复杂河流漫滩公路防护设施选型设计研究

方琳 娄红光 付雪伟 陈诚

关键词：复杂河流；河漫滩；公路；防护设施；导流坝

从社会基础层面来讲，助力社会经济发展的首要前提是配备完善的交通基础设施。在考虑河道行洪安全和节约资金成本的情况下，选择在河漫滩修建公路已慢慢成为一种适宜的工程技术手段。尤其对于我国塔里木盆地、柴达木盆地、青藏高原和内蒙古高原广大地区的时令河，上游流域内降水量年内分布极不均匀，中下游流经沙漠地区，枯水季节河水断流、河床裸露，丰水季节易形成洪水，甚至洪水洪峰很大，在河漫滩上直接修建公路代替桥梁，可提高建设资金效能。但在河漫滩建设垂直于河流方向的公路会对河流行洪产生影响［１］，为了兼顾河道行洪与拟建工程的安全，同时有效降低工程造价，有必要对拟建工程防护设施选型进行优化设计。适宜的河漫滩公路修建线路需要结合工程本身实际情况，综合考虑设计方案进行选取。

马良等［２］进行了多沙河流治导线流路方程研究，建立了治导线流路特征参数同河流水力因子之间的定量关系式；刘明潇等［３］研究认为滩区公路没有对整治工程增添新的不利影响；甄映红等［４］通过水力学研究方法分析认为，滩区公路建设不影响黄河下游宽滩河段行洪，公路布置路线与河道行洪方向基本一致且远离主槽，可以使公路对滩区的行洪干扰保持在较低水平；李新杰等［５］结合历史典型漫滩洪水资料分析了滩区工程对黄河下游漫滩水流的冲淤变化影响，提出开展河道整治工程和标准化堤防建设，生产堤改造成防护堤，在滩区设置行洪滞洪沉沙区的建议；刘培斌等［６］通过分析滹沱河宽滩区特性，建议滩区建设公路应顺河布线；张俊华等［７］对游荡型河流治理后的河型转化等复杂的学术问题进行了研究；张红武等［８－９］对黄河下游河道整治开展系统研究，认为科学进行工程布局对防洪不会产生不良影响；张红武等［１０］通过完成国家重点研发计划专项“黄河下游河道与滩区治理研究”，分析了在未来洪水条件及其灾害情景下滩槽演变趋势及河槽变幅，探索出提升河势稳定治导与输沙技术能力的途径。现有研究成果对高海拔、复杂地质条件、垂直于河流方向的跨河漫滩公路工程布置及其防护设施研究较少。本文以某河流上拟建跨河公路工程为例，在确保河道行洪安全及节约成本的前提下采用漫滩公路替代部分桥梁，同时结合工程地质、水文特性等开展跨河漫滩公路工程布置及其防护设施选型设计研究，以期对山区宽浅型河流跨河公路工程设计提供参考和借鉴。

１工程概况

某河流位于天山南脉腹地，地处高寒山区，周边岩土为季节性冻土、盐渍土。拟建漫滩公路长４．６８３ｋｍ，设计车速２０．０ｋｍ／ｈ，路基宽度为６．５０ｍ，采用四級公路标准，桥梁设计洪水频率为５０ａ一遇，路基及涵洞设计洪水频率为２５ａ一遇，总投资为２１１７万元。公路建成后能缩短河道两岸居民通行距离３３ｋｍ，极大改善当地农村公路交通运输条件，为当地农牧民产业脱贫提供基础条件以及助力乡村振兴。

１．１工程区水文状况

工程所处河流地处高寒山区，地形特征呈“两山夹一谷”，河流最大流量１２５０．００ｍ３／ｓ，最小流量７．０８ｍ３／ｓ，多年平均流量８３．００ｍ３／ｓ，多年平均径流量２４．２１亿ｍ３，最大年径流量３７．４０亿ｍ３，最小年径流量１８．９０亿ｍ３，河水补给主要来源于冰雪融化。

１．２跨河公路工程布置方案设计

拟建公路跨河处河道断面宽１．６２ｋｍ，平水期水面宽约１００ｍ，呈典型的宽浅型河槽，河道中央及左岸漫滩宽分别为５５０、４００ｍ，上、下游两岸较为顺直，河床较平整，主流较顺直，无明显回流。工程区枯水期河道水流分叉，主流偏向左岸，发生大洪水时漫滩过水。

工程所在河道中漫滩占比较大，合理利用漫滩设计修建部分填方公路代替桥梁，在兼顾防洪的同时，能降低工程造价。拟建跨河公路桥面高程范围为１８２３．００～１８２４．００ｍ，桥位断面左岸堤顶高程１８２５．４０ｍ，桥位断面右岸堤顶高程均在１８２６．３６ｍ以上。结合水文、防洪、资金等因素，拟在河道建设２座桥梁，两桥之间漫滩上修建公路连接，左岸高漫滩为桥梁引道段，工程布置如图１所示。设计如下：

１．３防洪综合评价

１．３．１防洪、冰凌标准适应性分析

根据《公路工程技术标准》（ＪＴＧＢ０１—２０１４），该工程按照四级公路修建，拟建大桥防洪标准为５０ａ一遇，符合《防洪标准》（ＧＢ５０２０１—２０１４）要求。

根据观测资料，工程河段冬季会有流冰产生，冰块直径范围为０．３～１．５ｍ，该工程桥梁每跨跨径为２０ｍ，满足冰凌通过要求。

１．３．２河道行洪影响分析

该工程项目大桥属永久性工程，涉河桥墩和填方道路上游防护设施对水流有一定的阻挡作用。经计算，桥墩和填方道路上游防护设施的阻水面积占总过水断面的２４．２％，１号中桥、２号大桥梁底所需最小标高为１８２２．２２ｍ；根据工程设计，行洪范围内设计最低梁底标高为１８２２．６０ｍ，高于５０ａ一遇设计洪水位，防洪高程满足要求，但建筑物有一定的阻水作用，对河道行洪有影响。

１．３．３河势稳定性影响分析

该项目大桥桥墩没有明显的挑流作用，但河道滩地填方道路上游防护设施对水流有明显挑流作用，会对工程处河道左、右两岸台地形成冲刷。填方道路上游防护设施会对水流产生一定阻挡作用，其上游一定区域内产生淤积，分水后水流流速加大会加剧冲刷河槽。大桥建设对该段河道河势有一定的影响。

１．４布置方案不利影响解决路径

在河道整治工程中，科学合理地顺应河势使其沿着有利和稳定的方向发展，有效调治水流和稳定河床，同时在河势的关键部位增加防护设施，是可以改变河势使其达到不影响行洪安全的目的。张红武［１１］研究了河道工程引导河势与提升河道输沙能力，实现宽滩区有效利用、中水河势稳定控制与特殊洪水行洪都适应的良性治理目标。

该工程所在河段因水文状况复杂，河水对漫滩公路路基、桥涵构造物冲刷和腐蚀严重，故合理选取防护设施最优布置形式并满足安全、工期、造价等要求，防止河水冲毁漫滩公路路基、桥涵构造物，确保行洪安全显得尤为重要，其中漫滩公路的防护设施是降低不利因素影响的关键。

２漫滩公路防护设施设计

该工程所在河段河道中间为漫滩，发生大洪水时漫滩过水，河道自然演变造成主流摆动，为游荡型河流，即漫滩形状、位置不稳定。同时该工程所在区域河流有泥石流，地处地震带，且岩土、河水有腐蚀性，因此漫滩公路防护设施的设计方案需考虑因素尤为复杂。

２．１设计原则

１）根据河流地形、水文、地质等自然条件，漫滩公路及防护设施应尽量减少对原河床过流能力的影响；须能抵挡５０ａ一遇洪水，设计洪水流量为１９９９ｍ３／ｓ，工程所在流域枯水期为９月—翌年３月，汛期为４—８月，需要在３个月内完成施工。

２）漫滩公路及防护设施工期务必满足总工期要求，同时在漫滩公路保证抵抗设计洪水、防渗、抗腐蚀、抗震等功能的前提下降低工程造价。

３）漫滩公路防护及设施设计断面应满足抗滑、抗剪及抗倾覆稳定要求。

４）大桥属永久性工程，经计算桥墩和漫滩公路的阻水面积占总过水断面的２４．２％，对河道行洪有一定影响，应确保行洪安全。

５）漫滩公路及防护设施对水流有明显挑流作用，分水后水流流速加大会对河槽及工程处河道左、右两岸台地造成冲刷。

２．２漫滩公路防护设施方案比选

拟建公路位置河道中间漫滩宽５５０ｍ，为自然冲积而成的不规则长条状，考虑泥石流、地震等不利因素的情况下，对混凝土护坡（方案１）、Ｃ３０混凝土衡重式桩基挡土墙（方案２）、导流坝（方案３）３种河漫滩公路防护设施方案（见图２）的公路上游淤积、河道行洪安全、防渗、抗滑、抗震、造价、工期等指标进行了分析，比选结果见表２、表３。

方案１虽然施工方便、结构简单、造价低，但护坡长约５５５ｍ，该河流会出现小型泥石流，对护坡冲击较大，易造成护坡破坏，进而影响公路安全。同时护坡上游一定区域易产生淤积，对河道行洪影响较大。另外，工程地处地震带，护坡的抗震性能较差，一旦护坡损坏将直接影响漫滩公路的安全。该方案在泥沙含量少，基础稳定的宽浅型河流更为适宜。

方案２在抵御泥石流冲击和地震破坏方面安全性能最好。缺点是阻水严重，造价高，工期长。在泥沙含量较小的河流，该方案相对于桥梁仍有较大的经济优势，特别是在该方案的基础上在漫滩公路上设置涵洞，可以更好地利用漫滩公路替代桥梁。

方案３充分利用了河道及漫滩的地形，考虑了水流特性，设计了对水流阻力较小的“人”字形导流坝，相对固定了河道上游漫滩的形状，有调治水流和稳定河床的作用。该方案既有效减小了对水流的阻力，又通过导流坝对水流方向进行引导，避免了因加劇河槽冲刷而造成的主流摆动，解决了公路上游区域易产生淤积的问题。导流坝体积较大，对泥石流、地震危害适应性较好，被破坏后易维修。该方案虽然工程量较大，但可利用漫滩中天然沙砾石筑坝，工程造价适中；导流坝和公路可同时施工，工期满足要求。

通过对比分析，综合考虑该工程建筑物布置、现场实际地形地质、水文条件等，选用方案３造价相对较低、安全可靠、对河流影响较小。经估算，该工程利用漫滩公路替代桥梁能降低造价１２６０万元，降低约７８％。

２．３不利影响的解决方案

对河道行洪不利影响的解决方案：加强与上游水电站联系；制定完善的汛期洪水预报、预警方案；若遇到突发性大洪水情况，及时进行交通管制；造成行洪不畅时，将两座桥梁中间路基及导流坝挖除泄洪，待洪水后恢复。

漫滩公路对水流产生一定的阻挡作用，导致其上游一定区域产生淤积，同时水流流速加大会对河槽加剧冲刷，并且泥石流、河水的腐蚀性对桥梁及导流坝危害较大。对此影响的补救措施为：１）增加桥梁基础埋深及安全储备，并采用铅丝石笼对桥梁及导流坝基础进行防护；２）对导流坝及桥梁两侧岸坎例行巡查，并在枯水期及时清淤；３）若发现新建工程范围内河道或岸坎有明显冲刷加剧现象，采用铅丝石笼进行加固。

实际上，在内蒙古鄂尔多斯市著名的“十大孔兑”（多沙支流），经常看到漫滩公路遭到严重水毁，清华大学、北京大学和黄河水利科学研究院等联合主持完成的“宁蒙黄河治理对策研究”，针对性地提出的治理对策是建立黄河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙输导与淤沙堤外处置的“固－阻－输－置”综合防治体系［１］，其中对于“十大孔兑”治理主要是“固－阻”，尤其是要重视黄河“支流泥沙阻截”，在孔兑上无法直接修建大型淤地坝和拦沙坝的条件下，开展修建的“拦沙缓冲保路”试验工程显得颇为必要。在漫滩公路防护坝址设置淹没式透水桩，每根桩套上若干个汽车废旧轮胎，减小透水率的同时对桩的磨蚀加以防护，还能缓解泥石流冲击和地震破坏［１２］。试验表明，该工程因阻水而起缓流作用，对漫滩公路有效防护，同时因工程透水而使细沙淤积速度不大，拦截粗沙及卵石淤积到一定程度后，可清理出来加以利用，如此在季节性多沙河流巧妙拦沙和处置泥沙是其他方案无法取代的，该措施明显加强了拟建工程的基础安全，缩短了施工工期，节省了工程投资，减小了拟建工程对河道行洪的影响。为此，下一步可以利用该技术解决上述拟建漫滩公路可能出现的不利影响问题，俟机大范围推广拦沙缓冲保路工程技术。

３结束语

１）修建跨河公路工程必须以不影响河道安全行洪为基本原则，在不影响泄洪的情况下，还应该兼顾拟建工程的安全，通过合理设计在宽浅型河槽的河漫滩修建垂直于水流方向的公路，用来替代部分桥梁作为跨河公路工程的一部分是适宜的。

２）随着我国综合国力的提升及国防、经济的需要，推动边远山区的交通发展将是未来较长一段时期的任务，在宽浅型河槽合理利用河漫滩修筑公路替代桥梁，对降低跨河公路工程造价有显著效果，能有效解决边远山区交通设施建设资金不足的问题，助力乡村振兴战略的实施。特别对交通量较少的公路，更能突显其性价比，但必须对拟建工程防护设施进行优化设计，科学比选。

３）我国河流众多，水文、地质条件各不相同，有必要在不同的工程中结合实际将现有的技术、方法加以整合。本文针对复杂河流漫滩公路阻水、泥沙淤积、泥石流冲刷、水流冲刷、地震等不利因素，科学合理地顺应河势，设计“人”字形导流坝漫滩公路防护设施，能够有效调治水流和稳定河床，使其达到不影响行洪安全的目的。下一步可以利用“拦沙缓冲保路”试验工程技术，解决上述拟建漫滩公路可能出现的不利影响问题。