滹沱河繁峙县砂河镇段河道治理工程设计

郭小润

（忻州市水利勘测设计院，山西 忻州 034000）

0 引言

滹沱河属海河流域子牙河水系， 发源于山西省繁峙县泰戏山孤山村一带， 东流至河北省献县臧桥与子牙河另一支流滏阳河相汇入海河， 全长587 km。 近年来，因有人在河道非法采沙，在河滩种植作物、堆积垃圾等，使河道管理难度大，治理总体滞后，加之极端天气事件增多， 滹沱河流域常发生集中暴雨，形成较大的突发性洪水，造成比较严重的洪涝灾害。 因此，治理滹沱河成为当务之急［1］。

滹沱河砂河镇段起点为下汇村， 河底高程为1 101.85 m，终点为西砂河村，河底高程为1 054.66 m，河段长度为8.8 km，平均纵坡为5.4‰，宽度在100～120 m 之间。 该段河道治理工程包括对砂河镇镇区段和乡村防护段的河堤（左、右岸堤防，总长17.71 km）进行新建加固；对沿口河、小沿河及角尔河3 条支流入河口（长0.6 km）进行防护；对治理范围内河道（长4.2 km）疏浚清理。 本文试对滹沱河砂河镇段河道治理工程的设计情况进行探讨，以期供类似工程参考。

1 流域水文及地质情况

1.1 流域水文情况

砂河镇位于繁峙县中部，位于五台山北麓、恒山脚下， 地理坐标为东经113°10′～113°58′， 北纬38°58′～39°27′。 砂河镇以滹沱暗流四十里，河道沙多水少而得名。

该区气候受季风和地形影响较为明显， 年平均气温为6.3℃，最高气温为37.2℃，最低气温为－28.5℃；年平均无霜期为154 d；最大风速为18 m／s；正常年降水量为400～500 mm，最大年降水量为585.1 mm，最小年降水量179.7 mm，7～9 月份降水量一般占全年降水量的60%以上。

该流域上游的孤山水库、虎山水库、龙山水库3座水库正常运行，虽然虎山水库、龙山水库为空库度汛，但均可不同程度地起到缓洪调节作用。按无资料地区计算出的设计洪峰流量相对较大， 与有资料地区计算结果相差也较大。经综合考虑，以上永兴水文站为基准面，采用实测资料推算的代堡断面20 年一遇洪峰流量为493 m3／s。 该结果既考虑了面积因素和雨力因素，也考虑了上游水库的调蓄功能，相对客观，与实际洪峰流量接近。故本次滹沱河繁峙县砂河镇段设计20 年一遇洪峰流量取493 m3／s［2］。

1.2 流域地质情况

该工程位于滹沱河断陷盆地砂河镇段滹沱河上，以滹沱河沉积建造为主，第四纪地层发育，未见有新构造活动。

根据野外地质调绘和人工探查， 滹沱河繁峙县砂河镇段河道和近岸出露及揭露的地层岩性主要为第四系（Q）上更新统、全新统和现代人工堆积层。（1）上更新统（Q3a+pl）。上更新统岩性以黄色低液限粉土为主，分布在岸坡上，含少量沙质，底部粉沙层与淤泥质土互层。 （2）全新统（Q4a+pl）。 全新统以亚沙土颗粒成分粉粒为主，含量大于65%，细沙粒含量约为20%；混合沙砾石土岩石成份多以变质岩、白云岩为主，含砂、土夹层；颗粒成分以卵石、砾石为主，含量大于50%，卵石最大直径为18 cm 左右，另偶见漂石，分选好，磨圆中等，级配较差。 （3）现代人工堆积层（Qr4）。 现代人工堆积层主要分布在滹沱河河道两岸，构成主要为生活垃圾、建筑垃圾、工业垃圾（包括煤灰、煤碴、氰化钾提炼金粉后的矿渣、水泥块、粉状物及块碎石），分布面积较大，厚1.0～5.0 m，堆积随意，无掩埋，无覆盖，露天排放。

该区地下水主要为第四系孔隙潜水， 细沙、中沙、粗沙、砾卵石含水层浅中深埋，为10～50 m。地下水水位多为1 000 m 左右，水力梯度大，富水性为富水～中等富水， 流向基本为两侧山区补给滹沱河盆地。 滹沱河盆地区流向与滹沱河基本一致，呈NE→SW 向流动。

2 堤防工程设计

2.1 水面线计算

本工程水面线计算按全流域的洪水进行推算，计算公式为式（1）。

式中：Z 为断面水位，m；Q 为断面流量，m3／s；V为平均流速，m／s；α、ζ 分别为动能修正系数和局部阻力系数；K 为综合流量系数，由滩、槽的过水面积Ai、 水力半径Ri和糙率ni确定， 具体计算式为式（2）。

现状河道河床由沙砾石和卵石组成， 参照桥头水文站糙率资料和文献［3］中的天然河道糙率n 值表，取糙率n 为0.03。

此次计算将河道治理段分45 个计算断面，相邻断面间距为200 m。 以曼宁公式计算起始水位，自下而上逐个断面推算河道水面线。

2.2 治理段公路桥断面过流能力

公路桥控制断面水流均近似堰流， 所以采用式（3）所示的堰流公式计算过流能力。

式中：σs为淹没系数；σc为侧收缩系数，σc＝1.0；m 为流量系数，m＝0.365；n 为孔数；b 为单孔净宽，m；H0为包括行进流速的堰上水头，m。

采用公式（3）分别对治理段4 座桥的过流能力进行复核，结果如表1 所示。

表1 治理段公路桥断面过流能力复核结果表Tab.1 Review result of crossing capacity of road bridge treatment section

规范规定，水面线以上净空高度大于0.5 m 时，才能满足泄洪要求。由表1 可知，除沙河桥满足泄洪要求外，其余3 座桥均不满足泄洪要求，建议加宽或拆除。

2.3 堤顶高程确定

堤顶高程应按设计洪水位或设计高潮位加堤顶超高确定。设计洪水位应按现行行业标准《水利工程水利计算规范》（SL104）的有关规定计算。 堤顶超高按《堤防工程设计规范》（GB50286—2013）确定，计算式为式（4）。

Y＝R+e+A（4）

式中：Y 为堤顶超高，m；R 为设计风浪爬高，m，可按《堤防工程设计规范》（GB50286—2013）附录C计算确定；e 为设计风雍高度，m，可按《堤防工程设计规范》（GB50286—2013）附录C 计算确定；A 为安全加高值，m，P＝10%时，A＝0.5 m；P＝5%时，A＝0.6 m。

经计算，该工程设计风浪爬高为0.32 m；设计风雍水面高度为0.002 m；安全加高值取0.6 m；堤顶超高为0.93 m，取1.0 m。

2.4 堤基冲刷计算

根据建筑物洪水设计标准、河床地质情况等，计算河堤基础冲刷深度， 以确定护坡基础的埋置深度以及堤脚的防护措施。河堤基础冲刷深度采用《堤防工程设计规范》（GB50286—2013） 附录D 的冲刷公式计算，具体如式（5）和式（6）所示。

式中：hB为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m／s；n 与防护岸坡在平面上的形状有关， 一般取1／4～1／6；η 为水流流速不均匀系数， 根据水流流向与岸坡交角确定。

经计算，从水面起算，水流平行于岸坡产生的最大冲刷深度为0.45 m。

2.5 河堤设计

2.5.1 堤型比选

该工程拟采用浆砌石重力式堤型和土坝加格宾石笼护坡式堤型［4］。重力式浆砌石堤防开挖占地少，施工相对较为简单、 方便， 但对地基承载力要求较高，工程造价也相对较高。土坝加格宾石笼护坡式堤防工程造价低，施工简单方便，对软弱地基适应能力较强，但工程占地大。

经综合比较， 该工程采用土坝加格宾石笼护坡堤防。

2.5.2 堤防断面设计

根据河道现状并结合《繁峙县砂河镇总体规划（2013－2030）》及《山西省繁峙县滹沱河生态整治规划》，对滹沱河繁峙县砂河镇段两岸河堤进行新建加固。 新建堤防有： 左岸桩号L0+000～L2+736.0、L2+788.0～L3+282.6、L7+825.9～L8+927.0～L3+282.6 共计三段， 总长4.33 km； 右岸桩号R0+000～R3+062.0、R7+977.3～R8+969.0 共计两段，总长4.05 km。 新建堤防防洪标准为20 年一遇， 采用新建沙土坝堤型，堤防高为3.52 m，堤顶宽为4.0 m，兼作抢险道路。堤防采用梯形断面土坝型式， 背水侧边坡为1∶1.5，迎水面边坡为1∶2.0。迎水面格宾石笼护坡采用规格为0.5 m×1.0 m×5.0 m（高×宽×长）。

筑堤土料为河道疏浚挖主河槽的土料。 按《堤防工程设计规范》（GB50286—2013）的规定，黏性土土堤压实度应不小于0.91， 无黏性土土堤应不小于0.6。 采用振动碾对堤基进行碾压处理，处理有效深度为0.5 m。

砂河镇段左岸桩号L3+282.6～L7+825.9（总长4.54 km）和右岸桩号R3+183.0～R4+465.0 段、R4+483.0～R7+977.3 段 （总长4.78 km） 堤防均为格宾石笼防护，石笼尺寸为0.5 m×2.0 m×5.0 m（高×宽×长）；基础采用两层铅丝笼防护，上层铅丝笼尺寸为0.5 m×2.0 m×3.0 m（高×宽×长），下层铅丝笼尺寸为0.5 m×2.0 m×2.0 m（高×宽×长）。

2.6 防护工程设计

根据冲刷计算结果， 断面型式确定为在新建土堤迎水面增设格宾石笼护坡及铅丝石笼护脚， 护坡高度防护至设计水位，厚度为0.5 m。

3 入河工程、过水路面和河道疏浚

3.1 入河工程

本工程治理范围内有3 处河流和沟道汇入，设计对入河口至上游延伸100 m 范围内进行清淤并采用工程措施进行防护。

3.2 过水路面设计

为了方便两岸村民生产和生活， 对中泓线桩号N0+650、N8+150、N8+800 处过水路面进行拆除重建。 新建路面为混凝土路面， 混凝土强度等级为C25，路面宽为4 m，厚为0.25 m，下铺设3 根直径为800 mm、长8 m 的混凝土管。 过水路面下游铺设铅丝笼块石护底，宽5 m（顺水流方向）、厚0.6 m。

3.3 河道疏浚设计

堤防工程是提高河道防洪标准的主要工程措施，但随着河床淤高，河道断面萎缩，同一流量下的水位不断抬高。河道治理须标本兼治，除了在流域内加强水土保持工作，减少水土流失，控制和减慢干流河道的抬高速度外，还要在堤防建设加固的同时，对淤积严重的河段进行必要的疏浚，以拓宽行洪断面，提高河槽泄量。 另外，还可利用疏浚泥沙淤堤背，加固堤防。

本工程疏浚范围为中泓线桩号N0+000～N3+200、N7+800～N8+800 两段，共计4.2 km。 在维持河道原主槽断面的基础上，依据左右岸设计堤底高程，对河道内的建筑、生活垃圾及土方进行开挖清理。

4 结语

通过对滹沱河繁峙县砂河镇（下汇村至西砂河村）段河道治理，可以平顺河道岸线，美化河道生态景观。

山西省忻州市滹沱河繁峙县砂河镇段河道治理工程属于社会公益性质的项目， 运行后对环境基本没有不利影响。 施工期间对环境和施工人员的不利影响（如产生少量的废水、废渣、噪声等，对自然环境和施工人员产生短暂的危害） 可以通过采取环保措施得到减弱和消除。