謝 洪

（山西東山供水工程建設(shè)管理有限公司,山西 太原 030002）

1 引言

堤防工程是重要的防洪建筑,堤防工程方案對(duì)河道行洪影響較大。在河道治理工程中,需要根據(jù)實(shí)際情況,采取合理的堤防型式,從而降低工程投資,保障河道行洪安全[1-4]。河道的河勢(shì)演變是影響堤防工程安全的一個(gè)重要因素,在河道工程治理前,對(duì)河道沖淤情況進(jìn)行分析,可為河道治理工程設(shè)計(jì)提供參考[5-7]。

2 工程概況

汾河某段河道流域形狀成條帶形,自西向東南方向流入汾河,在襄汾縣三跨橋上游150 m 處注入汾河,流域平均寬度4.9 km,平均縱坡11.81‰,峪口以上平均縱坡為14‰,峪口以下為10‰～8‰。生態(tài)修復(fù)治理段總長(zhǎng)度3.223 km。

3 河勢(shì)演變情況分析

3.1 泥沙情況調(diào)查分析

統(tǒng)計(jì)分析柴莊水文站1964年7月～2010年6月年實(shí)測(cè)徑流量、輸沙量、含沙量,1964年7月～2010年6月柴莊水文站多年平均水沙量分別為7.63億m3和988萬(wàn)t,其中汛期水沙量分別占全年的61.5%和91%,輸沙量主要集中于汛期。

根據(jù)柴莊斷面不同年份套繪圖可以得知,1990年前,斷面呈微淤狀態(tài)。1990年后,主槽沖刷,邊灘淤積,斷面縮窄,尤其2000年～2010年間,主槽沖深下切嚴(yán)重。

從歷年斷面的沖淤厚度分析,20世紀(jì)90年代以前斷面呈淤積狀態(tài)；不同時(shí)段的年平均淤積厚度在0.004 m～0.029 m之間。20世紀(jì)90年代以后,由于來(lái)水來(lái)沙銳減,沙量的減沙幅度大于水量,含沙量較小,斷面發(fā)生沖刷。

根據(jù)《汾河流域2021年秋汛洪水復(fù)盤分析報(bào)告》,柴莊站河道沖淤變化：測(cè)驗(yàn)斷面起點(diǎn)距10.0 m～75 m為河道主槽,基本穩(wěn)定,沖淤變化不大,測(cè)驗(yàn)斷面起點(diǎn)距75.0 m～200.0 m灘地處呈明顯沖刷變化。

3.2 河勢(shì)演變分析

根據(jù)上述泥沙沖淤分析,汾河主河槽在將來(lái)的擺動(dòng)主要受到兩岸河堤情況和上游來(lái)水量的影響。隨著來(lái)水、來(lái)沙量的變化,河道可能發(fā)生沖刷和淤積情況。當(dāng)上游來(lái)水量處于較小的水平時(shí),水流可基本在主槽內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng),平面形態(tài)基本不可能發(fā)生較大的變化,此時(shí),水流流速低,容易發(fā)生淤積。當(dāng)上游來(lái)水量較大時(shí),水流流速增大,此時(shí)將導(dǎo)致河道主槽縱向變形加劇。當(dāng)發(fā)生超大規(guī)模的洪水時(shí),河道平面上易出現(xiàn)溢流、沖刷現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查,歷史上主槽發(fā)生大幅度擺動(dòng)的可能性較小。

根據(jù)上述分析可以得知,汾河治理段未來(lái)的河道演變趨勢(shì)為：中小水條件下,河道岸坡在平面上保持穩(wěn)定,河道縱向沖刷、淤積均可能發(fā)生。根據(jù)調(diào)查,治理段河道受兩岸地形影響,發(fā)生大幅度變化的可能性較低,但可導(dǎo)致河道縱向沖刷嚴(yán)重,當(dāng)連年枯水時(shí),河道有可能出現(xiàn)淤積。

4 堤防方案分析

4.1 堤防型式比選

常見(jiàn)的堤防型式主要有：混凝土重力式擋墻、懸臂式擋土墻、漿砌石重力式擋墻、土堤等進(jìn)行比選,優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 堤防型式比選

表2 重力式堤防抗滑及抗傾穩(wěn)定計(jì)算成果表

表3 仰斜式堤防抗滑及抗傾穩(wěn)定計(jì)算成果表

經(jīng)以上綜合比較,結(jié)合本工程的實(shí)際運(yùn)行條件,本工程位于城區(qū)中心,應(yīng)盡可能減小占地,則土堤不適宜本工程；工程未治理段主要處于蓄水區(qū),需采用防滲性較好的堤防型式,則漿砌石擋墻不適宜本工程；另重力式擋墻較懸臂式擋墻施工面小、施工技術(shù)相對(duì)容易,且每延米投資相差不大,因此采用混凝土重力式擋土墻。

4.2 堤頂高程確定

堤頂超高Y應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：R為設(shè)計(jì)波浪爬高,m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度,m；A為安全加高值,m。

圖1 設(shè)計(jì)堤頂高程

河道治理段河道大部分地基為砂卵礫石,采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄D計(jì)算公式,本次不在贅述。

經(jīng)計(jì)算,河槽沖刷深度平均在1.5 m～2.0 m之間,最大沖刷深度為2.73 m。根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 379-2007）第4.2.8條第一款規(guī)定,墻趾埋深宜為沖刷深度下0.5 m～1.0 m。根據(jù)工程設(shè)計(jì),垂直防滲墻、擋墻與垂直防滲墻之間水平防滲均從樁號(hào)0+395開(kāi)始至7#壩上游結(jié)束。樁號(hào)0-098～0+395段,擋墻埋深均為2 m,根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果,墻趾埋深在沖刷線0.5 m以下,符合規(guī)范要求。樁號(hào)0+395～7#壩上游側(cè),該段墻趾埋深均為2 m,部分段不滿足防沖要求,工程設(shè)計(jì)對(duì)墻趾前至垂直防滲段采用0.5 m厚混凝土進(jìn)行水平防滲,水平防滲與墻趾及垂直防滲墻之間采用橡膠止水條止水,可有效防止水流沖刷,滿足行洪沖刷要求。7#壩下游至入汾口段,設(shè)計(jì)墻趾埋深均為2.1 m,根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果,墻趾埋深在沖刷線0.5 m以下,符合規(guī)范要求。

圖2 局部沖刷深度

4.3 堤身斷面設(shè)計(jì)

本工程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,分別采用重力式混凝土堤防和仰斜式混凝土堤防兩種,其中重力式擋土墻主要布設(shè)于北大街橋上游及振興路橋下游至入汾河口,仰斜式擋土墻主要布設(shè)于丁陶大道橋上游。

1）重力式堤防

重力式擋墻采用C25F150W6混凝土現(xiàn)澆,頂寬0.6 m,迎水坡采用1∶0.1,背水坡采用1∶0.3,墻趾為0.5 m,埋入土中2 m,無(wú)墻踵,墻頂高于設(shè)計(jì)洪水位0.8 m。

2）仰斜式堤防

仰斜式擋墻采用C25F150W6混凝土現(xiàn)澆,墻頂寬0.8 m,迎水坡為1∶0.25,背水坡為1∶0.35,墻底斜坡為1∶5,墻趾為0.8 m,厚1.5 m,埋入土中1.5 m,墻頂高于設(shè)計(jì)洪水位0.8 m。

4.4 堤身穩(wěn)定性分析

1）基本資料

計(jì)算單元：取高5.5 m 重力式堤防（埋深2 m）。

計(jì)算工況：分施工完建期、設(shè)計(jì)洪水期、正常運(yùn)行+地震三種情況。

土質(zhì)地基摩擦系數(shù)取0.4；墻后回填土濕容重17.5 kN/m3,凝聚力為17.1 kPa,內(nèi)摩擦角為19.6°。

2）抗滑穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：f為墻底摩擦系數(shù)；W、P分別為垂直方向、水平方向的力,N。

3）抗傾穩(wěn)定計(jì)算

傾穩(wěn)定性系數(shù)K0應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Mv、MH分別為抗傾覆和傾覆力矩,N·M。

5 結(jié)論

根據(jù)汾河干流治理段河道的實(shí)際情況,對(duì)河道河勢(shì)演變進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,中小水時(shí)河岸在平面上比較穩(wěn)定,縱向有沖有淤。結(jié)合河道實(shí)際情況,選取4種方案進(jìn)行對(duì)比分析,采用混凝土重力式擋土墻具有良好的整體性、防水性,同時(shí)可節(jié)約土地,經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算,滿足相關(guān)要求。可為類似工程提供參考。