阳曲县杨兴河黄寨镇段河道治理工程方案研究

周晓新

（山西宏志环境工程咨询有限公司，山西 太原 030009）

1 引言

河道是城镇中重要的生态资源，对城镇宜居生态环境建设具有十分重要的作用[1-3]。但是河道作为重要的排洪通道，其泄洪作用不可忽视。在一些天然河道段，洪水灾害对沿线居民的生活具有诸多不利影响[4-6]。因此，对河道进行综合治理，改善防洪现状，提高生态效益是非常必要的。结合阳曲县杨兴河黄寨镇段河道治理工程，对河道堤岸工程设计进行分析。

2 工程概况

工程治理起点为黄寨村1#桥上游，终点为新阳大桥下游，与阳曲公园现状浆砌石堤防相接，起点桩号0+000，终点桩号2+416，治理段全长2.42 km。该段上游未进行过治理，两岸为土堤，河道宽度约20 m，下游为阳曲公园段，建于2000 年，公园内两岸为素混凝挡墙，河道宽度仅15 m。治理段河道未经过治理，两岸大多为土坎；局部段河道为悬河，岸坡上刚进行过污水管涵的埋设，堤防回填压实不均匀；治理断现状河道宽度从28 m～50 m不等，行洪能力严重不足，防洪不达标；桩号1+735～2+083（原河道桩号1+735～2+532）段河道现状弯度大，水流不畅。

3 方案比选

方案一：本工程下游段河道即桩号1+735～2+083段（原桩号1+735～2+532）现状弯度较大，大于90°，汛期水流直冲堤岸，对岸坡的破坏力很大，经与业主协商，本次设计计划对其改线，将其进行裁弯取直，改善防洪条件。截弯取直段原河道长797 m，取直后长348 m，原河道宽约20 m，新建河道宽60 m，总占地面积37.6 亩，耕地24.8 亩，居民住宅12.8 亩。

方案二：河道不做裁弯取直处理，按原河道走向进行治理，将现状河道拓宽至60 m，拓宽段主要位于河道左岸，总长797 m，占地面积约53.8 亩，其中耕地及大棚面积49.5 亩，居民住宅4.3 亩。

该段河道原河道总长2.87 km，裁弯取直后的河道总长为2.42 km。

图1 河道裁弯取直段方案对比图

表1 两方案占地面积对比表

经过对比分析，裁弯取直方案改线段总投资为879.2 万元，原河道段总投资1767.7 万元，裁弯取直方案改线段占地总面积37.6 亩，原河道占地总面积53.8 亩，综合考虑本次设计推荐方案一即裁弯取直方案。

4 堤防工程设计

4.1 堤型选择

河道治理工程的主要建筑物为堤防。比较方案如下：

（1）重力式挡墙

分为重力式素混凝土挡墙和浆砌石挡墙两种，挡墙总高5.8 m，设计顶宽0.5 m，迎水面边坡为直墙，背水面边坡1∶0.5，基础墙趾宽度1 m，高1.5 m，挡墙基础埋深为2 m，可采用M10浆砌石砌筑或C25 素混凝土浇筑。

图2 重力式挡墙结构图

（2）悬臂式钢筋混凝土挡墙

挡墙总高5.8 m，顶宽0.4 m，迎水面为直立面，背水面坡度为1∶0.1，基础埋深为2 m，采用钢筋混凝土结构，混凝土标号为C25 F150 W6，钢筋为HRB400 级。

图3 悬臂式挡墙结构图

（3）格宾石笼护坡

本次设计河道段防洪标准为50 年一遇，断面平均流速2.1 m/s～3.9 m/s，土堤及草皮护坡不能起到防护作用，因此选用格宾石笼护坡进行对比，格宾石笼厚度为0.5 m，防护高度为2.5 m，下部铺设150 mm碎石垫层，顶部覆200 mm厚种植土，表面撒播草籽。堤防迎水面与背水面坡度均为1∶2，堤顶宽6 m，优点是因地制宜，取材方便，造价较低；缺点是新建堤防占地较大。

图4 格宾石笼护坡结构图

考虑本次河道沿线实际情况，河道两岸拓宽难度大，而护坡型式占地面积大，不适合本次治理段，因此首先排除护坡方案；钢筋混凝土悬臂式挡墙虽然占地小，但造价太高，可以排除；从美观、造价、占地以及材料的供应等方面综合考虑，重力式挡墙比较适合本工程，由于素混凝土挡墙施工速度快，质量容易保证，本工程堤防型式最终选择重力式素混凝土挡墙。

4.2 水面线推算

治理起点为黄寨村1#桥上游，终点为新阳大桥，全长2.42 km，新阳大桥为7 跨桥梁，净高20.7 m，单跨净宽19.2 m，现状跌水按拆除考虑，调整后的纵坡为2.6‰～4.2‰。末端控制断面设在阳曲公园混凝土挡墙处，该处河道顺直，断面规整，底宽15 m，两侧为直墙。

水面线采用一维恒定非均匀流计算公式推算，选取杨兴河简化标准断面判定该段河道流态：当水流为缓流时，从下游向上游逐段推算水面线；当水流为急流时，从上游向下游逐段推算水面线。杨兴河简化断面：矩形断面，底宽60 m，边坡直立，平均纵坡3.5‰，综合糙率0.035。

明渠均匀流公式如下：

式中：Q为河道流量，取344m3/s；A为过水面积，m2；R为水力半径，m；X为湿周，m；C为谢才系数；n为糙率；i为河道纵坡。

经计算，杨兴河正常水深h0=2.14 m。

矩形断面临界水深按下式计算：

式中：hk临界水深，m； 修正系数，取1.0；q单宽流量，。

经计算，临界水深hk=1.496 m。

从以上计算可以看出，杨兴河h0＞hk，流态为缓流，选择治理段终点为初始计算断面，然后能量方程逐段向上游推算，直至治理段首端。末端控制断面设在与阳兴公园交界处，该处河道顺直，断面规整，两岸均为悬臂式混凝土挡墙。

式中：Z为水位，m；Q为流量，m3/s；V为平均流速，m/s ；g为重力加速度，m/s2；、ζ分别为动量修正系数和局部阻力系数，K流量系数。

本工程河道断面为梯形断面，设计洪水流量采用50 年一遇防洪标准，设计洪峰流量为344 m3/s，河道糙率取0.035，水面线计算结果见图5。

图5 水面线计算成果

图5中治理段起点及治理段终点设计洪水位大于堤顶高程，是由于现状河道宽度较窄，起点为20 m，终点为15 m，不能满足50年一遇洪水标准。

4.3 堤顶高程确定

堤顶超高计算采用下式计算公式：

式中：Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；E为设计风壅增水高度，m；A为安全加高，m。

根据以上公式，本工程50 年一遇洪水标准下堤防超高计算结果见表2。

表2 堤防超高计算成果表

根据以上计算结果，本工程新建防洪堤防超高值确定为1.21 m，根据各断面水深计算，本工程堤防高度为3.8 m。

4.4 堤防断面的确定

河道治理工程堤防型式为重力式素混凝土挡墙。

新建重力式素混凝土挡墙高度为5.8 m，断面型式为梯形，顶宽0.5 m，迎水面为直墙，背水面边坡1∶0.5，墙趾宽1 m，高1.5 m，基础底宽4.65 m，挡墙基础埋深为2 m。素混凝土标号为C25 F150 W6。

堤防型式及高度汇总情况见表3。

表3 堤防型式统计表

图6 堤防标准断面图

4.5 堤防稳定计算

根据《堤防工程设计规范》，工程堤防允许抗滑稳定安全系数1.3，抗倾稳定安全系数1.55，基底应力的最大值与最小值之比不大于2.5。

本工程重力式素混凝土挡墙河底以上高度为3.8 m，基础埋深2 m，总高5.8 m，采用理正挡土墙稳定计算软件，公式如下：

①物理参数：墙后填土内摩擦角 =21°；地基允许承载力[δ]=120 kPa；素混凝土容重γ=24 kN/m3；墙后填土容重γ=17 kN/m3；底板与地基间摩擦系数f=0.4；凝聚力0 kPa。

②抗滑稳定计算，公式如下：

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑W为作用于墙体上的全部垂直力的总和，kN；∑P为作用于墙体上的全部水平力的总和，kN；f为底板与堤基之间的摩擦系数。

表4 抗滑稳定计算成果表

②抗倾稳定计算，公式如下：

式中：K0为抗倾稳定安全系数；MV为抗倾覆力矩，kN·m；MH为倾覆力矩，kN·m。

表5 抗倾稳定计算成果表

③基底压应力计算，采用公式：

式中：σmax、min为基底的最大和最小压应力，kPa；∑G为垂直荷载，kN；A为底板面积，m2；∑M为荷载对底板形心轴的力矩，kN·m；∑W为底板的截面系数，m3。

表6 基地应力计算成果表

从以上计算结果可知，堤防稳定计算系数均满足规范要求。

5 结论

结合阳曲县杨兴河黄寨镇段河道治理工程，通过方案对比局部采取裁弯取直+重力式挡墙方案作为河道综合治理方案，具有占地面积小、投资低等优势。通过收集径流数据，确定河道堤防高程，确定堤防标准断面，可为类似河道治理工程设计提供参考。