沙河河道防洪防护设计探讨

郝国红

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄050021）

河道防洪治理是重要的民生工程， 其建设对于改善当地人居环境， 促进社会平稳发展具有重要的推动作用。 防洪治理需要结合河道现状，采用合理、科学、经济的方法加以整治，改善河水流态，保证防洪安全。目前，我国已有多处地区采取了河道防洪治理工程，取得了较好的生态环境效益［1-5］。

1 工程概况

沙河是大清河水系南支潴龙河的一条主要支流，发源于山西省灵丘县和繁峙县，于河北省阜平县杜里元汇合，流经阜平、曲阳县至新乐南辛店小吴村入定州市大吴村，至东、西张歉村以下分为两支，北支为主流，至安国市大李庄南两支合流，至安平县北郭村附近与磁河、孟良河汇合后汇入潴龙河，河道全长242km，沙河北郭村以上流域面积5560km2。 定州市段主河道长26.4km，南支长15.2km，境内流域面积105.7km2。 沙河定州市段为沙质河床，极易冲刷；河道内采砂严重， 部分河段采砂致使河槽岸线临近规划治导线；河道采砂造成河槽断面极不规则，使河槽稳定性进一步恶化，一旦行洪，水流紊乱，两岸坍塌将十分严重，极易出现新的险工。

2 防洪整治工程设计

2.1 河道清障工程

2.1.1 河道纵断面设计

为保持河道天然河势， 设计纵坡基本维持现状纵坡；为不影响现有桥梁的基础安全及保证与上、下游河道平顺连接。

河道纵断面设计对以下两种方案进行比选：

方案1：清除河道内高杆作物、林带、房屋等阻水建筑物，对两岸滩地按设计河底高程进行平整，现状河底高程低于设计河底高程的河段， 河底高程维持现状。

方案2：清除河道内高杆作物、林带、房屋等阻水建筑物， 两岸滩地高程维持现状。 河道总宽度在1000m 以上，方案1滩地清理仅为河道局部段，清理宽度10～80m，厚0.2～2.0m，占河道过水断面较小，对以上两种方案设计水面线进行了推算，经计算，方案1定无公路桥位置20年一遇水位为50.70m， 方案2定无公路桥位置20年一遇水位为50.72m， 两方案水位均低于规划水位50.75m，满足河道行洪要求，不会对上游河道造成壅水。 为避免大面积清淤破坏现状地面，从河道生态治理角度考虑，推荐方案2，即两岸滩地高程维持现状，清除滩地内高杆作物、林带、房屋等阻水建筑物， 且清障工作需与河道新筑堤防建设同时完成。

2.1.2 河道横断面设计

河道横断面分主河槽、两岸宽滩和堤身。主河槽由河道采砂形成，宽100～800m、深1.2～26m，维持现状；河道两岸滩地高程维持不变，清除河道内高杆作物、林带、房屋等阻水建筑物。 河道底宽1007～1203m。

2.2 防洪堤设计

2.2.1 堤型及填筑料

根据地质勘察报告， 工程区附近无黏性土料场，本次设计利用河道内砂土筑堤，堤身设计横断面为梯形断面。 考虑堤身填筑土料为河道内砂土，堤顶宽度适当加宽。 结合堤防稳定计算成果，同时为满足定南经济开发区及沿河村庄交通要求，确定堤顶宽度为6m，选取以下两种断面形式进行比选。方案1：均质土堤。 堤顶宽6.0m，迎水侧、背水侧堤坡比分别为1∶4.0、1∶3.5。 方案2：土工膜土堤。 堤顶宽6.0m，迎水侧、背水侧堤坡比均为1∶3.5，迎水坡铺设土工膜。

经比较，方案2比方案1投资减少约203.69万元，考虑堤防采用砂土筑堤，堤身土渗透系数4×10-3cm/s，渗透性强，选取方案2为推荐方案。 堤防筑堤土料采用河道内砂土（细砂、中砂），优先采用河道开挖土料，不足部分沿堤线带状取土，距堤脚150m以内不得取土， 取土深度不大于2.0m， 填筑相对密度不小于0.65。 填筑前应清除全部表层腐殖土，最小厚度不小于0.3m，清理范围为堤身设计基面边线外0.5m，堤基相对密度应达到筑堤要求。

2.2.2 堤防稳定计算

2.2.2.1 计算断面选取及参数

选取堤高较大的断面，并充分考虑地基地质土层组成，尽量使所选断面的计算结果能够全面地反映整个堤防的渗流情况，选取断面：左堤桩号L1+400，L3+800，L6+000；右堤桩号R2+200，R3+800，R8+000。

表1 堤身填料及堤基物理力学指标

续表1

2.2.2.2 堤防渗透稳定计算

堤防稳定渗流场采用Autobank7.7进行计算。

工况1：堤防临水侧为20年一遇洪水位，背水侧无水；工况2：堤防临水侧20年一遇洪水位降落。计算成果如表2，出逸点均在堤防坡脚处，允许渗透比降采用堤防填筑土的允许水力比降0.32， 堤身计算浸润线如图1。

表2 渗流计算成果

图1 L1+400断面浸润线

2.2.3 堤脚防冲设计

根据当地工程经验， 堤脚冲刷深度为1.00～1.45m，为防止边坡受水流淘刷后边坡失稳，需对坡脚进行防护。护脚可以采用埋置一定深度的齿墙，也可以采用水平防护措施。 本工程对堤脚防护采用两种设计方案进行比较，如图2。

图2 护脚方案简图

方案1： 采用钢丝石笼水平防护， 钢丝石笼厚0.4m， 水平防护长度取略大于冲刷深度+0.5m的2.5倍，经计算，防护长度6.0m，石笼顶部覆土0.5m。

方案2：采用垂直防护方案。 根据规范要求，护脚基础底部高程一般在冲刷线以下0.5～1.0m，本工程堤脚均为砂性土，抗冲能力差，将护脚埋设于冲刷线以下1.0m， 护脚埋深取2.5m， 护脚采用0.5m厚浆砌石。

经比较，方案2垂直护脚方案投资低于方案1水平护脚方案，且根据地质勘察报告，地下水埋深大于20m， 垂直防护施工时不存在施工排水问题，本次设计选择垂直护脚方案，即采用0.5m 厚浆砌石护脚，下设依次为碎石垫层厚0.1m、砂垫层厚0.15m、复合土工膜，护脚埋深2.5m，齿墙高1.0m，齿墙底宽0.5m。

2.2.4 堤坡设计

河道治理后，流速1.20～1.90m/s，两岸堤防筑堤土料为河道内砂土，抗冲刷能力差，为防止洪水对堤坡的淘刷侵蚀及风雨侵蚀削减堤身断面， 设计对堤防内、外边坡进行防护。 考虑浆砌石、混凝土等传统防护多侧重防洪固岸、河道行洪安全，忽略了河流生态效应，河道生态治理工程中已较少采用。本次设计堤防迎水坡选取干砌石、互锁式混凝土砌块、钢丝石笼和格网土石笼4种护岸形式进行方案比选。

方案1：干砌石护坡，干砌石厚0.4m，下设依次0.1m 厚碎石垫层、0.15m 厚砂垫层， 复合土工膜，砌石顶部覆土厚0.3m。

方案2：互锁式混凝土砌块护坡，如图3。 该防护是由一组尺寸、形状和重量一致的预制混凝土块，通过相互啮合在一起形成的连锁型柔性矩阵， 混凝土砌块厚0.15m，砌块下增设0.35m厚种植土确保表层绿化存活率，底层铺设复合土工膜。

图3 混凝土砌块护坡

方案3：钢丝石笼护坡，如图4。 由金属线材通过机械将双线绞合编织成的多铰状六角形网制箱笼，内填石料等不风化的填充物做成的一种生态防护结构，钢丝石笼厚0.4m，下设依次为0.1m 厚碎石垫层、0.15m 厚砂垫层、复合土工膜，石笼顶部覆土厚0.3m。

图4 钢丝石笼护坡

方案4：格网土石笼护坡，如图5。 在格网网箱（同钢丝石笼网箱） 内衬土石笼袋， 袋内充填土石料，形成具有固土、护坡、防冲、植生等功能的护砌结构。 土石笼袋主要成份为聚丙烯纤维，由单股单一纤维编织而成，具有高拉力、高撕裂度、抗穿刺力、抗老化及很好的延伸率等特性。 格网土石笼厚0.4m，下设依次为0.15m厚砂垫层、复合土工膜，土石笼顶部覆土厚0.3m。

图5 格网土石笼护坡

经综合比较， 干砌石防护整体性差， 抗冲性能低，运行过程中块石易丢失，不宜采用；互锁式混凝土砌块开孔率小，不利于植被生长，且受环境因素制约，生产存在受限可能。 堤防迎水坡选用钢丝石笼、格网土石笼进行防护，其中钢丝石笼抗冲流速较大，考虑块石开采易对生态环境造成影响， 钢丝石笼仅用于河道顶冲位置、采砂坑临近新建堤防河段及跨河桥梁上下游各100m， 石笼内块石按干砌石标准砌筑；其余河段采用格网土石笼防护。 防护顶高程为20年一遇设计洪水位+0.5m， 石笼顶部覆土厚0.3m。 为确保使用寿命，石笼网材质采用PE 涂塑高镀锌钢丝，网孔尺寸为100mm×120mm，网线线径Φ＝2.5mm，框线线径Φ＝3.2mm，绑线线径Φ＝2.2mm，PE 涂塑后网线、 框线、 绑线线径分别为3.5，4.2，3.2mm。 为防止风雨侵蚀削减堤身断面，堤防迎水坡及背水坡增设EM3 型凹凸泡面状塑料三维土工网垫防护，单位面积质量≥260g/m2、厚度≥12mm、纵横向拉伸强度≥1.4kN/m。堤防迎水坡及堤脚、背水坡表层进行植草绿化，草籽采用当地易生美观草种，播种量80kg/hm2，达到防风固沙、改善生态环境的效果。

3 结语

为了满足沙河防洪需求， 通过方案比选选择土工膜土堤， 可改善当地天然建筑材料渗透系数大的劣势，满足渗流需求；采用垂直防护具备投资少、排水效果好等优势；采用格网土石笼+钢丝石笼的护坡型式，可为植物生长提供环境，同时价格较为低廉，为河道防洪整治提供参考。