规划阶段水利工程河道防洪治涝设计

◎董莎莎 宁波市鄞州区水利水电勘测设计院

1.引言

洪水的成因有很多：暴雨、严重的水风、不正常的涨潮、海啸、大坝、水位、蓄水池或其它水结构的失效。很多河流经常会被洪水淹没，这就是所谓的泛滥平原。雨水或下雪时，池塘或泥土里的水分会被草木所吸收，有些会被蒸发掉，剩下的则会以地面上的径流形式流动。当池塘、湖、河床、泥土、植物不能完全吸收水分的时候，就会出现水灾。从陆地上流出的水无法通过河流输送到自然的水塘、湖和人工蓄水池。30%的降水量是很少的，而且随着雪的消融，这种数量也会越来越多。洪水一般是由于暴雨造成的，有时由于积雪融化而增多。如果没有事先的预警，就会快速上涨，这就是所谓的洪灾。为了避免洪灾对人们日常生活和生产工作造成影响，提高水利工程的防洪效果，下述将开展规划阶段水利工程河道防洪治涝的设计研究。

2.工程概况

以某地区水利工程项目为依托，为保证防洪、排涝的安全，应采取行之有效的措施，缓解城市建设对河道生态环境的影响。本项目全长7.6公里，新挖出5.8公里的截流河道，对原有河道进行了拓宽，洪水等级为100年一遇、200年一遇、50年一遇的内涝控制标准。新截流河段的河床宽度为70～110米，河床的设计控制水位为5.12米，河床为梯形复式断面[1]。通过减小雨水的排泄距离，降低截流河道的泄洪压力。在原有两条河道的基础上，又增设了一条南北连通的水渠。南北连接沟全长1.9千米，南部43公尺。河堤的设计控制高程为2.9米，河段为梯形复式，南段的连接渠道全长1.9公里[2]。河床为长方形，河床设计控制水位为5.9米，河床下宽35米。

3.规划阶段水利工程河道防洪治涝

3.1 水利工程河道堤防结构设计

为了达到防洪、排涝的目的，必须对现有河道进行拓宽，并对违法占道的设施进行清理。同时，根据水利工程河道具体情况，完成对堤防结构的设计。针对上述依托的水利工程项目，在工程所在区域内由于洪水的突然爆发，会带来大量的碎石，这些碎石会给堤坝带来很大的冲击，严重影响到工程区的安全。同时，由于内部基础的强度和软弱的基础厚度都很大，因此，竖向护岸容易发生不均匀的沉陷[3]。采用斜坡式防洪堤，具有材料充足、工期短、施工工艺简单等优点。因此，从整体上看，采用坡面式护岸是堤型的最佳选择。在对堤防宽度进行设计时，将提升河道防洪治涝的安全性作为目标。通过合理的拓宽，可以有效降低河道内水流的速度，同时可将下述公式作为河道宽度计算依据：

公式中，D表示水利工程河道水面宽度；A表示阐述系数，Q在本文中A的取值为1.5；表示造床流量；J表示河床比降。通过上述公式可以计算得出水利工程河道断面的顶宽和底宽。在此基础上，还需要确定堤防的高度，堤防超高通常包含波浪排高、风壅增水高度以及安全加高，将各项参数通过测量和设计得到后，将其数值综合作为河道堤防的超高[4]。通过上述计算，按成对河道堤防断面的设计，如图1所示。

图1 水利工程河道堤防断面设计图

在充分考虑到河道堤防稳定性的前提条件下，结合上述水利工程项目基本概况，将该河道堤防的边坡系数设置为1:1.25。除此之外，对水利工程河道堤防使用的建筑材料选用铅丝笼、块石、柴草，将其应用在护岸以及各个基础结构上。将护坡的衬砌厚度设置为0.25m，将基础结构的衬砌厚度设置为0.65m。

3.2 清除河道阻水物

通过对水利工程河道分析得出，主要阻水物可分为三种类型，第一种，跨江桥涵和水闸的孔口偏小、底板偏高、壅水导致上游水位升高；第二种，导流枢纽加固大坝，使上游水位升高；第三种，排水管沟被非法划线、违章建筑、占用行洪段、阻碍养护和管理。针对规划区域内水利工程河道沿线影响防洪安全的阻水物，根据相关规定进行清除[5]。在实施过程中，要针对不同的障碍，进行具体的分析，逐个处理。对历史上形成的各种有碍行洪的桥、涵、闸、坝，要仔细地研究，查明其现存的作用，凡是已经结束使用功能的建筑物、构筑物，应尽快拆除，不留痕迹，如已丧失灌溉引水功能的水闸、水坝等；对仍可利用的拦洪工程，必须按照规划净空的规定进行改建或拆除。

清除河道阻水物后，河床的设计标高和底板高度有很大的差异，如果在清淤中不采取有效的措施，势必会导致堤坝的地基不稳定而坍塌。在进行松木桩施工时，为了能将倒灌和渗入的少量水流集中在河道低洼处，不会对工程造成任何影响。松木桩材选用松木，树干直径不低于100 mm，质量优良，单边弯曲不得超过2%，整体无枯节、透心、穿心裂。为了增强松木桩的防腐耐用性，在施工之前，可以将桩身的一端削尖，然后用火将桩身表面烧成炭化。在进行桩身施工时，采用机械打桩方式，桩身在持力层内不少于1m，同时保证桩的轴向偏移不超过5-6cm，并对桩的保持层和桩顶高度进行控制。抛石为块石，石料选用微风化石，禁止使用风化石、强风化石。在实施中严格按照尺寸分布，抛出的块石重量超过50kg，孔隙率不超过75%，孔隙度不超过25%，用大块石头做顶板，确保工程质量。在进行抛石之前，要先把石头放入水中，然后用竹子之类的东西做记号，然后在涨潮的时候用小船把石头运到工地进行人工投掷，或者是在岸上直接扔石头。抛入时应注意抛准、抛匀、抛足，应遵循由上而下、由远到近、由深到浅、由点到线的先后顺序，逐步进行，分层抛入，不能乱抛，否则会影响工程质量。

3.3 设置防洪治涝生态护岸

规划阶段对水利工程河道防洪治涝的设计主要是为了防止洪涝问题的产生，或尽可能减少洪涝灾害对水利工程项目以及周围地区造成的威胁。基于此，在完成对河道堤防结构的设计和对河道当中阻水物的清除后，通过设置生态护岸的方式，也能够在极大程度上提升河道的承泄能力。通过生态护岸的设置可以有效提高河道边坡的稳定性，同时也能达到美化环境的效果。可采用植物护岸的方式，护岸形式充分发挥了天然景观与生态功能，采取了以植物为主体的缓坡进水方式，加强了水生植物和亲水植物的使用。本方法的目的在于利用植物本身的生物固定和净化功能，并在不同的植物之间形成一个多样化的滨水区景观。图2为植物护岸基本结构示意图。

图2 植物护岸基本结构示意图

除此之外，还可采用人工仿生材料护岸，这种生态护岸是指利用生态砖、生态袋、仿木桩等人造仿生材料进行围堰施工，不仅可以达到围护结构的稳定、抗冲刷性能，而且还能满足河道生态建设的需要。针对生态护坡的施工，结合洪涝发生时间、工程特点等，将施工顺序规划为：基础开挖——碎石垫层——墙身砌筑——预制砌块压顶——土方回填。在具体施工中，按照这一流程进行，确保生态护岸充分发挥其防洪治涝的作用。

4.防洪治涝效果分析

为实现对上述河道防洪治涝设计方案应用可行性的验证，将设计方案导入到DHI MIKE FLOOD软件中，并通过设置2年一遇降雨情况和50年一遇降雨情况两种条件，对应用设计方案后的水利工程河道承泄能力进行分析。选择将两种降雨情况条件下的河道积水深度作为评价河道承泄能力的指标，若河道积水深度越浅，则说明越不容易出现内涝，河道承泄能力越强；反之，若河道积水深度越深，则说明越容易出现内涝，河道承载能力越弱。通常情况下，在水利工程当中，规划阶段要求的河道积水深度不得超过15cm。基于这一要求，对应用本文上述防洪治涝方案后的水利工程河道的积水情况进行记录。选择将河道划分为5个分区，并分别编号为HD-#1、HD-#2、HD-#3、HD-#4和HD-#5，针对五个分区分别测定其不同降雨条件下的河道积水深度，并得到如表1所示的结果。

表1 不同降雨条件下河道积水深度记录表

从表1中记录的数据可以看出，无论是在2年一遇的降雨条件下，还是在50年一遇的降雨条件下，应用本文上述提出的防洪治涝方案后，该河道五个分区的积水深度均没有超过标准设定的15cm范围。因此，通过上述验证本文在规划阶段提出的河道防洪治涝方案在实际应用中可以有效促进河道承泄能力的提升，减少甚至避免出现内涝灾害问题，大大提高水利工程的安全性和抗灾能力。

5.结束语

针对部分地区水利工程中河道洪灾内涝情势，提出了一种新的防洪治涝方案，并实现了对该方案可行性的验证。在实际开展对水利工程河道的防洪治涝时，还应当充分遵循整体与局部原则。水利项目是关系到人民群众的正常生产与生活，因此，在进行水利项目规划时，必须从全局的角度来考虑，以提高水库的综合效益。尤其是在河道防洪治涝设计时，要重视下游及两岸洪水防御，并强化治水问题。同时，规划设计单位应明确项目建设的总体任务，对洪水进行有效地防护与疏导。在施工中，要强化主次与重点相结合，尤其是在名胜古迹、交通要道、农田要地等方面，要从全局上考虑，才能更好地兼顾整体和局部，充分发挥水利工程的建设作用。