汾河上游静乐段水毁维修工程设计

白兴全

（山西汾河流域管理有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概况

1.1 汾河河道现状

汾河是黄河第二大支流，发源于忻州市宁武县管涔山，在运城市万荣县庙前汇入黄河，全长713 km，根据汾河流域自然地形地貌，以太原市上兰村和晋中市义棠为界，将汾河干流分为上游、中游和下游三段。

汾河上游干流河道现有的堤防工程，在护镇、护村、保地等方面发挥着重要作用，经过多年运行，上游干流工程静乐段主要存在以下问题：

（1）杜家沟段河道左岸（闹林沟入汾口下游左岸）现有堤防局部损毁、隐患较多，未形成完整的防洪体系，左岸杜家沟村耕地及村民财产安全受洪水威胁。

（2）拟修复杜家沟段河道左岸堤防位于河道凹岸，主流顶冲堤防，极易冲刷堤脚而造成堤防损坏。

（3）木瓜山至杜家沟段河道由于冲刷淤积造成河槽摆动加大，河道紊乱现象重现，致使引黄中小水输水损失加大，行洪能力也大大减弱。

1.2 工程投资

2021 年3 月，根据晋水财务便〔2021〕19 号文，省水利厅下达汾河上游河道工程维护及管理服务项目资金90 万元，确定工程主要建设内容为维修汾河上游杜家沟段堤防220 m，险工控导丁坝3 条，木瓜山至杜家沟段河槽整治2.36 km。

1.3 工程任务

本次河道维修养护工程的任务是：对杜家沟段河道左岸堤防进行修复，保护左岸耕地。对修复的杜家沟段河道左岸险工段堤防进行防冲保护。木瓜山至杜家沟段河道滩面进行疏浚平整，消除河道紊乱现象，疏通输水河槽，减少输水损失，确保行洪畅通，本次河道维修养护工程的防洪标准为10 年一遇。

2 设计洪水成果

汾河上游干流河道设计洪水引用《山西省汾河上游干流河道治理工程初步设计报告》洪水计算成果：

2.1 水文站设计洪水成果

汾河上游各站洪水分析采用系列为1954—1996年间资料。各站设计洪水成果见表1。

表1 汾河上游各站洪水分析成果

2.2 干流河道设计洪水成果

本次维修养护工程段，位于永安滚水坝至静乐县城段，10 年一遇设计洪峰流量为1 375 m3/s，干流河道设计洪水成果，见表2。

表2 干流各断面设计洪水成果表

2.3 泥沙

汾河属于暴雨型季节性河流，丰、枯水流量相差很大，枯水期含沙量很小，洪水期含沙量随流量增大而剧增，最大含沙量可达500 kg/m3以上。由于流域产沙特征所存在的地区性、季节性差别，同一量级的洪水含沙量却有数倍之差。径流量年内分配不均，输沙量年内变化更大，按静乐水文站统计，多年平均输沙量628 万t，丰水年1967 年高达3 620 万t，而枯水年1965 年仅40.6 万t，丰枯比高达89 倍。

3 工程设计

3.1 堤防修复工程

本次堤防修复工程设计仍采用原治理工程所使用的重力式挡墙型式。挡土墙采用M10 浆砌石砌筑，墙顶高程低于土堤堤顶高程1.2 m，顶宽0.4 m，临水侧边坡1∶0.357、背水侧直立，墙高共4.2 m，趾（踵）墙高0.5 m、宽出0.3 m。

3.1.1 堤岸冲刷深度计算

考虑水流平行于岸坡的冲刷。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013），顺岸及平顺护岸冲刷深度，经计算工程段水流平行于岸坡的冲刷深度，如表3。

表3 水流平行岸坡冲刷深度计算表

从上表可以看出工程段堤脚的计算冲刷深度在1.08～1.14 m 之间，根据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007），挡土墙墙趾埋深宜为计算冲刷深度以下0.5～1.0m。根据实地调查和当地多年治汾经验，河道冲刷深度一般为1～2 m。考虑到计算中所选土壤粒径的局限性，综合分析选取基础防冲埋置深度取2 m。

3.1.2 重力式挡土墙稳定计算

挡土墙采用重力式结构，按照《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）的要求进行稳定计算，堤防工程级别为5 级，所以不进行抗震设计。

（1）计算原理

挡土墙稳定计算采用北京理正软件设计研究所挡土墙计算软件计算。根据《堤防工程设计规范》防洪墙允许抗滑稳定安全系数采用1.15，抗倾稳定安全系数采用1.40，压应力最大值与最小值之比砂土宜取2～3。

（2）计算公式

①抗滑稳定安全系数计算，采用公式：

式中：kc——抗滑稳定安全系数；

∑ω——作用于墙体上的全部垂直力的总和

（kN）；

∑ρ——作用于墙体上的全部水平力的（kN）；

f——底板与堤基之间的摩擦系数。

②抗倾安全系数计算，采用公式：

式中：k0——抗倾安全系数；

MV——抗倾覆力矩，kN·m；

MH——倾覆力矩，kN·m；

③偏心距计算

当挡土墙采用天然地基时，须作基底应力和偏心距的计算。作用于基底合力的偏心距e按下式计算：

式中：e——挡土墙基础底截面的偏心距（土质地基要求e≤B/6），m；

B——基础底截面的宽度，m；

Zn——地基反力的合力作用点到墙趾的距离，m；

Mall——所有荷载对墙趾的弯矩，顺时针为正，kN·m；

Wall——所有竖向荷载之和，向下为正，kN。

④基地压应力计算，采用公式：

式中：σmin·max——基底的最大和最小压应力，t/m2；

∑G——垂直力的总和，t；

A——基础底面面积，m2；

∑M——力矩的总和，t·m；

∑W——基础底面的截面模量，m3。⑤主动土压力计算主动土压力按库仑土压力理论计算。计算公式如下：

式中：γ——墙背填土的容重，天然容重18.62～19.6kN/m3，干容重18.13～19.6 kN/m3，饱和容重19.6～21.56kN/m3；

H——墙后填土高度，m；

k——压力转化系数；

φ——墙后填土内摩擦角，φ=30°～35°；

α——墙背与竖直线所成的倾角，α=0°；

δ——外摩擦角（《城市防洪工程设计规范》（CJJ 50-92）要求俯斜的砌体护岸取δ=φ/3）；

β——填土表面与水平线所成的坡角（度），β=0；

（3）计算工况及荷载组合

依据《堤防工程设计规范》，进行下列两种工况的计算：

一是设计洪水位骤降1 m，10 年一遇设计洪水位高出挡土墙顶高程0.5 m，水位骤降1 m 后，河道内水位比墙顶高程低0.5 m，墙后填土为饱和土。

二是设计枯水位：挡土墙前后均无水，河底高程以下有地下水。

（4）计算结果

选取典型断面计算。

断面尺寸：墙高4.2 m，顶宽0.4 m，底宽2.32 m，墙背垂直，基础埋深2 m。M10 浆砌石容重取23 kN/m3，墙后填土天然容重19.6 kN/m3，饱和容重21.56 kN/m3，内摩擦角φ=32°，底板与地基间摩擦系数：f=0.35。计算结果如表4 所示：

表4 挡土墙稳定计算结果表

以上结果显示，该挡土墙的抗滑、抗倾、偏心距、地基应力均满足要求。

3.2 险工段控导工程

3.2.1 丁坝冲刷深度

本次设计引用《山西省汾河上游干流河道治理工程初步设计报告》中，武汉大学水利水电学院水沙科学教育部重点实验室对汾河上游宁化堡～河岔河段进行了河工模拟试验研究。试验结果见表5。

表5 顺直型丁坝群坝头冲坑试验结果表

根据计算结果和模型试验，除第一道丁坝的冲坑深度大于2.0 m 外，其它均不超过2.0 m，综合分析确定除第一道丁坝以外的其它丁坝的冲刷深度按2.0 m 考虑。

3.2.2 险工段控导工程设计

险工护岸工程选用能适应河床下沉变形而自身又比较稳定的铅丝石笼丁坝，断面型式为E 型。

E 型丁坝依堤而设，采用下挑、非淹没式丁坝。丁坝长10 m，丁坝间距20 m。丁坝轴线与水流方向夹角一般采用30°，第一道丁坝和最后几道丁坝根据水流条件适当加长，夹角采用30°～60°。丁坝断面采用3 层台阶式梯形断面，层高0.8 m，顶层宽2 m，中层宽3.6 m，底层为适应冲刷塌落，保护丁坝主体，根据模型试验结果，上下游侧、坝头加宽部分长度均按河床冲刷深度的1.5 倍考虑，取3 m。

3.3 河道整治平整工程

汾河上游干流河道治理工程建设期间，已经对中小水流不畅的河道进行了必要的整治。治理后调整了紊乱的河道，减少了河槽摆动，形成了稳定的中小水流主槽。

经过几年的运行，部分河段由于冲刷淤积造成河槽摆动加大，河道紊乱现象重现；且加上当地无序采砂现象较严重，造成河道中深坑多、河道乱的现象。本次设计中对静乐县木瓜山至杜家沟段范围内2 360 m 河道滩面进行平整，消除河道紊乱现象，疏通输水河槽，减少输水损失。总计平整面积25.48 万m2，厚度0.1～0.3 m。

4 结语

本次河道维修养护工程建设总工期为25 个日历天，施工线路长，工期短，考虑全面开展施工。沿线的河段布置2 个工区，布置在各段适中的位置。工程实施的不利影响主要为施工期间所造成的粉尘、噪声等的污染，但只要加强管理，合理安排工期，可减轻这些污染。

工程实施后，汾河上游治理段河道沿岸居民的生命财产安全将有所保障，两岸的耕地也将得到有效保护，可有力促进汾河上游沿岸的全面发展。