灌河生态综合治理河道清淤疏浚工程设计

王中正，赵中华，赵红霞，王利永

（1.郑州市水利建筑勘测设计院，河南 郑州 450000；2.新蔡县班台分洪闸工程维护中心，河南 新蔡 463500；3.新蔡县汝河工程维护中心，河南 新蔡 463500；4.河南科平工程检测咨询有限公司，河南 封丘 453300）

1 工程概况

灌河生态综合治理工程整合资金项目范围为灌河烟北头至鲇鱼山干渠跨灌河渡槽，总长度11.72 km。根据整合资金项目资金使用规定，项目工程治理内容包括河道疏浚、生态护岸、岸缘整治和生产路建设。河道清淤疏浚11.72 km，生态岸坡防护共设置2 处，总长度1 345 m，岸缘整治长度7.42 km，岸线现状保留长度4.30 km，生产路工程包括左岸滨河路（北环路-罗家塆段）和右岸生产路，总长度16.59 km，其中左岸滨河路（北环路-罗家塆段），主路总长2.56 km，路面宽度4.50 m，设置配套建筑物7 座，其中桥梁2 座，涵洞5 座（箱涵1 座，圆管涵4 座）；支路长度0.10 km，路面宽度3.50 m。右岸生产路位于灌河河道右岸桩号4+660（陶家河）～15+616（辛店村洪老营），其中4.50 m 宽沥青路10 700 m，3 m宽沥青路1 550 m，2 m 宽块石路1 680 m，设计车行桥5 座；人行栈桥5 处。

河道疏浚范围为桩号4+035（烟北头溢流堰）～15+750（鲇鱼山干渠渡槽），疏浚长度11.72 km。疏浚河道基本底宽50 m，局部结合河槽实际情况适当扩宽，基本边坡1∶3，河道纵向比降为1/1 800。

2 疏浚原则

河道疏浚首先满足河道行洪要求，同时兼顾生态功能。因势利导，顺应现有河流的流势，尽量沿现有主泓线布置；河槽尽量顺直，但应遵循河流走势的自然规律，保持必要的弯道，不裁弯取直；现状的河道比降及两岸的地面坡降；做到和河道有关的各专项规划合理衔接，如采砂规划；上下游河段的衔接，包括与已治理河段河底高程、关键拦河建筑底部高程结合。

3 设计要旨

3.1 纵断面设计

河道纵坡设计和河道中心线的设计皆为河道整治规划设计的重中之重，其设计的原则是：①规划的河道纵坡要和原河道纵坡基本一致，可以在局部地段进行调整，使河道纵坡变化趋小，纵坡趋于更合理。②河道纵坡设计要兼顾上下游，尽可能使河道纵坡变化小一些，较陡和较缓的坡段要给予适当的调整，以利水流平稳过渡，避免出现流态发生大的不均匀性，以利于河床的相对稳定。③考虑到河道多数是淤积，而不是下切的情况，在设计纵坡时，尽可能不要填方。

根据以上原则，考虑与上、下游衔接，结合实际勘测成果和水文推算需要，确定设计比降为1/1 800。

3.2 过水断面设计

河道现状断面基本为梯形断面，设计时仍采用梯形断面，河道过水能力按明渠恒定非均匀渐变流能量方程进行计算。

3.2.1 基本方程式

因为河道水面曲线的控制断面一般多在下游，应从下游往上游推算。河道水面线推算以固定边界、恒定、非均匀、渐变流的能量方程为理论基础进行计算。

结合河首水流特性，该基本议程式有如下形式：

式（1）（2）中：z2、z1—分别为上、下游断面水位；Δz—为上下游两断面水位差；hf、hj—分别为上下游断面之间的沿程水头损失和局部水头损失；Δhv—为上、下游断面流速水头之差，m；v2、v1—分别为上、下游断面流速，m/s；α2、α1—分别为上、下游断面动能改正系数。

3.2.2 沿程水头损失的计算

均匀流的水面曲线用“分段求和法”推求，此法将非均匀流分成很多小段，然后逐段推算，从各小段来看水流则可以近似地认为是“均匀”的，这样非均匀流沿程水头损失就可以采用均匀流沿程水头损失的公式来计算。如果河槽断面由不同糙率的滩地和主槽所组成的复式断面，则应根据糙率的不同，将断面分成多个不同的部分，分别求出各部分的流量模数，并总和求得整个过水断面的流量模数。

3.2.3 局部水头损失的计算

河道的局部水头损失，因所用糙率既反映河槽本身因素（如河床河壁的粗糙程度、河槽形态等）对水流阻力的影响，又反映水流因素（水位高低、含沙量大小等）对水流阻力的影响。因此，在河道上连续存在某些不显著的局部变化时，其影响已包括在糙率之中，一般是无须考虑的。但在实际工作中发现，河道的宽度有时相差很大，仍有收缩、扩散对水流的影响，故仍以考虑为宜。至于建筑物阻水所产生的收缩、扩散及桥、闸阻力等局部水头损失，自然必须计算。

式中：ξ—河道收缩、扩散水头损失系数；其他字母含义同上。

运用水面线的基本方程式，水面线推算即可从下游向上游（缓流段）或从上游向下游（急流段）逐段用试算法进行。将河道划分为适宜的河段后，根据已经输入的各断面测量数据及分段设计数据，给定某方案起始断面（断面1）的设计流量与起始水位之后，程序自动假设下一断面（断面2）的水位并按基本方程式求出该断面的计算水位，比较假设水位和计算水位的差值，如差值不满足精度要求，则程序判别后重新假定水位，重复试算，直到满足精度为止；若差值满足精度要求，程序即以此计算水位为已知，继续进行下一断面（断面3）的水位假设与计算，反复试算到方案结束，接着进行其它方案的计算。另河道过拦河建筑物时，根据建筑物形式考虑了部分雍高。

3.2.4 边坡系数确定

河道边坡系数应根据河床土的类别或护面情况而定。项目区内的河床内地层岩性主要为细砂、中砂、粗砂，局部表层为素填土和粉土，结构松散，根据类似工程经验，拟定河道边坡为1∶3。

3.2.5 糙率选定

河床糙率n值与河床土质、护面情况、维修养护和河道运行情况等有关。根据《灌溉与排水工程设计标准》附录E的说明，并参照近些年治理工程的成果，考虑治理段河槽土质、滩地附着物等情况，综合分析选定河床和滩地糙率采用2.50×10-2和3.50×10-2。

3.2.6 设计底宽及滩地宽度确定

治理段设计底宽及滩地宽度根据现状河宽、与已治理段设计成果相衔接和保证安全行洪面积协调设定，另考虑项目实施中与河道生态建设、岸缘整理相结合，在不缩减最小行洪断面的基础上，适当扩挖断面，形成多元化的断面形式，参照信阳市水利勘测设计院2013年8月编制完成《河南省信阳市商城县灌河（13+500～18+750段）治理工程初步设计报告》，并于2016年实施完成。此段河道主槽疏挖底宽35 m，两岸滩地300 m宽。河道疏浚时，主槽设计基本底宽为50 m，局部结合河槽实际情况适当扩宽，滩地宽度为300 m。

3.3 边坡稳定计算

根据拟定河道边坡进行稳定计算，采用河海大学《水工结构有限元分析系统Autobank5》软件进行计算。选定施工完建期和水位骤降期临水坡稳定两种工况进行计算。

计算选取桩号4+800断面作为典型断面分析岸坡稳定，该段土物理力学指标见表1，计算结果见表2。

表1 河道典型断面岸坡土物理力学指标表

表2 河道边坡抗滑稳定计算成果表

通过计算典型断面河道边坡抗滑稳定系数满足规范要求。

4 结语

灌河作为商城县的主要防洪河道，境内长度108 km，控制流域面积1 280 km2，占商城县面积的60%，两岸分布有村镇、大量农田和林地，河道多年未进行系统治理，河道淤积严重，河道行洪不畅，岸坡抗冲能力差，汛期极易受洪水侵害，加之商城县洪涝灾害频发，平均2-3年一次，易给沿岸人民群众和粮食生产造成安全隐患和风险。商城县灌河生态综合治理通过对灌河清淤疏浚和生态岸坡防护，规整水流、稳定河势，并与灌河已治理段相衔接，完善灌河防洪减灾工程体系，提高河道防洪能力。