wěn)固型河道，河身比較順直，在較長范圍內(nèi)往往寬窄相間，類似藕節(jié)狀，河道灘槽分界明顯，基本為單一河槽，平均河寬135m，河流彎曲部份河岸沖刷較為嚴(yán)重，形成多處險工。部分險段每到汛期有汛情時，當(dāng)?shù)卣家枭㈦U段居民，給當(dāng)?shù)厝罕娨约柏敭a(chǎn)安全帶來極大威脅，保護(hù)兩岸安全，對涼水河子河進(jìn)行全面科學(xué)治理十分重要且勢在必行[3]。

涼水河子河治理段海拔高程204-258m之間，治理段上游起北票市西官營鎮(zhèn)饅頭溝橋，止于大三家鄉(xiāng)大三家子大橋，治理總長度8.625km。以地形較平坦的河道兩側(cè)漫灘作為擬建工程位置，局部段屬于陡坎，地勢較陡，坎高多在1-5m左右。

2 工程總體設(shè)計

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

工程的防護(hù)對象是鄉(xiāng)村和耕地及林地，依據(jù)國頒《防洪標(biāo)準(zhǔn)》2.0.1條規(guī)定：“以鄉(xiāng)村為主的防護(hù)區(qū)要按照耕地面積和人口規(guī)模，將防洪標(biāo)準(zhǔn)劃分為4個等級”如表1所示。

表1 鄉(xiāng)村防護(hù)區(qū)的等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)

目前，涼水河子河左右岸有45個村屯，人口1.40萬人，耕地3.36萬畝。在治理河段上，涼水河子河流域人口多集中在離河較遠(yuǎn)的高地上，涼水河子河整治主要保護(hù)對象為農(nóng)田，并結(jié)合《涼水河子河河道治理規(guī)劃報告》確定河道治理標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇。

2.2 工程布置

涼水河子河流經(jīng)低山丘陵階地地區(qū)，河道多靠近階地邊緣陡坎，這正是河道的天然控制節(jié)點(diǎn)，但由于涼水河子河兩岸階地多為砂土結(jié)構(gòu)，抗沖能力不強(qiáng)，因此階地天然節(jié)點(diǎn)對河道的控制能力較低。歷史上曾有因階地陡坎坍塌而脫溜的現(xiàn)象，引起河勢變化，所以對于控制長度不夠，頂沖坍塌已經(jīng)十分嚴(yán)重的地方需輔以工程，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)對河勢的挖制。此外，現(xiàn)有較大險工段大多位于河岸變形較強(qiáng)烈、河道坍塌嚴(yán)重、沖刷強(qiáng)、水流急的位置，這也是河道整治的重點(diǎn)區(qū)域[4]。因此，為了更好的穩(wěn)定河勢，以防河道出現(xiàn)過大的擺動，可對河床變形利用建筑物來控制，這有利于保護(hù)岸灘耕地、林地、村莊等。為了改變水流對河岸的的頂沖，歸順河道水流，一般布置丁壩護(hù)岸。

對兩岸因沖刷逐漸后退不斷發(fā)展的彎道以及以上兩種控導(dǎo)工程間距較大的中間河段，可采用平順護(hù)岸以順導(dǎo)流，河道整治方案如下：

1)對于岸坡陡峭、主流在岸邊經(jīng)過，岸坡受洪水沖刷塌岸嚴(yán)重河段采取削坡及工程與植物相結(jié)合護(hù)岸形式，中小洪水形成的主河灘以下采用石籠護(hù)岸，以上采用植物護(hù)岸的形式，布置石籠護(hù)岸段長5906m。

2)對主河岸較低且為陡岸，主流在岸邊經(jīng)過，岸坡受洪水沖刷塌岸嚴(yán)重河段采取工削坡且植物護(hù)岸形式，布置削坡植物護(hù)岸段長383m。

3 )對有彎曲河段采用石籠丁壩護(hù)岸上形式，共布置丁壩32座。對河道擺動段采取生態(tài)固灘治理措施，布置生態(tài)固灘8.356hm2，生態(tài)固岸2.24hm2，詳見表2。

表2 河道治理方案

實(shí)踐表明，“生物固灘”是一項(xiàng)重要的河道治理措施，這充分體現(xiàn)了現(xiàn)代生態(tài)治河理念，涼水河子河治理設(shè)計采取生物固灘方案，在河灘上種植灌木和喬木，沿河道灘地處形成護(hù)岸生態(tài)林帶，其主要作用是利植物根系固灘，逐漸歸順河槽，減小河勢的擺動[5-7]。其次，該措施是減小流速，減輕對耕地地表層土壤的淤積，生態(tài)措施無論是減少河岸崩塌，或是漫灘水流的掛淤，都將會一定程度的減少白石水庫的入庫泥沙。

2.3 方案設(shè)計

2.3.1 石籠護(hù)坡設(shè)計

石籠護(hù)坡及植物總長5906m。各段根據(jù)河岸情況采取不同的斷面。

1)護(hù)岸形式及結(jié)構(gòu)尺寸?，F(xiàn)狀岸形為陡坎，受洪水沖刷塌岸較為嚴(yán)重，把陡坎進(jìn)行削坡，坡比為1∶2.0。然后采取石籠及植物護(hù)坡，石籠護(hù)坡頂高程取岸頂高程，厚0.4m，下設(shè)0.1m砂石墊層，砂石墊層下設(shè)400g/m2土工布，基礎(chǔ)深1.5m，寬1.2m，石籠規(guī)格基礎(chǔ)上頂1.1m，下底1.3m，高1.5m，長2.0m；護(hù)岸按實(shí)際高布置成一段或兩段。

2)岸坡沖刷深度計算。設(shè)hB為局部沖刷深度，m從水面算起，hp為沖刷處的水深，m，v允為平均流速，m/s，v允為河床面上允許不沖流速，m/s，文中取0.4，n為反映岸坡形狀的參數(shù)，可取1/4。可利用下式計算岸坡沖刷深度，結(jié)果如表3所示。

表3 石籠護(hù)岸沖刷深度計算結(jié)果表

(1)

2.3.2 植物護(hù)坡設(shè)計

植物護(hù)坡共1處，總長383m，即左岸樁號1+707-2+090段，平均岸高3.67m，現(xiàn)狀坡較陡。受洪水沖刷塌岸較為嚴(yán)重，把陡崖進(jìn)行削坡，坡比為1∶2.0，坡面采用植物護(hù)坡，植物為灌木，灌木株行距為0.5m×0.5m。

2.3.3 石籠丁壩設(shè)計

石籠丁壩設(shè)計按照短而密，成組布置，水流平順，一座接一座，設(shè)計丁壩頭基本平行于水流方向，使經(jīng)過上一丁壩水流不沖下一丁壩壩根。石籠丁壩共布置1處，即左岸樁號0+167-0+711段，共布置丁壩32座，丁壩長10-15m，間距為10-20m，丁壩軸線與水流方向夾角為下挑30°，丁壩軸線與水流軸線夾角為30°。丁壩基礎(chǔ)石籠(深×平均寬)1.8m×4.45m；基礎(chǔ)以上頂寬1.0m，高是水深。

1)石籠丁壩長確定。根據(jù)河道彎度，壩縮窄河道寬度≤河道寬度的1/5，主河道寬為300m，石籠垂直河道寬度為269m，石籠丁壩長10-15m。

2)石籠丁壩間距確定。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，丁壩間距可為丁壩長度的1-3倍，根據(jù)河床情況：凹岸中部取丁壩間距為10m，凹岸起始段和終止段取丁壩間距為10-20m。

3)石籠丁壩斷面尺寸確定。丁壩高為水深，頂寬1.0m，坡比為1∶1，基礎(chǔ)深1.8m，丁壩沖刷深度利用下式計算，即：

(2)

式中：H為局部沖刷水深，m，從水面算起；h0、v分別為行近水流的水深，m、流速，m/s；α為為水流軸線與丁壩軸線交角；m為與丁壩邊坡比，計算結(jié)果如表4。

表4 石籠丁壩局部沖刷水深計算結(jié)果

沖刷坑深度ΔH利用波爾達(dá)柯夫公式確定，其表達(dá)式如下：

(3)

式中：v為丁壩前水流的行近流速；K1為與丁壩在水流法線方向上投影長度l有關(guān)的系數(shù)，可按式K1=e-5.1(v2/gl)1/2計算；K2為與丁壩邊坡系數(shù)m有關(guān)的系數(shù)，可按式K2=em-0.2m計算；α為丁壩軸線與水流軸線交角，當(dāng)上挑丁壩(α>90°)時應(yīng)取1；d為河床砂粒粒徑；g為重力加速度，如表5所示所示。

表5 石籠丁壩沖刷坑深度計算結(jié)果

通過以上兩種方法計算結(jié)果，根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲髢鰧由疃?.5m和近年來北票市已建成石籠丁壩實(shí)際運(yùn)行情況，石籠丁壩基礎(chǔ)埋深采用1.8m，符合該地區(qū)實(shí)際情況。

2.3.4 生態(tài)治河工程設(shè)計

生態(tài)治河主要是生態(tài)林工程，沿河道左右岸迎水面岸邊坡腳形成5m寬生態(tài)灌木固灘林帶8.356hm2，株行距0.5m×0.5m，每側(cè)10行。左右岸河灘地岸邊栽植喬木2.24hm2，株行距1.0×1.0m，共10行，共布設(shè)生態(tài)林總計10.6hm2，總計植樹356670株。

樹種選擇適宜北票北部地區(qū)氣候的灌木采用沙棘，喬木采用楊樹。楊樹集約栽培的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是選擇適宜的栽植密度，這極大的影響著最終林分的最終收獲量、培育及生長。但固灘要加密栽植，喬木宜采用1.0m×1.0m的株行距，共栽植22430株，灌木宜采用0.5m×0.5m的株行距，共植樹334240株。

2.3.5 抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)堤防工程設(shè)計規(guī)范，以穩(wěn)定滲流期為計算期，以安全系數(shù)為目標(biāo)，不考慮地震因素，利用圓弧滑動法確定滑裂面形狀。孔隙水壓力利用近似計算和有效應(yīng)力法確定，考慮邊坡外側(cè)靜水壓力而不考慮滲透力作用，水面線數(shù)為6，,起點(diǎn)坐標(biāo)為(0.000，-0.500)，壩坡外水位3.000m。圓弧穩(wěn)定分析利用瑞典條分法，滑動方向與土條重切向分離相反時作為抗滑力，抗滑穩(wěn)定性計算簡圖，如圖1所示。

圖1 抗滑穩(wěn)定計算簡圖

經(jīng)計算，總的下滑力為819.660(kN)，總的抗滑力為1284.288(kN)；土體部分的下滑力和抗滑力為819.660(kN)、1284.288(kN)，筋帶在滑弧切向與法向產(chǎn)生的抗滑力均為0.000(kN)。根據(jù)計算結(jié)果可知，該工程大于允許抗滑穩(wěn)定系數(shù)1.10，護(hù)岸壩工程抗滑是穩(wěn)定的。

3 結(jié) 論

河道治理涉及因素多、覆蓋范圍廣，局部河段治理不善將直接導(dǎo)致全流域環(huán)境與安全問題。目前，維持行洪安全和河床穩(wěn)定的主流手段仍然是采取系列工程措施。隨著時代的發(fā)展和社會的進(jìn)步，河道治理方案不斷完善，但對特定環(huán)境特定區(qū)域的設(shè)計仍然存在諸多設(shè)計難點(diǎn)和風(fēng)險要素。因此，必須綜合考慮治理河段地形地質(zhì)條件、河道演變情況、河流特性等因素，按照周邊環(huán)境、河流生態(tài)與治理工程相協(xié)調(diào)的原則，科學(xué)設(shè)計河道治理方案。