某小型河道综合治理工程设计探讨

刘志宏

(绥中县水利事务服务中心，辽宁 葫芦岛 125200)

1 工程概况

某河道全长15.1 km，其中部分段河道内淤积严重，边坡为土质边坡，水土流失严重，河道不满足行洪要求。为进一步加大水土流失严重地区生态综合治理力度，保护生态环境，拟对该河道进行生态综合治理[1]。该河道生态综合治理主要包含河道清淤防渗，河道两岸防洪水位以下采用宾格石笼边坡护砌，防洪水位以上采用草皮护坡。宾格石笼边坡护砌1 260 m、草皮护坡5 670 m2、栽植绿化树木500株；新建拦水坝5座，20年一遇的河道防洪设计标准，工程抗震设防烈度为Ⅶ度。

2 河堤设计

河道治理长度630 m，河道断面形式为梯形断面，边坡比1∶3，河道两岸防洪水位以下采用宾格石笼边坡护砌，防洪水位以上采用草皮护坡，河道上河口种植垂柳绿化，垂柳种植株距3 m，拟种植垂柳500株，垂柳胸径7 cm。

2.1 河道参数计算

堤顶超高[2]：

Y=Rp+e+A

(1)

式中：A为安全加高，A=1 m；Rp为累计频率为p的波浪爬高；e为设计风壅增水高度。

(2)

式中：K为综合摩阻系数；V为设计风速；F为高计算点逆风向量到对岸的距离,m；d为水域的平均水深；β为风向与垂直于堤轴线的法线的夹角。

代入各值，九龙湾e=0.01～0.02 m。

(3)

将各值代入式(1)，计算结果见表1。河道设计底宽16 m，边坡高3 m，设计水深2 m，设计边坡采用1∶3土质边坡。

表1 某河道参数统计

2.2 宾格石笼边坡护砌

格宾笼又叫格宾网，是由低碳镀锌覆塑钢丝使用机械编织而成的六角形网箱结构。网箱钢丝主要由边端和网面钢丝组成，其类型和要求见表2。所用钢丝要求重镀锌覆塑，镀锌量要大于245 g/m2，覆塑的厚度也应大于0.5 mm，其抗拉强度要求在350～500 MPa之间，延伸率应高于10%[4]；格宾石笼内填料重度应满足18～19 kN/m3，填石为大于MU30的卵石或者硬质岩质块石，粒径在100～250 mm较为合适。为确保回填的砂砾不会流失，应在其格宾挡墙后设置无纺土工布，克重250～300 g/m2，施工折边大于0.3 m[5]。见图1。

表2 网箱钢丝类型及要求

图1 普通格宾示意

组装格宾的原则：形状应规则，绞合相对牢固，所有竖直面板上边缘要在同一水平面上，且确保面板上端水平边缘与盖板边缘能够绞合。石料填充务必均匀地向同一层各箱格内放入填充料，单格网箱不能一次性投满。填料施工时，应将每层的投料厚度控制在33 cm上下，正常情况下1 m高网箱应分3到4层投料。可根据土壤和气候以及景观的要求，选择植被灌木或草种，网箱封盖后，应将壤土在空隙处填满，顶部填满高约5 cm壤土[6]。

3 边坡稳定与河道冲刷分析

边坡稳定分析包括施工完建期迎水面边坡稳定、稳定渗流期形成稳定渗流时的迎水面边坡稳定、水位降落期迎水面边坡稳定。采用《北京理正边坡稳定分析软件5.11版》瑞典圆弧法计算，对边坡稳定进行分析。根据《水工建筑抗震设计规范》(SL 203-1997)，工程抗震设防类别为丙级，稳定分析时地震烈度为7度，地震动峰值加速度为0.10 g。边坡抗滑稳定计算选用两种典型断面进行边坡稳定分析，需要的堤体土料物理力学指标按地质报告提供数据[5]。

3.1 抗滑稳定计算

采用理正边坡稳定分析软件，对边坡的抗滑稳定性进行计算。在计算过程中，根据不同的条件，可分别采用有效应力法或总应力法：总应力法应用于施工期是上游死水位工况；有效应力法和总应力法同时用于水位降落期；有效应力法均用于稳定渗流期。由表3稳定计算成果可知，河道边坡满足稳定要求[5]。

表3 稳定计算成果

3.2 河道冲刷深度

冲刷深度：

(4)

其中：hp=ph

(5)

式中：h为冲刷前水深；p为系数。

将hB的计算结果列表，见表4。

表4 冲刷计算成果

4 拦河坝设计

为拦截泥沙，增加河道景观，形成景观水面，在该河道新建拦水坝5座。拦河坝坝体采用M10浆砌石驼峰堰，坝高1.5 m，坝体采用1∶3水泥砂浆砌筑毛石基础，坝体基础采用厚100 mm的C15混凝土垫层。

4.1 拦河坝宽

根据《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)和《水力计算手册》，拦河坝宽[6]：

(6)

式中：Q为流量，m3/s，Q=135 m3/s；H0为计入总流速水头的堰上水头，H0=2.6 m；ε为闸墩侧收缩系数，ε=1；m为流量系数。

P1/H0>0.34，m=0.452(P1/H0)-0.032

经计算，拦河坝宽B=10 m。

4.2 坝体稳定分析

采用《浆砌石坝设计规范》(SL 25-1991)中所提供计算公式：

(7)

式中：K为抗剪断计算的抗滑稳定安全系数；f1为滑动面上的抗剪断摩擦系数；C1为滑动面上的抗剪断凝聚力；A为滑动截面面积；w为作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值；P为作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的切向分值。

新砌M10浆砌石，f1取0.6，C1取50×104Pa。应用《水利水电工程PC—1500程序集》计算：在正常情况下：K=1.81>[1.15]；在非常情况下：K=1.55>[1.00]，表明坝体抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

5 结 论

1) 河道设计底宽16 m，边坡高3 m，设计水深2 m，断面形式为梯形，采用1∶3土质边坡。河道两岸防洪水位以下采用宾格石笼边坡护砌，防洪水位以上采用草皮护坡，河道上河口种植垂柳绿化，垂柳种植株距3 m，拟种植垂柳500株，垂柳胸径7 cm。

2) 施工完工期、水位降落期、稳定渗流期的计算边坡滑动安全系数均满足河道边坡的稳定性要求，河道冲刷深度总深度0.63 m

3) 河坝坝高1.5 m，坝宽10 m，坝体采用1∶3水泥砂浆砌筑毛石基础，坝体基础采用厚100 mm的C15混凝土垫层。在正常情况与非常情况下，坝体抗滑稳定安全系数均满足要求。