河道治理堤防整治工程设计探讨

陈远奇

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院，沈阳110003)

1 工程概况

某河道治理工程治理河段总长度为8.4 km，新建防洪堤11.17 km，修复防洪堤4.52 km，新建左堤岸6.11 m、右堤岸5.66 km。堤基承载力350 kPa，与地基间的摩擦系数为0.52;堤基大部为卵石、漂石混合土，局部为卵石混合土。根据相关标准和规范的要求，本次工程堤防防洪标准应为10 a一遇，洪峰流量1 115 m3/s，建筑物级别5 级。就目前的实际情况来看，河道汛期洪水集中、暴涨暴落，现有的河槽泄洪能力远未达到设计洪水要求，若遭遇较大洪水，势必会对两岸居民的生命财产安全造成威胁，整治工程的必要性和重要性非常突出［1－2］。

2 堤防宽度

对于地处冲击平原的河流来说，若其长期处于可自由发展的状态，那么河床与河段实际情况间通常会处于一种均衡状态，例如，河宽、水深、比降等均衡形态的相关因素往往与含沙量、流量、粒径等反映来水来沙及河床地质条件的物理量存在某种函数关系，在相关理论研究或工作实践中一般将其称为河相或沿程河相关系［3－5］。

2.1 稳定河宽

稳定河宽，即指河床断面、主槽位置变化可以忽略不计的河段。通过对该指标的计算和分析，设计人员可了解堤防宽度的最小值，进而为河道两岸治导线的合理确认提供依据和保障。在本次工程中，设计人员为保障计算结果的科学性和准确性，分别采用了阿尔图宁公式以及联立求解对稳定河宽进行计算。

2.1.1 阿尔图宁公式

阿尔图宁计算公式为:

式中:A 为稳定河宽系数(取值1.3);Q 为造床流量(取10a 一遇洪峰流量，m3/s);J 为河道比降。

在本次工程中，河道主槽纵坡9‰～15‰，将相关数值代入公式，可得稳定河宽最小值100.5 m，最大值111.3 m。

2.1.2 联立求解水流阻力公式为:

水流连续公式为:

河相关系式为:

联解以上公式，可得:

式中:h 为计算河段水深，m;J 为比降(主河槽平均坡度);Q 为造床流量，m3/s;B 为计算河段河宽，m;ξ为河相系数(取值6);n 为综合糙率(取值0.035)。

将相关数值代入公式，可得稳定河宽最小值118.2 m，最大值111.3 m。

综上，阿尔图宁公式的计算结果为100.5 ～111.3 m;联立求解的计算结果为118.2 ～111.3 m。可以看出，两种方法所得结果还是非常接近的，结合本次整治工程的任务要求以及河道的实际情况，稳定河宽最终确认为120 ～150 m。

2.2 堤防治导线

在设计流量下，河道经整治后的平面轮廓线即为治导线。由于治导线是工程临河面的边界联线、可为建筑物布置提供参考和依据，因此对于治导线的确认也就成为了设计工作的重要内容之一。在确定治导线宽度的过程中，设计人员需要对周边建筑物布置、河床及已建堤防宽度等因素进行综合考虑，同时，还要注意顺应河势发展，尽可能与天然河势保持一致，将裁弯取直压缩到最低限度，以免各类人为因素对天然河道造成过多的负面影响［6－8］。

本次工程的治理对象属于洪水型河槽，由于整治目的是提高其防洪能力，因此采用设计洪峰流量(1 115 m3/s)下的河槽整治线进行控制，所对应的稳定河宽为120 ～150 m。同时，为顺应天然河势，将部分河段的治导线布置为弯道，结合河相、河道走向的相关关系，确定弯道半径为水面宽3 ～5 倍。

2.3 河道水面线

在前期阶段，设计人员初步选择了“直立挡土墙+斜坡式齿墙”结构，采用下面的公式对水位进行推算。

式中:△l 为分段长度，m;h2为下游断面水深，m;α为流速系数;v2为下游断面流速，m3/s;h1分别为上游断面水深，m;v1为上游断面流速，m3/s;i 为渠道纵坡;J 为水力要素均值;E2为下游断面比能;E1为上游断面比能;g 为渠道糙率(取值0.035)。

在计算过程中，可对一端断面水深进行假定，并计算出△l 的值。若该值与假定值一致，则认为假定值即为断面水深的实际值，若计算结果与假定值存在差异，则重新假定、计算和对比，直至计算所得值与假定值相同。最终结果显示，0+000 ～8+400 段设计洪水水深为1.58 ～2.11 m。

通过以上计算，设计人员确定了本次整治工程的稳定河宽、堤防治导线以及河道水面线，为下一步工作中整治线以及堤防高度的合理确认奠定了坚实基础、提供了可靠依据。

3 堤防设计

3.1 冲刷深度

设计人员采用了水流平行、斜冲岸坡两种情况对冲刷深度进行计算，前者主要于弯道过渡段发生，后者主要于弯道凹岸发生。

在平顺段，可采用下面的公式计算冲刷深度:

式中:HB是由河岸起算的局部冲刷深度，m;HP为冲刷处水深，m;VCP为平均流速(最大洪水情况下，m/s);V允为河床面允许的不冲流速，m/s;n 为系数。

在弯道凹岸段，冲刷深度的计算公式改为:

式中:△HP是由河岸起算的局部冲刷深度，m;α 为岸坡、水流方向间的夹角(实测值为20°);Vj为水流的局部冲刷流速，m;m 为系数(防护坝斜坡护脚齿墙迎水面边坡，取值0.5);d 为岩土计算粒径(坡角处，取值0.23m)。

结合现行规范和标准的相关要求，应根据地基土质、冲刷深度对防洪墙基础埋置深度加以确认，要求在冲刷线下0.5 ～1.0 m。冲刷深度计算结果汇总见表1。

表1 冲刷深度计算结果汇总表

3.2 堤防形式

堤防形式可分为钢筋混凝土堤、重力式浆砌石堤以及梯形断面土堤，其中，钢筋混凝土堤具有保证度高、占地面积小的优势，缺陷在于需要大量的资金投入，因此多用于城市地区;重力式浆砌石堤的优势与钢筋混凝土堤相同，由于本次工程所在地区可就近提供砌筑用卵石，因此建设成本相对低廉;梯形断面土堤的填筑全部采用土料，虽然造价最为低廉，但占地面积大、保证程度不高［9－11］。

本次工程的设计原则是“在满足防汛及管理要求的前提下最大程度减少建设成本，实现项目社会与经济效益的双丰收”，结合山区河道易冲刷的实际情况，设计人员最终采用了“重力式挡土墙护堤+斜坡式齿墙护脚”的复式结构。该结构建设成本较低、占地面积较小，并且在行洪的过程中对主堤具有良好的保护作用，消除了因避免冲刷主堤基础而大幅削减高程的问题［12］。

堤身和护脚全部采用M7.5 水泥砂浆砌块石;堤顶宽0.5m，采用10cm 厚C15 混凝土压顶;迎水面边坡1∶0.4，背水面上部高0.5m 直立，下部边坡1∶0.1;斜坡式齿墙边坡1∶1，深度1.5 ～2.0m，厚度0.5m。抗滑安全系数的计算结果为1.37、抗倾安全系数的计算结果为2.06，均满足规范要求。

另外，设计人员还于堤身设置了排水孔(孔径100mm、间隔3m)，以此减轻堤防后背水压力，同时，在排水孔进口处设置反滤层，以此为排水孔提供更多保护。每隔15 m设置宽度为2 cm的伸缩缝一道，缝内夹聚乙烯闭孔板;在临水侧2 cm深处，以沥青水泥砂浆(1∶1.4)封口。

3.3 安全超高及堤高

结合《堤防工程设计规范》(GB50286—98)的要求以及本次工程防洪标准、建筑物等级的实际情况，堤防安全超高应为0.5m。利用河道控制断面的水力特性以及多年平均最大风速的1.5 倍对堤顶超高和波浪进行计算，所用公式如下所示:

式中:y 为堤顶高程，m;R 为设计波浪爬高，m;A 为安全超高，m;e 为设计壅水增加高度，m。

综合计算结果，可知河道设计洪水水深1.58 ～2.11m，堤防基础埋深0.5m，河道设计冲刷深度1.5～2.0m，堤防超高0.75m。斜坡式齿墙深度1.5 ～2.0m，沿河道重力式挡土墙高度2.83 ～3.36m。

4 结 语

在本次河道整治工程设计工作中，堤防结构采用了“重力式挡土墙护堤+斜坡式齿墙护脚”的复式结构，通过计算和论证，证实该断面在本次工程中具有较高的适用性和经济性。项目建成至今，始终处于良好的运行状态，社会和经济效益显著，设计工作中所采用的思路和方法值得在今后同类堤防设计中进行参考和借鉴。

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