以佳芦河为例探析游荡性河流堤防建设方案

刘周华

(佳县河道治理工作中心,陕西 榆林 719200)

佳芦河是黄土高原一条典型的游荡性河流,是陕西“十四五期间”407 个防洪项目重点建设对象之一。现以佳县佳芦河王家砭镇王家寨村段堤防建设为例,对游荡性河流堤防建设进行探析。

1 概 况

佳芦河系黄河中游右岸的一级支流,发源于榆阳区双山乡境内,自西北流向东南,流经榆阳区、佳县,在佳县县城附近注入黄河,全长92.5km,流域面积1134km2,河道比降7.3‰。佳芦河王寨村,控制流域面积183km2,河道长度28.6km,河道平均比降5.92‰。项目河段基本无治理,无工程措施,两岸均为天然岸坎,淘刷、冲刷严重,部分岸坎塌岸,右岸分布有大片耕地,左岸为王寨村聚居地,村委会临河较近,两岸经常遭受洪水侵袭。

2 洪水特性与河道演变

2.1 洪水特性

佳芦河流域洪水由暴雨造成,多发生在夏季,而且多集中在7～8月份。其暴雨特点是季节性强、强度大、笼罩面积小、历时短、时空分布不均。洪水特点是暴涨暴落、历时很短、峰形尖瘦、含沙量高,洪水异常迅猛。如申家湾站1958年7月13日3∶00～3∶40,40min水位上涨12.67m,流量从2.62m3/s增加到3980m3/s。

2.2 河道演变分析

项目区位于佳芦河中游,工程末端距入黄口约48km,地貌单元属河流侵蚀堆积地貌。现状河道宽度45～101m平均比降7.3‰。本次选取了2012年航测卫星图与2021年航拍卫星图图进行套绘对比。通过对比分析,经过近10a的时间,工程段河道没有发生大的摆动,主流基本稳定,个别河段主流有所偏移,但偏移不大。根据本次地勘野外调查和走访当地群众,除2012年7月治理段发生的10a一遇洪水外,自从1971年以来,佳芦河基本没有发生过大的洪水,河床基本稳定,冲刷深度处一般为0～1.0m。因此,综合以上因素,本次分析认为佳芦河王寨段治理河段基本稳定。

3 工程布置与基础埋深

3.1 工程布局

本次治理工程左岸起点位于王寨村北头漫水桥,末点位于王寨村进村大桥处,右岸起点位于佳芦河王家寨村滚水坝下游约300m,末点位于王寨村进村大桥处,末端方塌河支流以上700m范围内也属于本次工程治理范围,本次工程治理河长3.4km。佳县佳芦河王寨村段防洪治理工程治理段落共为3段,佳芦河干流左、右岸分别各1段,方塌河支流右岸1段,方塌河左岸和干流右岸顺接,桩号连续排布。工程治理河长约3.7km。设防标准为10a一遇防冲不防淹,防护工程总长约5.3km,其中左岸1.9km,右岸3.4km。左岸护岸起点接佳芦河王寨村北头漫水桥旁混凝土渠道南岸坎,末端接王寨村进村大桥处已成挡墙。

3.2 堤距确定

本次治理段段落采用10a一遇的防冲不防淹,同时满足5a一遇洪水不出槽,因此不设定最小堤距,岸线布置基本沿天然岸坎布设,不缩窄河道,防洪堤线基本上沿佳芦河深泓线流向随弯就弯布置,尽量利用现状岸坎平顺平缓布设,弯道之间尽量平顺衔接,同时岸顶预留生产道路,并对天然杂乱岸坎进行梳理,总体走向与河势流向相适应。护岸顶高程按5a一遇设计洪水位加0.5m考虑,对局部岸坎杂乱段落进行梳理规整,适当调整[1]。

3.3 基础埋深

游荡性的河流主要是冲刷大,所以堤防建设必须要做好基础埋深。

1)冲刷计算:根据《堤防工程设计规范》冲刷计算考虑水流平行岸坡和水流斜冲岸坡两种工况,进行冲刷深度计算。计算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:hs为局部冲刷深度,m;H0为冲刷处的水深,m;Ucp为近岸垂线平均流速,m/s;Uc为起动流速,m/s,对于黏性与砂质河床,采用公式(3);n为与防护岸坡在平面上的形状有关,取0.25;η为流速不均匀系数,取1;d50为床沙的中值粒径,取0.01mm;γs、γ为泥沙与水的容重,kN/m3。

式中相关参数及冲刷深度计算结果见表1。

表1 护岸工程10a一遇洪水设计流量冲刷深度计算成果表

本次计算王寨段护岸工程冲刷深度在10a一遇设计洪水(Q=520m3/s)情况下计算,冲刷深度计算结果见表2。由表可得,在设计洪水(Q=520m3/s)情况下的最大冲刷深度为1.35m。

2)基础埋深:由冲刷深度计算成果表2可知,拟建护岸段计算冲刷深度为0.88m～1.35m,拟建护岸段计算冲刷深度最大为1.35m,根据冲刷计算结果,考虑工程造价及运用情况,结合工程区抗冲刷及抗冻要求确定基础埋置深度,防洪墙基础砌置深度应在冲刷线以下0.5～1.0m。结合工程区抗冲刷及抗冻、地基情况要求、河道特性以及河道断面演变情况分析及现场调查,同时参考邻近已成工程基础埋置深度,本次治理段护岸段基础置于深泓线以下2.0m[2]。

4 堤防建设方案分析

佳芦河王家寨村堤防工程左岸WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段建设内容为堤防,WZ2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段为护岸工程,现分别给予分析。

4.1 堤防断面设计

结合现状地形地物,针对左岸WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段采用护岸防止塌岸,同时防止洪水对岸坎、坡脚进行淘刷导致岸坡不稳。断面型式可采用墙式断面、坡式断面,墙式坡式结合的断面型式。根据实际地形地质条件,考虑尽量减小开挖,挡墙横断面型式的选择按其稳定性、经济性、合理性等综合因素考虑。拟选择仰斜式浆砌石挡墙和衡重式浆砌石挡墙两种型式进行比较。两种种挡墙断面型式典型断面详见图1、图2,比较分析见表2。从整体稳定、经济合理性、施工条件等多方面综合考虑,推荐采用仰斜式挡墙护岸。

图1 衡重式浆砌块石挡墙断面设计方案

图2 仰斜式浆砌块石挡墙断面设计方案

表2 挡墙断面型式对比表

经过分析比较,WZ2+503.00～WZ2+870.31段、FTY0+000.0～FTY0+715.14段采用M7.5浆砌石挡墙,M7.5浆砌石挡墙式顶宽0.9m,迎水侧坡比1∶0.45,背水侧1∶0.1,迎水侧趾墙为0.8m×1.2m,背水侧趾墙为0.8m×1.2m。浆砌石挡墙设φ75PVC排水管,呈梅花形布置。对护岸顶高程以上的现状岸坎进行削坡处理,挡墙以上坡比为1∶1.5,草皮护坡防护。

4.2 坡式护岸工程设计

本次坡式护岸工程治理范围包括:WZ2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段。护岸护坡应坚固耐久、就地取材、利于施工和维修,不同堤段或同一坡面的不同部位可选择不同的护坡型式。经计算,治理河段内设计洪水情况下断面的平均流速0.71～2.2m/s,而填筑堤防的土料主要为砂砾石,而粉质砂壤土允许不冲刷流速为0.3～0.6m/s,砂卵石允许不冲刷流速为1.0～1.5m/s,黏土允许不冲刷流速为0.6～0.9m/s,均超过了堤身材料的允许冲刷流速,为此须进行护坡处理,以免水流对堤身的淘刷破坏。

结合当地材料,考虑生态等要求,适合该河段的护坡型式有:浆砌石护坡方案、干砌石护坡方案、格宾网砌石护坡方案、连锁块混凝土块护坡方案以及复合式护坡方案。复合式护坡方案要求小流量不冲刷,大流量不破坏。其形式下部为浆砌石护坡,上部为连锁块混凝土块护坡。以上四种护坡形式均能满足堤防护坡要求,但各有优缺点。从造价角度来讲,浆砌石护坡和连锁块与浆砌石复合护坡方案两方案工程造价相差较小,格宾网护坡最贵,连锁块护坡方案稍贵。

从首先满足防洪,其次考虑生态、美观结合的需求出发,选择连锁块与浆砌石复合护坡方案较为合理。从施工角度来说,浆砌石护坡方案施工方便、简单,对堤防压实度的要求较高。而格宾网砌石护坡复杂。连锁混凝土块生态护坡采用标准的连锁块,安装施工方便,但同时对堤防压实度要求较高,安装之前要求平整度要高。

结合佳芦河河岸现状及生态治河理念的要求,按照经济实用、便于施工、满足稳定主槽和管理等要求,Z2+870.31～WZ3+709.02段、WY0+870.00～WY4+254.60段护岸形式选择连锁式生态护坡,其优点为施工方便,透水性好,植草空间大,生态效果好。临水侧坡比1∶2,背水坡坡比1∶2,护滩顶设4.0m宽泥结石路面。堤身采用12cm厚联锁式混凝土砌砖,连锁块下部铺设300g/m反滤土工布一层,下部基础采用M7.5浆砌石基础,基础尺寸为顶宽0.6m,高2.5m,临水侧坡比1∶0.5,趾脚宽0.5m,高0.5m,基础顶高程按多年平均枯水位以上0.5m考虑。顶部采用C20混凝土压顶,尺寸为20cm×30cm。连锁块上进行绿化种植,生态护坡以下采用M7.5浆砌石基础,基础下底宽1.95m,上底宽0.6m,高2.5m。基础底高程为深泓高程以下2.0m。其中干流右岸桩号WY0+870.00～WY2+730.50的岸线沿现有水泥路面边布置,其余段落护岸顶新建3.0m宽泥结石防汛抢险道路,路面设2%横坡。

5 结 语

游荡性的河流特点是冲刷力强,佳芦河王家寨村段具有游荡性河流特性。通过分析探讨,按照现有河岸布设防洪工程和确定堤距,堤防基础埋深为2m,挡墙选用经济实惠抗冲力强的仰斜式浆砌石挡墙,护坡采用生态美观抗冲性强的连锁式生态护坡,通过本次治理,提高河道段的过流能力,保护沿岸村民及耕地免受洪水灾害影响,改善周边生态环境,促进区域经济发展。为佳芦河王家寨村堤防工程建设提供了科学依据。