周曉新

（山西宏志環(huán)境工程咨詢有限公司，山西 太原 030009）

1 引言

河道是城鎮(zhèn)中重要的生態(tài)資源，對城鎮(zhèn)宜居生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有十分重要的作用[1-3]。但是河道作為重要的排洪通道，其泄洪作用不可忽視。在一些天然河道段，洪水災(zāi)害對沿線居民的生活具有諸多不利影響[4-6]。因此，對河道進行綜合治理，改善防洪現(xiàn)狀，提高生態(tài)效益是非常必要的。結(jié)合陽曲縣楊興河黃寨鎮(zhèn)段河道治理工程，對河道堤岸工程設(shè)計進行分析。

2 工程概況

工程治理起點為黃寨村1#橋上游，終點為新陽大橋下游，與陽曲公園現(xiàn)狀漿砌石堤防相接，起點樁號0+000，終點樁號2+416，治理段全長2.42 km。該段上游未進行過治理，兩岸為土堤，河道寬度約20 m，下游為陽曲公園段，建于2000 年，公園內(nèi)兩岸為素混凝擋墻，河道寬度僅15 m。治理段河道未經(jīng)過治理，兩岸大多為土坎；局部段河道為懸河，岸坡上剛進行過污水管涵的埋設(shè)，堤防回填壓實不均勻；治理斷現(xiàn)狀河道寬度從28 m～50 m不等，行洪能力嚴重不足，防洪不達標；樁號1+735～2+083（原河道樁號1+735～2+532）段河道現(xiàn)狀彎度大，水流不暢。

3 方案比選

方案一：本工程下游段河道即樁號1+735～2+083段（原樁號1+735～2+532）現(xiàn)狀彎度較大，大于90°，汛期水流直沖堤岸，對岸坡的破壞力很大，經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，本次設(shè)計計劃對其改線，將其進行裁彎取直，改善防洪條件。截彎取直段原河道長797 m，取直后長348 m，原河道寬約20 m，新建河道寬60 m，總占地面積37.6 畝，耕地24.8 畝，居民住宅12.8 畝。

方案二：河道不做裁彎取直處理，按原河道走向進行治理，將現(xiàn)狀河道拓寬至60 m，拓寬段主要位于河道左岸，總長797 m，占地面積約53.8 畝，其中耕地及大棚面積49.5 畝，居民住宅4.3 畝。

該段河道原河道總長2.87 km，裁彎取直后的河道總長為2.42 km。

圖1 河道裁彎取直段方案對比圖

表1 兩方案占地面積對比表

經(jīng)過對比分析，裁彎取直方案改線段總投資為879.2 萬元，原河道段總投資1767.7 萬元，裁彎取直方案改線段占地總面積37.6 畝，原河道占地總面積53.8 畝，綜合考慮本次設(shè)計推薦方案一即裁彎取直方案。

4 堤防工程設(shè)計

4.1 堤型選擇

河道治理工程的主要建筑物為堤防。比較方案如下：

（1）重力式擋墻

分為重力式素混凝土擋墻和漿砌石擋墻兩種，擋墻總高5.8 m，設(shè)計頂寬0.5 m，迎水面邊坡為直墻，背水面邊坡1∶0.5，基礎(chǔ)墻趾寬度1 m，高1.5 m，擋墻基礎(chǔ)埋深為2 m，可采用M10漿砌石砌筑或C25 素混凝土澆筑。

圖2 重力式擋墻結(jié)構(gòu)圖

（2）懸臂式鋼筋混凝土擋墻

擋墻總高5.8 m，頂寬0.4 m，迎水面為直立面，背水面坡度為1∶0.1，基礎(chǔ)埋深為2 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土標號為C25 F150 W6，鋼筋為HRB400 級。

圖3 懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)圖

（3）格賓石籠護坡

本次設(shè)計河道段防洪標準為50 年一遇，斷面平均流速2.1 m/s～3.9 m/s，土堤及草皮護坡不能起到防護作用，因此選用格賓石籠護坡進行對比，格賓石籠厚度為0.5 m，防護高度為2.5 m，下部鋪設(shè)150 mm碎石墊層，頂部覆200 mm厚種植土，表面撒播草籽。堤防迎水面與背水面坡度均為1∶2，堤頂寬6 m，優(yōu)點是因地制宜，取材方便，造價較低；缺點是新建堤防占地較大。

圖4 格賓石籠護坡結(jié)構(gòu)圖

考慮本次河道沿線實際情況，河道兩岸拓寬難度大，而護坡型式占地面積大，不適合本次治理段，因此首先排除護坡方案；鋼筋混凝土懸臂式擋墻雖然占地小，但造價太高，可以排除；從美觀、造價、占地以及材料的供應(yīng)等方面綜合考慮，重力式擋墻比較適合本工程，由于素混凝土擋墻施工速度快，質(zhì)量容易保證，本工程堤防型式最終選擇重力式素混凝土擋墻。

4.2 水面線推算

治理起點為黃寨村1#橋上游，終點為新陽大橋，全長2.42 km，新陽大橋為7 跨橋梁，凈高20.7 m，單跨凈寬19.2 m，現(xiàn)狀跌水按拆除考慮，調(diào)整后的縱坡為2.6‰～4.2‰。末端控制斷面設(shè)在陽曲公園混凝土擋墻處，該處河道順直，斷面規(guī)整，底寬15 m，兩側(cè)為直墻。

水面線采用一維恒定非均勻流計算公式推算，選取楊興河簡化標準斷面判定該段河道流態(tài)：當水流為緩流時，從下游向上游逐段推算水面線；當水流為急流時，從上游向下游逐段推算水面線。楊興河簡化斷面：矩形斷面，底寬60 m，邊坡直立，平均縱坡3.5‰，綜合糙率0.035。

明渠均勻流公式如下：

式中：Q為河道流量，取344m3/s；A為過水面積，m2；R為水力半徑，m；X為濕周，m；C為謝才系數(shù)；n為糙率；i為河道縱坡。

經(jīng)計算，楊興河正常水深h0=2.14 m。

矩形斷面臨界水深按下式計算：

式中：hk臨界水深，m； 修正系數(shù)，取1.0；q單寬流量，。

經(jīng)計算，臨界水深hk=1.496 m。

從以上計算可以看出，楊興河h0＞hk，流態(tài)為緩流，選擇治理段終點為初始計算斷面，然后能量方程逐段向上游推算，直至治理段首端。末端控制斷面設(shè)在與陽興公園交界處，該處河道順直，斷面規(guī)整，兩岸均為懸臂式混凝土擋墻。

式中：Z為水位，m；Q為流量，m3/s；V為平均流速，m/s ；g為重力加速度，m/s2；、ζ分別為動量修正系數(shù)和局部阻力系數(shù)，K流量系數(shù)。

本工程河道斷面為梯形斷面，設(shè)計洪水流量采用50 年一遇防洪標準，設(shè)計洪峰流量為344 m3/s，河道糙率取0.035，水面線計算結(jié)果見圖5。

圖5 水面線計算成果

圖5中治理段起點及治理段終點設(shè)計洪水位大于堤頂高程，是由于現(xiàn)狀河道寬度較窄，起點為20 m，終點為15 m，不能滿足50年一遇洪水標準。

4.3 堤頂高程確定

堤頂超高計算采用下式計算公式：

式中：Y為堤頂超高，m；R為設(shè)計波浪爬高，m；E為設(shè)計風壅增水高度，m；A為安全加高，m。

根據(jù)以上公式，本工程50 年一遇洪水標準下堤防超高計算結(jié)果見表2。

表2 堤防超高計算成果表

根據(jù)以上計算結(jié)果，本工程新建防洪堤防超高值確定為1.21 m，根據(jù)各斷面水深計算，本工程堤防高度為3.8 m。

4.4 堤防斷面的確定

河道治理工程堤防型式為重力式素混凝土擋墻。

新建重力式素混凝土擋墻高度為5.8 m，斷面型式為梯形，頂寬0.5 m，迎水面為直墻，背水面邊坡1∶0.5，墻趾寬1 m，高1.5 m，基礎(chǔ)底寬4.65 m，擋墻基礎(chǔ)埋深為2 m。素混凝土標號為C25 F150 W6。

堤防型式及高度匯總情況見表3。

表3 堤防型式統(tǒng)計表

圖6 堤防標準斷面圖

4.5 堤防穩(wěn)定計算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，工程堤防允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.3，抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)1.55，基底應(yīng)力的最大值與最小值之比不大于2.5。

本工程重力式素混凝土擋墻河底以上高度為3.8 m，基礎(chǔ)埋深2 m，總高5.8 m，采用理正擋土墻穩(wěn)定計算軟件，公式如下：

①物理參數(shù)：墻后填土內(nèi)摩擦角 =21°；地基允許承載力[δ]=120 kPa；素混凝土容重γ=24 kN/m3；墻后填土容重γ=17 kN/m3；底板與地基間摩擦系數(shù)f=0.4；凝聚力0 kPa。

②抗滑穩(wěn)定計算，公式如下：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑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；f為底板與堤基之間的摩擦系數(shù)。

表4 抗滑穩(wěn)定計算成果表

②抗傾穩(wěn)定計算，公式如下：

式中：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。

表5 抗傾穩(wěn)定計算成果表

③基底壓應(yīng)力計算，采用公式：

式中：σmax、min為基底的最大和最小壓應(yīng)力，kPa；∑G為垂直荷載，kN；A為底板面積，m2；∑M為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m；∑W為底板的截面系數(shù)，m3。

表6 基地應(yīng)力計算成果表

從以上計算結(jié)果可知，堤防穩(wěn)定計算系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

結(jié)合陽曲縣楊興河黃寨鎮(zhèn)段河道治理工程，通過方案對比局部采取裁彎取直+重力式擋墻方案作為河道綜合治理方案，具有占地面積小、投資低等優(yōu)勢。通過收集徑流數(shù)據(jù)，確定河道堤防高程，確定堤防標準斷面，可為類似河道治理工程設(shè)計提供參考。