丁坝在河堤弯道水毁防治设计中的应用

韩梦君

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒市 841000）

河流弯道处的沿河道路、河堤路基，长期遭受河流变迁及洪水冲刷，造成路基水毁，是目前中小河流基础设施亟待解决的问题之一[1]。水毁整治措施，主要包括挡土墙、丁坝、抛石、护坡及桩排等[2]。河道水毁整治工程，需根据地形、地质条件及经济分析比较，采取相适宜的防治措施。河道整治工程的新理念，要求在满足河道整治、防冲防护的前提下，要兼顾对生态环境的影响，河道整治方向，已从单纯以增强岸坡防护刚度为主，转变为通过河内流动控制结构物来改变水流形态，将水流挑离弯道凹岸，以保护堤岸，同时修复原冲刷河道的生态环境。

1 工程概况

塔里木河干流中下游输水堤防洪工程，位于塔里木河冲积平原，沿线主要岩性为低液限粉土、低液限粘土及粉土质砂。河段最大水位高程为904.15 m，水面宽度约为65 m，设计流量为278 m3/s（P=10%），纵坡为1.5‰，河道计算平均流速为1.75 m/s。南岸输水堤123+950 段，受弯道水流作用，上下游300 m 范围内，岸坡淘刷、垮塌严重，河岸线后退10～20 m，河岸线已经紧邻南岸输水堤，严重威胁到输水堤安全，如图1 所示。

工程采取丁坝措施对沿河路基进行水毁整治，利用其导流与挑流作用，将水流挑离凹岸，且在坝后产生回水淤积，变冲刷为淤积，达到路基防护和生态修复的目的。在利用丁坝对河道凹岸水毁进行防治时，需要考虑到丁坝坝头受水流作用会产生局部冲刷，设计不当将会导致丁坝毁坏。

2 维修方案比选

根据现场地形条件及水毁原因，设计提出3 种相对可行方案：无纺布土工袋护坡加无纺布土工袋短丁坝；格宾石笼短丁坝群方案；格宾石笼护坡加水平铺盖方案。设计从材料需求、施工难易程度及工程经济等方面对方案进行优选。

图1 工程区河道弯道凹岸冲刷

2.1 无纺布土工袋护坡加无纺布土工袋短丁坝（方案一）

设计沿主流弯道凹岸水毁部分新建护岸工程，护岸全长95 m；护岸型式采用“无纺布土工袋护坡”，考虑到护岸工程设计基础均位于该区域地质分布下层粉土质砂层上，其天然休止角28～30°，水下休止角26～28°，结合工程沿线地下水位埋深、地层岩性，护岸边坡设计坡度不应陡于1∶2.0，设计边坡系数取值为1∶2.0；护坡坡顶高程按照最大水位以上50 cm 考虑，洪水无法达到护坡后形成冲刷水流。结合无纺布土工袋护坡在护岸工程凹岸上、下游端依次设置3 条无纺布短丁坝。

利用丁坝对河流弯道处河堤进行防冲修复，需要：合理确定坝长和坝间距，以便充分发挥丁坝群的防冲效果；确定丁坝基础埋深。丁坝基础埋深应低于水流在挑离坝头时产生的局部冲深高程，以保证丁坝的安全运行。

根据河道停水后实地测量，河床最低处高程为900.42 m，较河道平均高程902.83 m 低2.41 m，根据工程已建护岸工程冲刷情况以及实测最大河道深泓线分析比较，基础埋深按照计算最大冲刷深度8.45 m考虑，结合无纺布土工袋模数，丁坝基础高程确定为894.38 m。经计算，该方案直接费投资约53.92 万元。

2.2 格宾石笼短丁坝群（方案二）

沿弯道凹岸上游依次设置四条挑流丁坝，长度分别为5 m、10 m、15 m 及25 m，间距为40 m，丁坝顺水流方向与坝轴线线呈45°夹角布置，坝顶高程与河漫滩高程同高（905.00 m）。丁坝坝顶宽3.0 m，丁坝型式采用土心丁坝全断面“格宾石笼护坡+水平铺盖”。经计算，该方案直接费投资约88.58 万元。

2.3 格宾石笼护坡+水平铺盖（方案三）

沿主流弯道凹岸新建护岸工程，护岸全长95 m，上、下游端设置短丁坝，护岸型式为格宾石笼防护（厚50 cm），护岸工程堤顶宽4.0 m、堤顶高程905.00 m、基础底高程898.63 m，基础采用格宾石笼水平铺盖（厚100 cm）阻滑防冲，裹头处基础采用格宾石笼水平铺盖（厚100 cm），增设6 m 长木桩阻滑防冲。经计算，该方案直接费投资约96.95 万元。

综合比较上述设计优选结果，工程选用方案一无纺布土工袋护坡+无纺布土工袋短丁坝方案作为水毁整治方案。设计方案比选详见表1。

表1 设计方案比选

3 丁坝方案设计

根据方案一设计，沿主流弯道凹岸水毁部分新建护岸工程，护岸全长95 m；护岸型式采用“无纺布土工袋护坡”，迎水面边坡系数1∶2.0，护坡坡顶高程按照最大水位以上50 cm 考虑，洪水无法达到护坡后形成冲刷水流。

采用丁坝群设计，在护岸工程凹岸上、下游端依次设置3 条无纺布短丁坝，对沿河弯道河堤进行冲刷防护，依据工程需要，一要合理设计坝长和坝间距；二要计算确定丁坝基础埋深。

3.1 坝长、坝距及角度设计

丁坝长度参考田伟平[4]对弯道丁坝群防护设计的研究，依据河槽宽度取值，第一条长5 m、第二条长10 m、第三条长15 m；新建丁坝与水流方向夹角，参考王建众[5]对丁坝角度研究，采取顺水流方向与坝轴线成45°夹角布置，能够保证丁坝坝头及输水堤迎水面新建护岸的安全；丁坝间距依次为30 m、50 m，坝顶高程设计为904.15 m，较护岸工程低0.85 m，与坝址处河道最大水位高程相当。丁坝型式采用无纺布土工袋。通过3 条丁坝逐级挑流，使河道主流远离岸滩，并在丁坝群下游形成回水，利用洪水季节河水带来的泥砂淤积成滩，从而起到护岸及生态修复的作用。

3.2 基础埋深

设计通过计算丁坝的局部冲深，来确定其基础埋置深度。冲刷深度按《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）中，附录D.2.2 公式计算：

3.2.1 水流平行于岸坡工况

式中：hB——局部冲深，m；

hp——冲刷处的水深，m；

VCP——河道断面平均流速，m/s；

V允——河床面上允许不冲流速，m/s；

n——与防护岸坡平面形状有关，一般取0.25。

3.2.2 水流斜冲岸坡工况

式中：Δhp——从河底起算局部冲深，m；

α——水流流向与岸坡交角；

Vj——水流局部冲刷流速，m/s；

m——防护建筑物迎水面边坡系数；

d——坡脚处土壤计算粒径取表D2.2-1 的当

量粒径值，cm。

上式中Vj的计算应符合下列规定：

（1）滩地河床，Vj按下式计算：

式中：Q1——通过河滩部分的设计流量，m3/s；

B1——河滩宽度，从河槽边缘至坡脚距离，m；

H1——河滩水深，m；

η——水流流速分配不均匀系数，根据角查表（D.2.2-2）采用。

（2）无滩地河床，Vj可按下式计算：

式中：Q——设计流量，m3/s；

W——原河道过水断面面积，m2；

Wp——河道束窄部分断面面积，m2。

根据表2 有关数据，按上述公式计算岸坡产生的冲刷深度，结果见下表3。

表2 水流斜冲各断面岸坡工况下冲刷深度计算表

表3 水流平行于各断面岸坡工况下冲刷深度计算表

参照上述计算结果，计算冲刷深度为3.45～4.38 m。根据河道停水后实地测量，河床最低处高程为900.42 m，较河道平均高程902.83 m 低2.41 m，根据工程已建护岸工程冲刷情况以及实测最大河道深泓线分析比较，基础埋深按照计算最大冲刷深度4.38 m考虑，结合无纺布土工袋模数，丁坝基础高程确定为898.15 m。

4 结语

采用丁坝群挑流，导流能力好、施工难度低、施工费用少，且其坝后回水淤滩能够有效改善生态环境，是中小河流水毁整治的首选措施。