格宾石笼固床坝在河道整治中的应用

王 斌

(广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610)

0 引 言

从2009 年水利部编制《全国重点地区中小河流近期治理建设规划》至今，全国各地持续实施中小河流的治理工作。在山区河道丘北县清水河平寨段治理过程中，针对工程实际情况，提出了采取格宾石笼固床坝稳固河床从而减小护脚埋深的方式，从而减少工程投资、降低施工难度。

1 河道现状

丘北县清水河平寨段全段无大的支流汇入，从上游到下游设计流量150.6-155.2m3/s变化不大，现状河底平均坡度1.9‰，现状河宽20-22m；两岸均以农田为主，河岸现状无堤防。

治理段现有水陂3座，水陂为块石、木头外包混凝土结构。水陂上游高出下游河底2-3m，受三座水陂的影响，清水河平寨段不同于一般的天然河道。淤积较小的河段河岸高度4-5m，河底坡降1.0-4.4‰。水陂净高3.46-5.18m(接近淤积较小的河段的河岸高度)，造成水陂上游河床淤积抬高2.12-3.48m，河床比降0.6-0.7‰，河岸高度因为淤积程度不同从5.07m到1.62m沿河逐渐降低。

由于现有水陂顶部接近河岸，造成两岸农田及房屋受淹，为解决防洪问题，清水河平寨段治理采取了拆除水陂、疏浚河道及修建护岸的治理措施。

2 护脚埋深计算

护岸冲刷深度计算根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)附录D.2公式计算，即：

(1)

(2)

张瑞瑾公式：

(3)

长科院公式：

(4)

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m，水深范围为3.0-4.5m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为泥沙起动流速，m/s，对于黏性与砂质河床采用张瑞瑾公式计算，对于卵石河床可采用长科院公式计算；本次计算分析采用张瑞瑾公式；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4-1/6，护岸平顺可取小值，本工程修整后护岸较为平顺，顺直河段取值1/6，顶冲河段取值1/5；U为行近流速，m/s，行洪流速范围为2-3.5m/s；η为水流的流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)附录表D.2.2采用，具体采用数值见表1及表2；d50为床砂的中值粒径，m；γs为泥沙的容重，kN/m3；γ为水的容重，kN/m3。

护岸冲刷深度受床砂中值粒径影响很大，因此应慎重选用。北门河平寨段河床分布含泥砂砾石，松散-稍密状，主要成分以砾卵石为主，夹少量粉黏粒；砾石直径主要分布在5mm-20mm之间，砾石含量55%以上。根据颗分资料，并参考云南省同类工程，分别采用d50=5mm及d50=10mm进行计算，各种不同条件下冲刷深度见表1和表2。

表1 河床冲刷深度(d50=5mm) m

表2 河床冲刷深度(d50=10mm) m

根据计算结果，并结合现状河岸冲刷情况，按d50=5mm计算成果采用，冲刷深度平顺段与顶冲段分别采用1.0m、1.5m，如采用垂直挡墙式护脚，护脚埋深应分别取1.5m、2.0m。

3 护脚布置方案选择

如果按冲刷深度确定护脚深埋，将造成护脚工程量非常大、开挖断面大、破坏现有岸坡植被、大量征地、平顺河段护岸每公里投资高达300万以上，因此有必要采取控制措施降低护脚埋深及实施难度。

3.1 解决方案提出

治理河段现有水陂3座，水陂上游河床淤积抬高2.12-3.48m，其上游淤积形态与《水土保持综合治理技术规范 沟壑治理技术》中提及的谷坊工程上游淤积形态相似。因此，在拆除水陂解决防洪问题的同时，新建固床坝稳定河床，减少护脚冲刷埋深[1]。

3.2 固床坝高度及型式选择

新建固床坝高度以不影响行洪为前提，因此，根据水面线计算成果，固床坝高度选择0.5m。

固床坝采用柔性的、对过流影响较小的格宾笼低堰型式。固床坝顺水流向长14m，高出河床0.5m，下游设置深1m抛石防冲槽。

图1 固床坝大样图

3.3 固床坝间距确定

谷坊工程应修建在沟底比降较大(5%-10%或更大)、沟底下切剧烈发展的沟段。丘北县清水河平寨段现状河底平均坡度1.9‰，是远比布置谷坊工程要求的沟底比降缓的，但由于通过固床坝减少护脚冲刷埋深目前没有规范理论依据，因此引用相类似的谷坊工程作为参照。根据《水土保持综合治理技术规范 沟壑治理技术》，谷坊间距按以下公式计算：

(4)

式中：L为谷坊间距，m；H为谷坊底到溢水口底高度，m；i为原河床比降，%；i′为谷坊淤满后的比降，%。

不同淤积物质淤满后形成的不冲比降见表3。

表3 淤积物淤满后不冲比降

丘北县清水河平寨段现状河底平均坡度1.9‰，已经小于规范中提到的淤积物淤满后不冲比降，因此该理论不完全适用。但是从该河段分段现状河底高程及河岸高度统计表可看到，实际淤满后比降为0.7‰，详见表4。

表4 分段现状河底高程及河岸高度

因此，如果按谷坊间距计算公式，清水河平寨段修建0.5m高拦河坝时，推荐间距为400m。

3.4 方案布置

布置固床坝后，固床坝上游河段间护脚布置有以下几种方案：

方案一，按现状河底基本埋深布置：认为布置固床坝后，河床将必然淤积，不会发生冲刷下切，因此护脚只需要按现状河底以下基本埋深(0.5m)布置。虽然治理河段现状水陂上游确实淤积为主，没有发现凹岸冲刷，但一定程度上也是因为淤积尚未达到水陂顶，还有一定水深。因此，该方案缺乏足够支撑，过于冒险。

方案二，按回淤线冲刷埋深布置：认为布置固床坝后，河床会淤积，同时也存在冲刷，护脚按回淤线以下冲刷计算埋深布置。

方案三，按固床坝顶面控制线冲刷埋深布置：认为布置固床坝后，相当于抬高了河床基面，河床比降不变；同时也是认为，布置固床坝与原有水陂上游水深不同，水流条件不同，淤积物也不同。由于固床坝高度不大，水流条件跟现状河段接近，实际回淤比降与现状河道一致。因此，按固床坝顶面控制线以下冲刷计算埋深布置。

通过对清水河流域一些建成多年低矮拦河坝上游淤积情况进行调查，方案三更贴近实际情况，因此最终推荐采用了护岸按固床坝顶面控制线以下冲刷计算埋深布置的方案，详见图2[2]。

图2 护脚布置大样图

丘北县清水河平寨段治理过程中采用固床坝稳固河床从而减小护脚埋深的方式，虽然只减少了0.5m埋深，但节约了投资265万元，同时施工难度也有降低，取得了良好效果。

4 结 语

按照格宾石笼固床坝稳固河床从而减小护脚埋深的方案，丘北县清水河平寨段治理于2017年9月开工、2019年4月土建完工，目前已投入运行2a，经过多次洪水运行状况良好。其他单位后续在海南粉细砂河床沿海河道治理中，由于粉细砂河床带水作业基坑开挖较为困难，也采用了该方案，有效地降低了工程投资及护脚施工难度。作为一种新的通过格宾石笼固床坝稳固河床减小护脚埋深的布置方案，较大程度降低了护岸工程投资、降低了护岸施工难度，对类似工程具有一定借鉴意义。