舒鹏祥
(陕西省宝鸡峡引渭灌溉中心,陕西 咸阳 712000)
第界沟为三水河左岸一级支流,发源于旬邑县城关镇第界村东部山区,自东向西流经第界村、乔家峁、马渠村,于连家河村注入三水河,入河口位于旬邑县城东北约5 km处。第界沟控制流域面积126.4 km2,主河道长度24.9 km,河道平均比降17.9‰。治理段沿岸涉及城关镇的第界村、连家河村两个村组,总户数411户,总人口2350人,耕地2.33万亩。
第界沟受其季风气候影响以及其特殊的自然地理条件,山洪灾害一直是沿岸人民的心腹大患。第界沟距离县城约5 km,随着县城经济的飞速发展与人口的持续增长,排入第界沟的工业废水与生活污水逐年增加,第界沟两岸环境污染日趋严重。第界沟作为沿线居民的主要防洪河道,生活垃圾沿河倾倒现象严重,加上多年淤积,致使第界沟行洪断面逐年减小,对沿岸各个自然村的防洪安全构成严重威胁。现有沟道已基本形成沟槽,沿山洪沟未设置任何堤防工程。
根据现场踏勘和实地测量,第界沟未进行防洪治理,主要存在以下问题:
(1)第界沟淤积问题突出。由于第界沟沿线村庄多,群众随意向沟道倾倒垃圾、杂物严重,致使第界沟淤积问题突出。
(2)经现场调查,沟道现状杂草丛生,沟道内乱堆、乱种现象严重,阻碍了沟道的行洪,缩小了过水断面。严重威胁到了沟道两岸村庄、耕地及当群众的生命财产安全。
(3)随着新农村建设规划的提出和村镇人口、经济的不断发展,该沟道的防洪问题日益突出,因此对第界沟进行防洪治理显已迫在眉睫。但由于旬邑县属传统农业县,地方财力有限,对沟道治理的投入远不能满足第界沟防洪工程的需要,沿河居民和农田防洪保护设施基本处于空白状态,急需投资修建。
本次治理河段涉及20个自然村,2020年农村人均总收入4300元。为了加快当地经济发展,增加农民收入,根据当地实际,近年来各级政府积极鼓励和引导农民在川道里发展果业和中草药产业,迫切需要加快第界沟的治理。目前该河段防洪能力很差,现状不容乐观。一旦发生较大洪水,就会引发洪水灾害,造成较大损失,严重阻碍当地的社会经济发展步伐。
针对工程区实际情况,治理段起点位于第界沟入三水河口上游17 km处,河道治理总长6.034 km。实施该项目治理,是加强第界沟防洪薄弱环节,消除山洪隐患,恢复沟道两岸生态健康,保障沿岸群众生命财产安全,统筹城乡发展,促进区域经济社会可持续发展的迫切需要。
根据工程范围内的保护对象和建筑物状况,结合中华人民共和国《防洪标准》(GB 50201-2014)和《堤防工程设计规范》(GB 20586-2013)分析确定拟建堤防工程的防洪标准。
为适应国民经济各部门、各地区的防洪要求和防洪建设的需要,维护人民生命财产安全,中华人民共和国《防洪标准》(GB 50201-2014)根据以乡村为主的防护区内人口或耕地面积,把城市防洪标准分为四级。本次设计防洪工程主要以保护乡村为主,保护人口小于20万人,防护区耕地面积小于30万亩,工程等别为Ⅴ等,防洪标准取10 a一遇洪水设计。
4.2.1 堤顶高程
根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013),堤顶高程应按设计洪水位加堤顶超高确定。经计算堤顶超高值见表1。
《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)规定:5级堤防的堤顶超高值不应小于0.5 m。因此,根据堤顶超高计算成果,堤防标准断面的堤顶超高为0.8 m。
表1 堤顶超高计算成果表 单位:m
4.2.2 堤防基础埋深
本次设计依据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013),对10 a一遇的设计洪水对实施的堤防断面的冲刷深度进行计算。
(1)水流平行堤岸冲刷深度。水流平行堤岸所产生的冲刷深度采用《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)公式D.2.2-1进行计算:
式中:hB为局部冲刷深度,m;hp为冲刷处的水深,m,以近似设计水位最大深度代替;Vcp为河床面上允许不冲流速,m/s;n为与防护坡在平面上的形状有关的指数,一般取n=0.25。
本次设计根据本工程河段洪水流势及堤防布置情况,选取若干典型堤防断面,结合本次设计洪水水面线计算结果,按上式分别进行各断面在水流平行堤岸情况下堤防临水侧坡脚处的冲刷深度计算。计算参数及计算结果见表2。
表2 水流平行堤岸冲刷深度计算结果表
综合上述水流平行堤岸情况下堤防临水侧坡脚处的冲刷深度计算结果,本工程堤防临水侧坡脚处滩面以下的最大冲深为0.6 m,因此堤防临水侧应采取必要的护脚措施。经综合分析,确定堤防护脚基础埋置深度为0.14 m~0.6 m之间。
4.2.3 堤防横断面
根据本次设计实地踏勘,沟道地形宽阔,现状基本无设防,本次设计遵循《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)规定,并根据山洪沟泄洪特点,河堤堤线保持与河势流向基本相适应,河段一岸高地与一岸堤防之间的距离大致相等,堤防基本保持平缓连接。
根据本次堤防纵断面布置设计成果,本工程堤防标准断面堤高介于2.91 m~4.71 m之间,平均堤高为3.81 m;鉴于堤高较小,因此本次设计确定堤防标准断面采用单式梯形断面形式。
堤防的护坡分别按照格宾笼石及生态混凝土护坡两种形式进行比较。
(1)宾格网垫护坡方案。堤防标准断面临水侧10 a一遇设计洪水位加0.8 m超高的下部堤坡采用生态型的宾格网垫护坡,临水侧上部堤坡及背水侧采用草皮护坡。宾格网垫厚度为0.3 m,宽度2 m,长度3 m,网眼大小为80 mm×115 mm,宾格网垫内填充天然石料,石料规格为70 mm~150 mm。宾格网垫做好后,为了满足坡面绿化及生态要求,在其上覆盖20 cm厚的壤土,壤土表面种植草皮。
(2)生态混凝土护坡方案。堤防标准断面临水侧10 a一遇设计洪水位加0.8 m超高的下部堤坡采用生态混凝土护坡,护坡为单块联锁式挡块,尺寸长宽=0.448 m×0.305 m,厚度10 cm。采用C20混凝土压顶。
二种护坡方案比较见表3。
表3 堤防护坡方案比较表
本工程河段(A10~A1连家河村)(A10~A1第界河村)在宣泄10 a一遇设计洪水时,各个大断面的平均流速介于6.58 m/s~2.02 m/s之间。根据本次水文分析结果,本工程河段洪水最大历时为1 d~1.5 d。经查有关资料,浸没1 d~1.5 d,网垫本体的最大抗冲流速可以满足本工程堤防的抗冲要求,但该方案需要上覆0.2 m厚的砂壤土以后实施表面的草皮护坡,而如上所述,上覆砂壤土及草皮护坡的最大抗冲流速为1.5 m/s,不能满足抗冲要求,冲刷破坏后将需要维修恢复,增加工程运行费用;而且,相对于生态混凝土护坡方案,其投资较高,施工也较为复杂。生态混凝土护坡方案不仅可满足堤坡抗冲要求,施工较为简单,投资较小,而且通过在生态混凝土护坡中植草也可达到良好的生态和景观效果。
因此,经综合分析,并参照类似工程经验,本次设计确定在堤防临水侧10 a一遇设计洪水位加0.8 m超高的下部堤坡采用生态混凝土护坡方案,临水侧上部堤坡及背水侧堤坡均采用草皮护坡方案。
本次设计在依据《堤防规范》的基础上,结合防汛抢险的要求,堤防横断面采用堤路结合形式,堤顶宽度3 m,砂石路。
计算采用理正渗流分析软件的《堤坝渗流有限元计算程序》。依据《堤防工程设计规范》,堤防渗流计算工况为:临水坡为汛期平均水位时稳定渗流,背水坡为相应水位。(设计洪水历时短,无法形成稳定渗流,不能形成有效浸润线)设计选取具有代表性的17+131、断面分析计算,计算简图及计算结果见图1,经计算,设计断面堤身满足渗流稳定要求,溢出点位于背水坡坡面以下。计算渗透坡降为0.05,小于允许坡降0.12。
表4 典型断面渗流计算成果表
图1 典型断面计算简图
陕西省山洪沟治理项目旬邑县第界沟段山洪沟治理工程为拟建项目,是旬邑县山洪沟治理的重要组成部分。从第界沟工程现状及两岸人民对山洪沟治理的迫切要求分析,通过治理,对于消除山洪隐患,改善沟道生态环境是非常迫切和十分必要的。从第界沟的流域条件、地质条件和综合效益来看,其建设条件也已具备,经过对设计方案的分析论证,旬邑县第界沟段山洪沟治理工程具备建设条件,技术可靠,经济合理,效益显著,建议尽早开工建设,发挥效益。