大沙河治理工程堤防设计方案分析

刘 辉

(瓦房店市水务局，辽宁 瓦房店 116300)

0 引言

堤防工程是常见的河道治理措施，通过建设堤防工程可以提高河道的防洪能力，随着国家对生态环境保护的重视，堤防工程建设同河道景观建设已经紧密结合[1-4]。堤防工程结构型式多样，针对不同的河道类型、岸坡稳定性，需要采取不同的堤防型式。同时，堤防稳定性是影响河道安全的一个重要因素，在河道治理工程中，需要加强对河道堤防稳定性的复核验算，以保证河道治理效果[5-7]。

1 工程概况及堤防工程主要问题

1.1 大沙河概况

瓦房店市辖区境内大沙河河段总长度为26.79km，其中元台大桥上下游界河段9.10km于2006年进行了治理，其余河段(孙屯大桥至后磊子河入口的5.75km及普、瓦市交界处至元台镇久兴屯的11.2km)于2011年进行了治理，防洪标准均为20年一遇。多年以来，瓦房店市东部城区建设缓慢，环境质量不高，市民缺少休闲、锻炼、娱乐的场地，大沙河虽在东部城区穿过，但整体建设水平不高，主要以防洪建设为主，未充分发挥河流在生态、旅游方面的效益。

1.2 堤防工程存在的主要问题分析

(1)河道局部河段防洪标准低。

河道基本满足20年一遇的防洪标准，但局部段河道防洪标准不满足50年一遇洪水标准，堤防背水坡坡度较陡。

(2)河道两岸堤防堤顶宽度不足。

现状堤顶宽度约为3～4m，两侧路肩种植有连翘，迎、背水坡坡比约为1∶2，迎水面采用2m×2m现浇四边形混凝土网格护坡，若提高为2级堤防，堤顶宽度不足，堤顶路路面狭窄，杂草丛生，无法形成防汛通道。

(3)蓄水水面较少，不能达到景观要求

目前河道内景观效果不佳，2006年治理时所栽种的树木经过多年河道的冲刷，暂存的良莠不齐，河道滩地部分地段存在植被，但植物物种相对单一。

2 堤防工程设计

2.1 堤防工程断面形式

2.1.1断面一

对于现有堤防满足50年一遇设计洪水标准情况，且迎水面具有护坡护砌措施情况时，在现有护脚1m×1m铅丝石笼外侧水平贴铺PET网箱护脚，护脚尺寸(2m×1.5m×0.5m)。如图1所示。左岸护脚贴铺长度850m(0+000～0+300，0+550～0+750，0+950～1+300)，右岸护脚贴铺长度为520m(0+750～0+900，1+050～1+420)。

图1 PET网箱水平贴铺护脚标准断面图

2.1.2断面二

对于新建堤防段，迎水坡采用PET石笼网箱护坡，上铺200mm厚种植土并播撒草籽，护坡顶高程至50年一遇洪水位以上0.5m，护坡底设1.0m宽、1.5m深PET石笼网箱护脚；迎水坡顶至堤顶设播撒草籽生态护坡；迎水坡坡比为1∶2.0～1∶2.5。背水坡坡比为1∶2.5，采用播撒草籽生态护坡。

2.1.3断面三

常水位43m高程以下，滩地坡度陡于1∶4的情况，边坡需采取300mm厚干砌石护砌，下设无纺布反滤。护脚采用浆砌石护脚，顶宽1m，底宽1.75m，深度1.5m，迎水坡为直立式断面，背坡坡比为1∶0.5。

2.1.4断面四

景观设计中有4处平台需要设置水工挡土墙，断面型式采用素砼结构型式，挡土墙与景观设计整平后地形平顺衔接。挡土墙总长度为208.4m；素砼挡土墙背坡为1∶0.5，墙前趾外伸0.4m，墙后趾外伸0.2m，基础厚度为1.5m。墙顶宽500mm。挡土墙底部300mm高设一排φ100排水管，排水管间距1.5m，梅花形布置，排水管端部包裹400g/m2无纺布。防洪墙每10m设置伸缩缝，缝宽为20mm，缝间用闭孔泡沫板填充。如图2所示。

图2 与景观结合水利挡墙标准断面图

2.2 堤顶高程确定

本次设计计算出大沙河治理段50年一遇设计洪水应达到的计算堤顶高程作为参照数据。各断面计算堤顶高程见表1。

表1 堤顶高程计算结果

河道堤顶高程应按设计洪水位加堤顶超高确定。堤防工程按允许越浪确定超高值，2级堤防确定安全加高值取0.4m。

堤顶超高Y由下式计算：

Y=A+R+e

(1)

式中，R—设计波浪爬高，m；e—设计风壅增水高度，m；A—安全加高。

根据图3可知，左岸堤防1+100～1+250需要加高，加高范围0.03～0.2m；右岸大部分均有堤防，其中0+159～0+209、0+965～1+010为无堤段，长度为95m；右岸堤防1+250～1+350需要加高，加高范围0.01～0.22m。

图3 计算堤顶高程与现状堤顶高程对比

2.3 河道冲刷计算

河道冲刷计算采用下式：

hs=H0×[(Ucp/Uc)n-1]

(2)

Ucp=U×(2η/1+η)

(3)

Uc=(H0/d50)0.14

(4)

式中，hs—局部冲刷深度，m；H0—冲刷处水深，m；Ucp—近岸垂线平均流速，m/s；Uc—泥沙起动流速，m/s；U—行进流速，m/s；n—岸坡形状系数，取0.167；η—水流流速不均匀系数，取1；γs、γ—泥沙、水的容重，kN/m3，取19.11kN/m3、9.8kN/m3；d50—床沙的中值粒径，m，取0.0005m；

计算分别针对流速较大段和水深较大段进行冲刷计算，选取桩号为0+050、0+159和0+300作为最不利典型断面，计算结果见表2。

表2 护岸冲刷深度计算结果表

根据大沙河历史冲坑调查，由于该段较顺直，河段多年无大的冲坑，在转弯河段凹岸冲刷较为严重。所以根据计算结果并结合大沙河实际情况，本次设计护脚深度取1.5m，考虑到既有堤防段的护脚长度不够，本次增设PET水平贴坡护脚长度为1.5m，厚度为0.5m，对于常水位以下的干砌石护坡底部的浆砌石护脚，深度为1.50m，顶宽为1.0m，底宽为1.75m。

2.4 堤防渗流稳定性分析

(1)渗透稳定计算原则

由于大沙河治理工程河道洪水汇流均较快，洪水持续时间短，堤防难以形成稳定渗流，但从安全方面考虑，渗流仍然按正常运行情况下的稳定渗流考虑[8]。因此只计算洪水期稳定渗流工况。为提高计算精度，渗流稳定分析采用有限元分析方法(数值法)。

(2)渗透稳定计算参数的选择

根据地勘资料及经验数值，具体设计参数见表3。

根据渗透稳定计算成果，堤身、堤基渗流出口出逸比降小于允许比降，因此渗流稳定满足规范要求。见表4。

2.5 堤坡稳定性分析

根据工程实际情况，抗滑稳定计算分析代表采用最不利断面，即渗流计算所选断面0+050和0+109。堤高分别为6.67m和6.79m，设计水深分别为4.61和5.07m。各河道堤基各土层物理力学指标根据地质勘察报告及试验报告确定。采用设计水位，背水侧采用常年地下水位，选取最不利断面进行分析计算。本设计选取的2个典型断面在不同工况下边坡稳定系数复核情况见表5。根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》中规定：2级土堤稳定渗流期及水位降落期可取1.25。

表5 典型断面迎水坡边坡稳定复核成果

根据表计算成果可见，堤防护坡结构设计均满足工程不同阶段的自身稳定要求，因此设计是安全的。综上所述，本次设计堤防、护岸结构可以满足稳定要求，是安全的。

3 结论

瓦房店市辖区境内大沙河河段总长度为26.79km，通过调查发现堤防工程存在河道局部河段防洪标准低、河道两岸堤防堤顶宽度不足、蓄水水面较少，不能达到景观要求等问题，需要对河道进行治理。为了保证大沙河治理工程的建设效果，提高堤防工程的生态效益。针对不同河段确定了4种堤防断面型式。通过稳定性复核分析计算，大沙河堤防工程的渗流稳定性和堤坡稳定性均可满足相关要求。治理方案可满足河道防洪减灾的需要，改善流域生态环境。可为类似河道综合治理工程提供参考。堤防工程实施阶段需做好与景观工程的协调沟通工作，加强生态化河道的日常维护，建立监测系统、确保河道安全。