劉兆楠

(大連市水務(wù)集團水研究院有限公司，遼寧 大連 116100)

河道綜合治理工程旨在改善河道防洪能力不足，岸坡穩(wěn)定性較差的現(xiàn)狀。通過實施河道治理工程，可以提高河道防洪標準，保障河道沿線居民的安全，促進當?shù)亟?jīng)濟、社會發(fā)展。河道綜合治理工程涉及到多個學(xué)科，是一個復(fù)雜的工程。河道沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，治理工程里程較長，因此，選取適宜的治理方案，可以節(jié)約工程投資，保障工程安全[1-3]。

1 工程概況

蛤蜊河治理工程的主要任務(wù)對河道兩岸堤防進行加高、局部河段清除河底漂石、對兩岸岸坡進行賓格網(wǎng)箱防護等，并使河道滿足防洪要求、岸坡穩(wěn)定及抗沖刷要求；同時對岸坡通過換填種植土、撒播草籽、種植楓楊等綠化種植措施，使河道達到生態(tài)景觀的需要；在河道兩岸有排水要求的堤防上修建排水涵，滿足兩岸排水要求。蛤蜊河步云山鄉(xiāng)段防洪標準應(yīng)為10～20年一遇。綜合考慮謙泰村在步云山鄉(xiāng)未來的發(fā)展定位和目標，蛤蜊河謙泰村段(步云山大橋至馬屯大橋、29+143—32+207)采用20年一遇防洪標準，其他河段(23+400—29+143、32+207—34+150)采用10年一遇標準設(shè)防。

2 水面線推算

2.1 計算條件

2.1.1計算范圍

本次水面線計算范圍為蛤蜊河步云山鄉(xiāng)東地橋向上游至呂家屯(23+400—34+150)，計算河長10.75km。

2.1.2地形資料

本次有實測1∶500平面帶狀地形圖及實測現(xiàn)狀橫斷面圖，水面線計算采用設(shè)計河道平面及斷面、并結(jié)合現(xiàn)狀進行水面線推求。

2.1.3起推水位

計算段河道為緩坡，自下游向上游推求水面線。本次起推位置采用治理段下游起點(23+400)向下游2.5km處，治理段以下2.5km的河道橫斷面采用《大連市蛤蜊河河道治理規(guī)劃報告》中橫斷面，該處水位采用明渠均勻流計算，通過計算該處10年一遇設(shè)計洪水水位為140.14m，向上游推求到治理起點23+400處水位為151.94m。則，本次治理段起點10年一遇起推水位為151.94m，采用此水位作為蛤蜊河治理段的起推水位向上游推求水面線。

2.1.4控制斷面處水位

治理后河道上穿河建筑物有莊蓋高速橋下過水路(25+143)、老虎汀過水路(30+556)、攔沙跌水壩5～1(26+929、27+036、27+128、29+242、29+319)。

在過水路及攔沙跌水壩處按照堰流計算該斷面水位，并以此為水位繼續(xù)向上游推求水面線。

堰流計算公式，具體如下：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；B—堰長，m；m—流量系數(shù)；σs—淹沒系數(shù)；σc—側(cè)收縮系數(shù)，無測收縮，取1；H0—堰前水頭，m；H—堰上計算水深，m。

通過判斷，4#攔沙跌水壩為淹沒出流，其余均為自由出流的實用堰，堰上水深計算成果見表1。

表1 各控制斷面控制水位計算成果表

2.1.5糙率選取

河道糙率取值參考《水力計算手冊》中的河道糙率表，然后結(jié)合本次治理后河道的實際情況綜合確定。

通過對治理段河道的現(xiàn)場勘查并結(jié)合治理后河道的實際情況分析，河道彎道較多、斷面較規(guī)整、河道較寬、水流較通暢、河床為卵石，河道糙率采用0.033。

2.2 計算方法

本次水面線的推算方法是依據(jù)能量守恒定律，自下游向上游逐斷面推算水面線，主要公式如下：

(2)

(3)

2.3 設(shè)計成果

河道水面線計算成果如圖1所示。

圖1 蛤蜊河10年一遇設(shè)計洪水位計算成果表(23+400—29+143)

3 堤防工程

3.1 堤防設(shè)計

3.1.1堤防斷面設(shè)計

河道堤防為土堤，設(shè)計堤頂寬度為3m，根據(jù)穩(wěn)定計算，堤防迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比為1∶2.0。

堤防加高培厚采用河床開挖料回填，河床開挖首先去除表層漂石，用于附近河床整平，漂石以下土層開挖用于堤防填筑。

3.1.2堤防超高計算

堤頂超高由下式計算：

Y=R+e+A

(4)

式中，Y—堤頂超高，m；R—設(shè)計波浪爬高，m；e—設(shè)計風(fēng)壅增水高度，m；A—安全加高，按不允許越浪取0.5m、0.6m。

堤頂超高計算結(jié)果見表2。

表2 堤頂超高計算成果表

設(shè)計堤頂高程成果如圖2—3所示。

圖2 左岸堤頂設(shè)計高程

圖3 右岸堤頂設(shè)計高程

圖4 標準斷面1

圖5 標準斷面2

3.2 防護設(shè)計

3.2.1防護型式比選

本次治理河段流速基本都大于2m/s，需采用硬質(zhì)護坡。結(jié)合本工程特點，防護型式的選擇應(yīng)滿足抗沖要求，又應(yīng)該符合生態(tài)景觀要求，本工程采取兩種方案。

方案一是賓格網(wǎng)墊護坡。該方案采用編織的聚脂膜賓格網(wǎng)墊內(nèi)回填塊石，其結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，整理性好，抗沖流速大，并具有透水性、透氣性，可形成自然生物帶，生態(tài)效果較好，網(wǎng)墊表層也可覆土種植，可以實現(xiàn)景觀種植要求，其造價較高。

賓格網(wǎng)墊護坡既能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，又能覆土種植滿足景觀要求，且該方案現(xiàn)在應(yīng)用廣泛，效果較好。工程大部分護坡均采用賓格網(wǎng)墊護坡。

方案二是干砌石護坡。該方案結(jié)構(gòu)簡單，適用廣泛，與賓格網(wǎng)墊相比，抗沖流速低，但其造價低于賓格網(wǎng)墊護坡。

干砌石護坡結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，因此在現(xiàn)狀沖刷不大的治理段末端漂流段采取干砌石護坡，節(jié)省造價。

3.2.2防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)不同河段沖刷程度，堤防迎水坡防護型式設(shè)計為4種，為標準斷面1—標準斷面4；另外，老虎汀左岸交通路路基和喬溝右岸交通路路基采用混凝土擋土墻防護；下游漂流段右岸緊鄰交通路，所以，在堤肩與路之間建設(shè)防浪墻[7]。

(1)標準斷面1

應(yīng)用于河道較順直、現(xiàn)狀沖刷較小的河段凸岸，在治理段下游，總長1.96km。

堤防迎水坡采用干砌石護坡，護坡厚度250mm，堤頂防護長度0.5m，護坡下鋪設(shè)400g/m2無紡布反濾；護腳采用1.0m×1.0m賓格網(wǎng)箱防護，護腳下鋪設(shè)400g/m2無紡布反濾；塊石粒徑不小于200mm，塊石強度等級MU40；護腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設(shè)計洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5×1.5m布置，楓楊種植采用生態(tài)袋(袋裝種植土)，生態(tài)袋尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設(shè)計洪水位與堤頂之間鋪設(shè)種植土100mm厚，并播撒草籽。

(2)標準斷面2

應(yīng)用于現(xiàn)狀沖刷較重、岸坡坍塌的河段或凹岸，及羅島周圍岸坡，總長6.438km。

堤防迎水坡采用賓格網(wǎng)墊護坡，護坡厚度500mm，堤頂防護長度0.5m，護坡下鋪設(shè)400g/m2無紡布反濾；護腳采用賓格網(wǎng)箱防護，網(wǎng)箱采用“L”型，水平防護長度為2.5m，防護厚0.5m，前沿防護深為1.0m，護腳下鋪設(shè)1層400g/m2無紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強度等級MU40，網(wǎng)孔80mm×115mm；護腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設(shè)計洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5m×1.5m布置，楓楊種植采用生態(tài)袋種植，生態(tài)袋尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設(shè)計洪水位與堤頂之間鋪設(shè)種植土100mm厚，并播撒草籽。

(3)標準斷面3

應(yīng)用于大部分河段，總長13.519km，應(yīng)用具體河段如圖6所示。

圖6 標準斷面3

堤防迎水坡采用賓格網(wǎng)墊護坡，護坡厚度300mm，堤頂防護長度0.5m，護坡下鋪設(shè)400g/m2無紡布反濾；護腳采用賓格網(wǎng)箱防護，網(wǎng)箱采用“L”型，水平防護長度為1.5m，防護厚0.5m，前沿防護深為1.0m，護腳下鋪設(shè)一層400g/m2無紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強度等級MU40，網(wǎng)孔80mm×115mm；護腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m與設(shè)計洪水位之上0.5m之間種植楓楊，楓楊選擇一年生類型，間距1.5m×1.5m布置，楓楊種植采用坑換種植土，種植坑尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在設(shè)計洪水位與堤頂之間鋪設(shè)種植土100mm厚，并播撒草籽。

(4)標準斷面4

應(yīng)用在老虎汀右岸，現(xiàn)狀干砌石護坡較完整、坡腳被沖毀段，總長0.722km。如圖7所示。

圖7 標準斷面4

保留現(xiàn)有干砌石護坡，重新修建護腳，護腳采用斜墻式賓格網(wǎng)箱防護，斜墻網(wǎng)箱高2.0m，基礎(chǔ)埋深1.0m，網(wǎng)箱尺寸采用3m×1.5m×1.0m。網(wǎng)箱下鋪設(shè)一層400g/m2無紡布反濾。塊石粒徑不小于200mm，塊石強度等級MU40，網(wǎng)孔80mm×115mm；護腳塊石采用河床清除漂石，漂石粒徑選用不小于200mm。

3.2.3護坡厚度計算

賓格網(wǎng)箱護坡厚度計算采用《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中公式，公式及計算過程如下：

t=2.0Dm

式中，t—網(wǎng)墊最小厚度，m；Dm—填石的中值粒徑，m；S0—博粒徑安全系數(shù)，；Cs—填石穩(wěn)定系數(shù)，；Cv—流速分布系數(shù)，；d—流速V處局部水深，m；V—斷面平均流速，m/s；γs、γw—填石、水的容重，kN/m3，取26.5kN/m3和10.0kN/m3；K1—邊坡修正因子，坡度1∶2.5時取0.94。

選取典型斷面一25+200處(河道較順直、現(xiàn)狀沖刷較小的河段凸岸)：流速為3.56m/s，堤腳處水深為2.68m。通過計算Dm=0.09m，t=0.17m，故本次設(shè)計賓格網(wǎng)墊護坡厚度為0.25m，網(wǎng)墊內(nèi)要求填石粒徑不小于200mm。

選取典型斷面二30+200處(大部分河段)：流速為4.09m/s，堤腳處水深為1.99m。通過計算Dm=0.13m，t=0.26m，故本次設(shè)計賓格網(wǎng)墊護坡厚度為0.3m，網(wǎng)墊內(nèi)要求填石粒徑不小于200mm。

選取典型斷面三31+100處(現(xiàn)狀沖刷較重、岸坡坍塌的河段或凹岸)：流速為5.56m/s，堤腳處水深為3.77m。通過計算Dm=0.24m，t=0.48m，故本次設(shè)計賓格網(wǎng)墊護坡厚度為0.5m，網(wǎng)墊內(nèi)要求填石粒徑不小于200mm。

3.2.4沖刷深度計算

河道沖刷計算采用GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》附錄D中公式，公式及計算過程如下。

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度計算：

式中，hs—局部沖刷深度，m；H0—沖刷處的水深，m；Ucp—近岸垂線平均流速，m/s；Uc—泥沙起動流速，m/s；U—行進流速，m/s；n—岸坡形狀系數(shù)，；η—水流流速不均勻系數(shù)；γs、γ—泥沙與水的容重，kN/m3。

計算分別針對流速較大段和轉(zhuǎn)彎段進行沖刷計算，轉(zhuǎn)彎段選取樁號為30+900，流速較大段選擇樁號28+000為最不利典型斷面，計算結(jié)果見表3。

表3 護岸沖刷深度計算結(jié)果表

根據(jù)歷史沖刷調(diào)查，較順直河段沖刷深度較小，在轉(zhuǎn)彎河段凹岸沖刷較嚴重。所以根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合實際情況，本次設(shè)計護腳采用“L”型賓格網(wǎng)箱型式：在較順直河段護腳水平鋪設(shè)長度采用1.5m、防護厚0.5m、前沿防護厚為1.0m；轉(zhuǎn)彎段凹岸加大護腳尺寸，水平鋪設(shè)長度采用計算深度的1.5倍，即水平鋪設(shè)長度為2.5m、防護厚0.5m、前沿防護厚為1.0m。

3.3 堤岸岸坡滑動穩(wěn)定分析

堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計算分4種工況：

(1)穩(wěn)定滲流期(設(shè)計水位)的背水坡；

(2)水位驟降期(堤前水深為設(shè)計水深的1/3)的臨水側(cè)岸坡；

(3)完建期的臨水側(cè)岸坡；

(4)完建期的背水側(cè)岸坡。

滑弧穩(wěn)定計算利用理正巖土計算軟件，采用瑞典圓弧法，選擇典型斷面進行計算[4-6]。

3.3.1計算參數(shù)選擇

根據(jù)地勘資料，現(xiàn)有河道河底卵石的容重均為19.6kN/m3，飽和容重為22kN/m3，黏聚力為0，內(nèi)摩擦角36°。由于堤防采用河道原狀土(卵石)回填，因此填筑料容重采用19.6kN/m3，飽和容重為22kN/m3，黏聚力為0，內(nèi)摩擦角36°。

3.3.2計算典型斷面

正常運用時期為工況(1)—(2)。選取堤防最不利斷面23+800作為計算典型斷面，此斷面堤頂高程為159.14m，河底高程為153.72m，堤高5.42m，設(shè)計水位為157.94m，堤前水深為4.22m，背水坡地下水位為154.76m，水深為1.04m；特殊工況1為施工期。

只列出穩(wěn)定滲流期的背水坡圓弧滑動示意圖如圖8所示，各工況的圓弧滑動穩(wěn)定性計算結(jié)果見表4。

圖8 滑動計算結(jié)果

表4 岸坡圓弧滑動穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，護岸岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

(1)基于能量守恒定律、實測斷面數(shù)據(jù)以及收集到的水文資料，對蛤蜊河23+400—29+143段水面線進行推求，進而獲取設(shè)計堤頂標高數(shù)據(jù)。

(2)結(jié)合治理段河道的實際情況，分別采取賓格網(wǎng)墊護坡、干砌石護坡型式，以適應(yīng)于不同段河道的治理需求。

(3)根據(jù)治理河道特點，確定4種標準斷面型式，在不同的河道段加以應(yīng)用。經(jīng)過穩(wěn)定性復(fù)核分析，安全性滿足要求。

(4)河道綜合治理工程涉及到多個學(xué)科的內(nèi)容，尤其是現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)境保護理念逐漸受到重視，在河道綜合治理工程中，需要結(jié)合城市發(fā)展規(guī)劃建設(shè)，選擇環(huán)境適宜性、規(guī)劃符合性更好的斷面型式。