淮安市汪木排河河道治理工程方案比选及河坡稳定分析

朱潇潇，庄梦如，王 霄，陈 敏，张宇蘅

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005）

1 工程概况及现状问题

1.1 工程概况

汪木排河是白马湖、高宝湖地区重要跨县河道，位于盱眙县东部、金湖县西部，为行洪、排涝、蓄水、灌溉等多功能骨干河道。河道起于燕窝水库，东北向至汪木排河大桥，九里荒涧汇入后，再东流入江水道，全长22.5km，流域面积177.29km2，保护人口4.5万人，保护农田1.2万hm2，排涝受益面积1.01万hm2。汪木排河流域至今主要实施过4项治理项目：①2018年对桩号3+382~4+479流域进行了疏浚及滨河景观改造；②2003年对汪木排河上段马坝黄杨圩至205国道汪木排河大桥进行了疏浚，目前河道底部淤积0.5~1.5m；③2012年对河道下段堤防做了加固，达到20年一遇的防洪要求，但河槽未疏浚，河底淤积，排水不畅；④2019年对桩号20+040~20+875段进行了长达835m的河底疏浚，并在20+082~20+283段右侧新建码头一座。

1.2 现状问题

除实施过上述4项治理工程外，其余段长期未综合整治，目前，河道存在主要问题如下：①河道淤积严重，堤身单薄，防洪排涝能力不满足要求；②局部河底比降较大，流速大，河槽冲刷，水土流失较为严重；③沿线水环境、水生态差，坡面或杂草丛生或被种植，镇区段淤积，水质恶化，散发异味；④堤顶防汛道路不畅，防汛管理难度大［1-5］。

鉴于以上存在问题，现对汪木排河河道工程治理部分分段治理方案进行分析，主要涉及内容包括：①对汪木排河18.943km长河段进行疏浚，提高汪木排河的排涝能力；②通过对汪木排河岸坡进行防护，防止水土流失；③对现状河坡稳定性进行复核，对不满足防洪标准段堤防进行复堤加固，提高汪木排河堤防防洪标准。

2 疏浚方案比选分析

汪木排河现状沿线多为基本农田，特别是盱眙境内中下游桩号9+475～20+875（新圩滚水坝～入江水道）段，现状河道滩面宽，但中泓断面狭窄。为确定合理可行的河道疏浚方案，本次采用两种疏浚方案进行比选。

2.1 方案1：全线扩挖疏浚，自排区全面自排

本方案考虑疏浚全线都按照10年一遇的标准设计断面，设计水面线保持自排区10年一遇全面能自排。经试算，桩号0+000~15+340设计河底宽度为2～30m，桩号15+340~20+875段底宽40m，河槽糙率采用0.025，滩面糟率0.030，结合现状河坡坡比，河道边坡采用1∶2.0，河底纵坡比降参考现状河底，采用分段比降设计，分别取1/400、1/600、1/800、1/2000、1/4700。

在满足10年一遇自排区全面能自排的情况下（高程13.0m以下为圩区范围，对应河道桩号为10+694），经试算，河道设计底高程为21.18~4.5~4.0m，底宽2~30~40m，设计排涝水位23.08~11.61~11.50m。根据沿线典型地面高程分析，自排区设计水位低于地面高程0.5m以上，满足自排要求，设计流速0.3~1.08m/s，桩号10+694至20+875段为圩区段。该方案扩挖主泓道槽口宽6~20m，经测算，扩挖占地约18hm2，主要位于桩号7+820~20+875段主泓道河口两侧。其中涉及占用基本农田约12hm2。

2.2 方案2：局部河段向下扩挖，其余河段适当扩宽

本方案从工程实际情况考虑，不扩挖桩号9+475~20+040段现状中泓河口，不占用沿线基本农田或耕地。分别按照10年一遇、5年一遇设计流量及水位推算沿线水面线。设计糟率及河底比降与方案1相同，桩号0+000~7+820、15+340~20+040段坡比1∶2，桩号7+820~15+340设计坡比按照现状，为1∶1.5。

方案2河道设计底高程为21.24~5.5~4.5m，底宽2~12~40m，桩号9+475~20+040段不扩挖现状河口。5年设计水位23.02~11.16~11.07m，10年设计水位23.08~11.61~11.50m，对比地面高程，5年一遇情况下自排区水位均低于典型地面高程0.5m以上，流速0.3~1.10m/s，均能满足自排要求。10年一遇情况下主要在桩号9+475~10+700段，水位距离典型地面0.37~0.14m之间，自排条件略差，其余段均能满足自排要求，设计流速0.35~1.25m/s。

2.3 方案对比分析

图2 两方案10年一遇水面线对比

方案1全线扩挖疏浚后，自排区可满足10年一遇标准，但需扩挖断面较多，涉及基本农田多，该方案占地矛盾突出，实施难度大。对方案1与方案2 10年一遇水面线进行对比，方案1对下段进行扩挖后，桩号9+475处水位下降约0.34m，桩号10+700处下降0.09m。

方案2考虑9+475～20+040段不扩挖现状中泓河口线，仅对该段河槽挖深疏浚，其余段适当拓浚河道，不占用基本农田或耕地。桩号9+475~10+700段，长1.225km，对应自排区面积约15km2，自排标准为5~10年之间，河道其余段及圩区段标准均满足10年一遇。

此外对两方案10年一遇水面线进行同坐标绘制（如图1），观察图1可见方案1和方案2 10年一遇排涝水位线近乎重叠；自0+395段到10+700段均处在典型地面高程以下。

图1 方案2河道设计示意图

综上，采用方案2可避免占用基本农田或耕地，仅局部自排标准在5~10年之间，该方案更符合工程实际情况，减小了实施矛盾，有利于项目的推进，后期可根据国土空间调整情况，进一步提高局部排涝标准，本次推荐方案2［3］。

3 护砌方案比选及确定

3.1 护砌范围

根据河道设计流速计算，汪木排河桩号4+700～7+385段流速偏大，平均流速约1.0m/s。为减少冲刷，防止水土流失，拟对该段新建护坡，河段长2.685km。桩号4+700～5+985段位于马坝镇区，起点为陵园路下游，终点为文明东路下游约300m，段长约1.285km。为巩固提升马坝镇生态文明建设成果，对桩号4+700～5+985段河口结合新建生态挡墙护岸及人行步道，提升河道沿线水环境，改善水生态，打造水景观，提高沿线居民的亲水、享水空间。护坡及生态护岸实施位置如图3。

图3 护坡及生态护岸实施位置示意图

3.2 护坡型式比选

3.2.1 灌砌块石护坡方案

灌砌块石厚30cm，下设8cm碎石垫层、7cm黄砂垫层。

3.2.2 石笼护坡方案

采用低碳高镀锌钢丝或合金镀层钢丝编织成的生态格网内填天然石料，厚30cm，下设土工布一层。

图4 灌砌块石护坡

3.2.3 联锁式混凝土护坡方案

联锁式护坡砖是全自动混凝土砌块生产线生产的成品，产品采用高强低碱水泥、优质黄沙、碎石和添加剂经高频振动使水泥充分液化成型，护坡砖规格为400mm×500mm×120mm，单块重约55kg，整体抗压强度达到C20混凝土，耐久性及抗冻融性远高于传统的混凝土预制块。护坡砖形状如下，每块砖与周围的6块砖产生联锁。连锁式护坡还包括生态植草式预制块护坡，预制块空隙可作为植生孔，具有良好的生态效果［6］。

图5 石笼护坡

3.2.4 三维网垫植草护坡方案

三维土工网垫是一种新型土木工程材料，采用高分子材料PE及碳黑添加剂制成，是植草固土用的一种三维结构的似丝瓜网络样的网垫，质地疏松、柔韧，留有90%的空间可充填土壤、沙砾和细石，植物根系可以穿过其间，舒适、整齐、均衡的生长。考虑到河道土质为砂土类，为在植物未长出或生长初期能尽量减小坡面的水土流失现象，拟在三维网垫下再铺设一层8~10mm椰纤植被毯。

椰纤植被毯由于采用了植物纤维为载体，产品的降解性好，环保性强；椰毯在覆盖地面后，能有效地防止风、热、水、冷、盐碱等不利因素对土壤的侵蚀，起到对土壤和种植物的物理保护作用，为草种的发芽及生长提供良好的环境，提高水、热、光、肥的有效性，还能减少杂草的滋生，减少病虫害，避免或减少灌溉和雨水对种子的冲刷、丢失，保证草种的快发芽、快出苗、快成坪。长成后的草皮使网垫、草皮、泥土表面牢固地结合在一起，由于植物根系可深入地表以下30~40cm，可在河道边坡上形成一层坚固的绿色复合保护层，能有效解决河道的水土流失问题［7］。

3.2.5 混凝土框格草籽护坡方案

采用30cm×40cm C20混凝土格埂形成框格，框格纵横间距根据需要可确定为2～4m，混凝土框格内覆土，铺设三维植被网，并散播狗牙根草耔。

图6 实心联锁式预制块护坡

图7 生态植草式预制块护坡

图8 混凝土划格草皮护坡

通过整理，现将各护砌方案分析比较列于表1。从经济性来看，方案3单位造价适中；从功能性看，5项方案均有耐冲刷的优点，但方案3比方案1、2具备良好的整体性，这对于河道护坡连续性和风貌建设具有非常大的意义。对比方案4和方案5，方案3在施工经验和固土防流失方面又更具优势；再谈适用性，方案3能够更加有效地主动恢复濒水系统生态，适应变形能力远高于其余4项方案。此外，方案3在后期的维修管理显得更为方便，可操作性更强。

表1 护坡结构型式分析比较

综上所述，对常水位以下的坡面防护，选择相对坚固耐冲的护坡方案，推荐采用混凝土实心联锁式预制块护坡。对常水位以上范围的坡面防护，结合生态、环境、景观需求，推荐采用混凝土植草式预制块护坡。

3.3 生态护岸型式比选

目前较为常见的几种护岸型式主要有阶梯式生态护岸、格宾石笼护岸、仿木桩护岸、鱼巢式生态护岸等［8-9］，各种护岸的主要特点说明如表2。

表2 各种生态护岸特点汇总

本次护岸工程主要位于马坝镇区4+700~5+985段，长1.285km，护岸设置于河口的水位变化区，对比以上4种生态护岸，推荐采用生态景观效果好、施工方便的阶梯式生态护坡，护岸后侧设计亲水步道，达到挡土、生态、美观的效果。

4 河坡稳定分析

堤身渗流及抗滑稳定采用河海大学工程力学研究所的土坝/堤防渗流及边坡稳定分析系统软件。

4.1 堤身渗流稳定计算

堤内的稳定渗流符合达西定律［10］，对于非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程：

式中 φ=φ（x，y）为待求水头势函数；kx，ky－x，y轴方向的渗透系数；Jx，Jy－x，y轴方向的水力坡降。

系统采用节点虚流量法通过多次迭代计算自动确定浸润线位置、出逸高度及各点的水力坡降。

4.2 边坡抗滑稳定计算

土坡稳定性的计算，根据GB50286—2013《堤防工程设计规范》的计算方法，采用瑞典圆弧法进行计算。

施工期抗滑稳定安全系数：

水位骤降期抗滑稳定安全系数：

式中 K为安全系数；b为土条宽度（m）；W为条块重力（kN）；W1为堤坡外水位以上的条块重力（kN）；W2为堤坡外水位以下的条块重力（kN）；Z为堤坡外水位高出条块底面中点的距离（m）；u为稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力（kPa）；ui为水位降落前堤身的孔隙压力（kPa）；β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角度（°）；γw为水的重度（kN/m3）；Cu，φu；Ccu，φcu；C′，φ′分别为土的快剪、固结快剪、慢剪指标（kPa/（°））。

4.3 计算工况及条件

根据堤身土质资料，输入各层土质C，φ值及渗透系数，并给出渗流逸出边界及边坡滑动位置，在不同的设计工况下，算出渗流浸润线，并利用该浸润线计算边坡渗流及抗滑稳定系数［11］。

根据规范要求，本次3种工况分别为：

工况1，设计洪水位骤降期的临水侧堤坡工况。

工况2，连续降雨期的临水侧堤坡工况。

工况3，施工期临水侧堤坡工况。

工况4，设计洪水背水侧堤坡工况。

渗流稳定计算工况1与工况2；边坡抗滑稳定计算工况1、工况2与工况3，主堤背坡高差较大时，计算工况4。根据工程地质情况，选取最不利的7个典型断面进行计算，渗流稳定计算结果和边坡抗滑稳定计算结果如表3。

表3 渗流稳定和堤防边坡抗滑稳定计算成果

图9 典型桩号计算简图

根据表3堤坡渗流与抗滑稳定系数均大于容许值，满足相关规范要求。因此，初拟设计断面河坡稳定满足规范要求，设计断面合理。

5 结语

（1）淮安市汪木排河河道整治工程疏浚设计方案通过运用相关规范知识比选后，在施工层面，方案2可避免占用基本农田或耕地，仅局部自排标准在5~10年之间，该方案更符合工程实际情况，减小了实施矛盾，有利于项目推进。护砌设计方案比选结果表明护坡形式选用方案3能从经济性、功能性、适用性，及后期的维修管理等方面取得更大潜在性效益，而护岸型式则选用阶梯式生态护坡会具有更好的生态景观效果。

（2）对于河道设计过工程，现有的工程技术众多，但是其优缺点和适应性各有所不同［12］。在保证河道护坡稳定性达到规范要求和使用年限的前提条件下，择优选取设计方案是落实效益最大化、生态友好型工程的有效途径，也是一项值得有关技术人员认真思考的课题。