浅议平溪河李树至洞坪段河道治理工程设计

杨芳君

(湖南省新晃侗族自治县水利局， 湖南 怀化 419200)

浅议平溪河李树至洞坪段河道治理工程设计

杨芳君

(湖南省新晃侗族自治县水利局， 湖南 怀化 419200)

平溪河李树至洞坪段经多年水流冲刷，部分临河护岸难以发挥防洪功用，急需河道治理工程设计。本文依据禾滩水文站实测水文观测数据，对工程区进行设计洪水计算、设计水面线计算、施工期洪水计算。同时，选定设计基准年为2013年，堤防、护岸工程级别为5级，重点对治导线布置、提防方案选定、重力式浆砌石挡墙断面设计等河道治理工程设计中的核心内容进行详细阐述，可为类似工程提供借鉴。

河道治理； 设计洪水计算； 设计水面线； 施工期洪水计算； 治导线布置

1 引 言

平溪河为舞水的一级支流，发源于新晃县境内天堂乡邓营山的龙田，流经天堂、新寨、扶罗、李树、禾滩、兴隆、洞坪、波洲等8个乡镇，流域集雨面积595km2，干流全长75.3km，坡降7.6‰。其中，平溪河李树段涵盖坪地、红星、枫木、三江4个村，防洪设施薄弱，受洪涝灾害影响严重。

平溪河李树至洞坪段宽窄变化大、弯道多，极易产生冲刷，为保护已开垦农田，两岸依地势建有干砌石护岸，浆砌块石、浆砌混凝土块护岸。由于部分临河护岸高度不够，又没有采取护坡措施，致使防洪能力降低，经过多年的运行，岸坡冲刷崩塌严重，河道泥沙淤积，河床抬高，洪涝灾害频繁，急需河道治理工程设计。

2 水文条件分析

平溪河流域位于湖南省西部，属副热带季风气候区，春夏暴雨多是空气活动气流辐合和地形抬升的综合作用，常发生局部地区的暴雨和笼罩面积大、持续时间长的暴雨。平溪河上现仅有禾滩水文站具有1966—2011年的实测流量及水位观测资料，并以此作为工程区水文分析计算的依据。

2.1 设计洪水计算

2.1.1 流域洪水特征

平溪河属副热带季风气候区，流域洪水主要由暴雨形成，具有山区性河流陡涨陡落的特点。4—9月为汛期，根据禾滩水文站实测资料分析，洪水一般发生在4—9月，其中5—7月出现机会最多，统计其年最大洪水各月发生概率，见表1。

表1 禾滩站年最大洪水各月发生概率统计

从表1可知，洪水主要发生在5—7月，出现概率为79.6%，其中5月最多为34.1%，个别年份年最大洪水发生在4月或10月。1993年禾滩站发生建站以来最大洪水，洪峰流量达1120m3/s，一次洪水过程为43h，洪峰流量已超过30年一遇标准。

2.1.2 禾滩站设计洪水

采用地区综合频率曲线法分析计算设计雨量[1-2]时，采用与该流域相近的雨量站资料。经分析，范家镇、黄前水库、王大下、下港4个雨量站年最大24h点雨量均值分别为105.8mm、113.1mm、102.4mm、115.2mm，对各站最大24h点雨量进行频率分析，按照理论频率曲线与经验点据拟合较好的原则[3]，Cv分别为0.57、0.45、0.58、0.54。根据规范要求及出于安全考虑，综合定线时，Cv取0.57，即110.5mm。各雨量站年最大72h点雨量均值分别为131.7mm、136.6mm、125.5mm、135.4mm，对各站最大72h点雨量进行频率分析，Cv分别为0.54、0.50、0.47、0.53，综合定线时，Cv取0.53，即133.5mm。

经点面折减换算得到不同频率设计面雨量，小安门水库流域面积36.3km2，最大24h、72h雨量点面折减系数分别为0.977、0.987。禾滩站流量实测系列为1966—2011年，实测系列经验频率按式(1)计算：

(1)

式中m——实测系列序号；n——实测洪水系列长度(n=44年)；Pm——实测系列序号为m的经验频率。

计算成果见表2。

表2 禾滩站设计洪水成果

2.1.3 控制断面设计洪水

由于工程河段延伸较长，有八世溪、磨溪、面溪、茶园脚溪、洞坪溪等支流汇入，根据支流汇入及集雨面积沿程变化情况，选取8个控制断面，分别计算其设计洪水，各控制断面具体情况见表3。

将禾滩站设计洪水按面积比的n次方搬移至工程各控制断面[4]，即求得各控制断面设计洪水，面积比n指数采用经验值2/3，计算成果见表4。

表3 控制断面具体情况

表4 工程控制断面设计洪水成果

2.2 设计水面线

平溪河李树段、新寨段及支流八世溪河段河床主要为砂砾石、卵石，河床面不平整，有凹凸状，两侧岸壁长有杂草。设计推求工程河道水面线，根据河道实际情况查《水力计算手册》及该区类似工程经验，得工程区河道糙率。

表5 平溪李树至洞坪段起始断面设计洪水位成果

以平溪4+900、平溪41+050、平溪57+200断面为洞坪段、李树段、新寨段起始断面，采用水面曲线法，向上推求各断面设计洪水位。水面线推算中计入沿程水头损失，弯道、断面收缩、扩散以及各桥梁等阻水建筑物局部水头损失。

2.3 施工期洪水计算

平溪河李树至洞坪段治理工程永久建筑物设计等级为5级，根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，工程导流建筑物均为5级建筑物，导流标准为3～5年一遇洪水。根据禾滩站实测资料统计，求得禾滩站分期洪水系列。采用面积比的2/3次方将禾滩站设计洪水搬移至工程河段各控制断面，即求得各控制断面相应时段的分期设计洪水成果，见表6。

表6 平溪河9月至次年3月分期设计洪水成果

根据实测平溪河纵横断面，采用能量方程，求得平溪李树至洞坪段施工期洪水水面线。

3 工程建设设计

3.1 设计依据与标准

将乡村、乡镇防洪与流域治理相结合，工程措施与非工程措施相结合，以恢复行洪、保护岸坡为主，因地制宜、综合治理，既要以流域规划为依据，又要密切结合乡镇建设总体规划。洞坪乡、李树乡、新寨乡属一般乡镇，防护标准为10年一遇。

平溪河李树至洞坪段治理工程的设计基准年为2013年，近期设计水平年为2015年，远期规划水平年为2020年。根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，堤防、护岸工程级别为5级，相应的穿堤建筑物涵闸、交通闸等按5级建筑物设计。

3.2 治导线布置

3.2.1 布置原则

a. 对原河堤岸不做大的调整，保持原河势流态，修整局部不顺畅河段，使治导线平缓连接，与大洪水的主流线大致平行，以利行洪。

b. 堤距满足河道行洪要求，尽量少抬升原河道水面线，充分利用有利地质、地形条件，尽量减少地基处理、土方填筑、占地及房屋拆迁。

c. 充分考虑河岸交通道路的顺畅布置和整体美观协调。

d. 堤防、护岸在保证稳定、安全的前提下，尽量利用当地材料，力求经济、美观。

3.2.2 布置方案

按照堤防、护岸布置原则，在1/1000地形图上进行治导线布置，根据平溪河流域各河段自然地理条件，堤防、护岸工程沿平溪河流域各河段沿河两岸修建，工程措施基本沿河岸走线，与大洪水的主流线大致平行，对沿岸阻碍行洪的地段适当进行削坡取直，使工程修建后的河岸平顺。

3.2.3 治导线距确定

平溪河流域各河段两岸基本无堤防保护，项目保护区内堤防治导线距确定遵循原则包括：上游、下游左右两岸统筹兼顾考虑，结合当地社会经济的发展，考虑现有水文资料系列的局限性。

根据治导线距、护岸布置原则及现状河道断面实测资料，结合河势变化、沿河两岸地形条件兼顾乡村发展等，以工程兴建后不致水面线产生壅高为原则，经计算确定最小治导线距。设计拟定最小堤距成果见表7。

表7 平溪李树至洞坪段设计拟定最小堤距成果

3.3 堤防方案选定

3.3.1 堤防型式选择原则

a. 居民密集区主要采用重力防洪墙，堤防拆迁占地较小。

b. 居民较少、地形平坦区主要采用坡式堤防，在原有较缓岸坡上修建坡式堤防，经济、简便。

c. 当新修坡式堤防受地形限制，或者土料料场距离太远时，采用重力式防洪墙。

d. 满足生态、环保要求。

3.3.2 堤防型式选择设计

结合李树乡规划，根据工程所在地地形、地质条件，依据堤线布置，考虑行洪影响，结合当地建材，通过技术经济比较，分段确定。

李树乡左岸部分河段防洪标准为10年一遇，现有地面已超过防洪高程，结合现有规划，修建防洪堤。原有直立式浆砌石挡墙长432m，墙身结构较新，从节约投资的角度出发，利用部分原有挡墙加高达到防洪标准。其余需新修堤防工程段地势开阔且不存在拆迁，局部为保证与原河岸挡墙衔接决定采用重力式防洪墙。

对典型堤段，进行土堤和重力式挡墙两种方案比较。最后选择重力式浆砌石挡墙作为推荐方案，其优点包括：占地少、充分利用开挖土料、施工容易、符合李树乡用地规划。

3.3.3 设计堤顶高程

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)的规定：顶高程按设计洪水位加顶超高确定。顶超高值按以下公式计算：

(2)

式中Y——顶超高，m；R——设计波浪爬高，m；e——设计风壅水面高度，m；A——安全加高，m，5级堤防取0.5m。

风浪要素计算：

(3)

(4)

式中V——设计风速，按计算波浪的风速确定；F——风区长度，m；d——水域平均水深，m；e——计算点风壅水面高度，m；K——综合摩阻系数，取3.6×10-6；β——风与垂直于堤轴线的法线夹角。

波浪爬高计算：

当m=1.5～5.0时，计算公式为

(5)

当m≤1.25时，计算公式为

(6)

KD——斜坡的糙率及渗透性系数，取KD=0.9；

KV——经验系数；

KP——爬高累积频率换算系数；

m——斜坡率；

L——堤前波浪的波长，m。

计算堤防的安全加高值为

y=RP+e+A=0.042+0.002+0.5=0.542m

考虑到平溪河流域各河段为山区小河流，故安全加高值取5级堤防的安全超高值0.6m。

3.4 重力式浆砌石挡墙断面设计

平溪41+300断面防洪堤为重力式浆砌石挡墙型式，墙高5.38m，顶宽1.0m，底宽2.57m，迎水面坡比1∶0.25，背面垂直，基底顺直，设置10cm的C15混凝土垫层。堤顶无通车要求，墙后用1∶1.5的土坡与堤顶相接，设置400mm×500mm排水沟。

重力式浆砌石挡墙的稳定原理是通过墙体自身重量来维持挡墙在土压力下的稳定。根据地勘试验资料，堤防稳定分析计算中，岩石和土的物理力学指标取值包括：砂卵石地基允许承载力250kPa，摩擦系数f混凝土/岩=0.35。重力式挡墙计算截面简图如下图所示。

重力式挡墙计算截面简图(单位：mm)

根据堤防运行情况，计算工况选定正常运行情况和最危险的外河洪水骤降情况。

抗滑稳定计算：

(7)

式中Kc——抗滑稳定安全系数； ∑W——墙身自重、土重等垂直荷载及基底面上扬压力总和；

∑P——土压力、水压力等水平荷载总和；

f——基底面与砂卵石基础间的摩擦系数，取0.35。

正常运用条件：[KC]=1.15；非常运用条件：[KC]=1.05。

抗倾覆稳定计算：

(8)

式中K0——抗倾覆稳定安全系数； ∑MV——作用于墙身的各力对墙趾稳定力矩；

∑MH——作用于墙身各力对墙趾的倾覆力矩。

正常运用条件：[K0]=1.40；非常运用条件：[K0]=1.30。

基底压应力计算：

(9)

经计算，基底最大应力δmax=226kPa<250kPa，基底最小应力δmin=85kPa。基底最大、最小应力均满足要求。通过抗滑稳定及其基底应力分析计算，堤防工程均可选择砂卵石基础。

4 结 语

平溪河李树至洞坪段经多年水流冲刷，部分临河护岸难以发挥防洪功用，急需河道治理工程设计。本文依据平溪河禾滩水文站1966—2011年的实测流量及水位观测资料，对工程区进行水文分析计算。统计水文站长系列数据，判定平溪河洪水5—7月出现概率最大，并采用地区综合频率曲线法对禾滩站设计洪水进行计算。根据支流汇入及集雨面积沿程变化情况，选定8个控制断面，分别求得各控制断面设计洪水。根据断面实测成果，采用水面曲线法，推求各断面设计洪水位。根据面积比的2/3次方将禾滩站设计洪水搬移至工程河段各控制断面，求得各控制断面相应时段的分期设计洪水成果。

治理工程设计基准年为2013年，根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，选定堤防、护岸工程级别为5级。本文重点对治导线布置、提防方案选定、重力式浆砌石挡墙断面设计等河道治理工程设计中的核心内容进行详细阐述，可为类似工程提供借鉴。

[1] 张宝森,郭全明.黄河河道整治工程险情分析[J].地质灾害与环境保护,2002,13(3):1-5.

[3] 彭瑞善,李慧梅.小浪底水库修建后已有河道整治工程适应性研究[J].人民黄河,1996(10):30-33.

[4] 喻刚.河道治理工程中的新思路[J].上海水务,2008(1):51-52.

On design of river governance engineering of Pingxi River from Lishu to Dongping Section

YANG Fangjun

(Hu’nanXinhuangDongAutonomousCountyWaterConservancyBureau,Huaihua419200,China)

Pingxi River from Lishu to Dongping Section suffers from water scouring for many years. A part of riverside revetments cannot play the role of flood control easily. It is urgent to design river channel governance engineering. In the paper, designed flood calculation, designed flow profile calculation, and construction period flood calculation are implemented in the engineering area according to measured hydrology observation data of Hetan hydrological station. Meanwhile, the designed benchmark year is selected as 2013. Dike and revetment engineering level is 5. Core contents in river governance engineering design are described in detail mainly, including regulation line layout, embankment plan selection, gravity slurry masonry retaining wall cross section design, etc., thereby providing reference for similar projects.

river governance; designed flood calculation; designed flow profile; construction period flood calculation; regulation line layout

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.014

TV85

A

2096-0131(2017)06- 0053- 06