河床演变分析及危段河道综合治理技术

金海慧

(甘肃省水务投资有限责任公司,甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

某河是某县境内第2条大河，发源于祁连山冷龙岭北坡，全长61公里。该河某沟为某河的支流，位于某河右岸的毛家庄村，流域面积33km2，河长10.3km。某河治理段位于水库下游40km处，两岸均为耕地、村庄、输水渠等，河道左岸有浆砌石丁坝11座，丁坝对河岸只是局部防护作用，整体防护能力较弱。河道左岸为凹岸，河道主流总体偏向左岸，造成左岸岸坎滑塌，洪水侵蚀农田、道路及渠道等基础设施。由于年久失修，河床冲刷下切严重，两岸坍塌，行洪不畅，两岸向外侵蚀严重，严重威胁左右两岸耕地和群众生产生活。

2 防洪工程现状及存在的问题

2.1 防洪工程现状

该河左右两岸现状为天然砂砾石岸坡，河岸边有乡村公路和输水干渠，冲刷较严重，岸坎塌陷，向外侵蚀严重。该河某沟治理段由于年久失修，河床冲刷下切严重，两岸坍塌，向外侵蚀严重，严重威胁左右两岸耕地和居民生产生活。

2.2 存在的主要问题

(1)防洪体系不健全，防洪标准低。治理区防洪能力差。未治理河段现状基本无防洪设施，未能形成统一的河道防洪系统，岸边居民及农田遭受严重洪涝灾害的威胁。

(2)河流规划和前期工作滞后。已有前期工作不能满足河流治理和管理的需要，难以有效指导近期河流的治理和保护。

(3)投入严重不足，问题日益突出。长期以来，中小河流治理缺乏投资机制和渠道，治理资金严重不足。使中小河流面临的问题日益突出。

2.3 工程建设的必要性

(1)工程建设是保障两岸居民生命财产安全的需要。

(2)工程建设可以治理水土流失，改善生态环境。某河河道纵坡大，暴雨洪水冲刷破坏严重，生态环境日趋恶化[1- 3]。

(3)工程建设是整理河床、保护穿河基础设施的安全需要。工程建设通过防洪堤建设等工程措施，达到疏通河道、固定河槽的作用，安全下泄来洪并保护各类基础设施安全。

(4)改善居民生活环境、建设美丽乡村的需要。

综上所述，为了提高工程区整体防洪能力，确保工程防护区在设计洪水标准下不受洪水侵害，保证防护区的度汛安全，确保该县社会经济可持续发展，建设完善的防洪体系，保护居民的生命财产安全，刻不容缓。

2.4 治理原则

河道治理在综合性原则，协调性原则，自然性原则，经济性原则的基础上满足防洪、排涝及引水等河道基本功能，通过人工修复工程措施促进河道水生态系统恢复，构建健康、完整、稳定的河道水生态系统环境[4- 7]。

3 工程建设任务和规模

3.1 工程建设任务

结合本工程的实际，通过修建堤防等工程措施，保障1.35万人的生命财产安全，保护耕地约1.2万亩，保护交通道路、水利设施及其它建筑物在设计洪水标准下不受洪灾侵害。

3.2 治理范围

该河某沟河道治理为保护治理段两岸耕地，治理河段长1.307km，新建堤防2.088km，其中左岸1.044km，右岸1.044km；某河段堤防工程为某河右岸和某河左岸永新公路下游总长3.505km，新建堤防3.505km，其中该河右岸规划堤防为第一段，从六支渠到八支渠下游长2.360km；该河左岸规划为第2段堤防工程。

4 近期河道演变分析

4.1 造床流量

中小河流的造床流量按2年一遇的洪峰流量计算比较合理[8- 10]。故河道造床流量采用2年一遇洪水流量，见表1。

表1 2年一遇洪水流量表

4.2 稳定河宽计算

(1)

式中，A—稳定河宽系数；J—河道纵比降；Q—流量；B—稳定河宽。计算结果见表2。

从计算结果看，项目区某河第1段稳定河宽在17.31～18.65m之间，平均稳定河宽17.92m，第2段稳定河宽在17.29～27.06m之间，平均稳定河宽19.59m，现状河道宽度在172.62～521.52m之间，本次治理以单侧防护为主，由于稳定河宽相对较小，现状河床相对较宽，故按最小河宽不小于23m控制。该河某沟段稳定河宽在4.06～5.81m之间，平均稳定河宽5.21m，现状河道宽度在7.50～42.57m之间，由于该河某沟沟槽较陡，稳定河宽及现状河宽相对较小，故本次治理宽度确定河宽为8.5m。

表2 治理河段稳定河宽计算结果

4.3 河道稳定性分析

4.3.1纵向稳定性分析

治理河段纵向冲淤变化基本稳定，定量分析需计算河道纵向稳定系数和河床稳定比降[11- 12]。纵向稳定系数采用希乐兹公式或洛赫金公式计算：

希乐兹公式

(2)

洛赫金公式

(3)

式中，d—床沙平均粒径,mm(某河15mm，该河某沟20mm)；h—平均水深,m；J—纵比降,mm/m。计算结果见表3。

4.3.2横向稳定性分析

河道横向稳定系数计算公式为：

(4)

(5)

式中，Q—平滩流量;J—纵比降；b—枯水河宽。

横向稳定系数0.18≤φb1≤1.5，0.09≤φb2≤0.8，河床纵向较稳定，但由于河道没有明显的枯水河槽，系数φb2相对较大，其主要原因是项目区段河床大部分宽浅式，河道摆动。该河某沟治理段河道总体态势较不稳定。

4.4 河相关系

河相关系是河流水力计算和河道整治的依据，由于河床形态常处于变化过程之中，故河相关系数亦是相对均衡。项目区各段的沿程河相关系采用阿尔杜宁公式：

(6)

表3 治理河段纵向稳定系数

式中：ξ—河相系数；B—平滩水位时河宽；h—平滩水位时平均水深；m—系数，对于平原区河段取0.5。计算结果见表4。

根据计算数值，河岸不冲和难冲的河流河相系数值3～4，平面稳定的冲积河流河相系数值8～15，河岸易冲的河流河相系数值15～20。从表4可知，项目区河段河相系数偏大，某河治理段河道摆动趋势大，该河某沟治理段有摆动趋势。

5 河道治理工程

5.1 堤防工程

某河河道总体较宽浅，洪水期水深较小，两岸有高低不等的陡坎，河道沿岸均为耕地、林地、村庄及设施农业，根据河道设计流量及河道过流能力，及两岸地形条件，拟提出两种防洪堤形式进行比选，本着经济合理、技术可行的原则确定堤防断面形式[13- 14]，如图1—2所示：

通过方案比选，2种防洪堤断面型式均能满足河道防洪要求，方案一有占地少、抗冲性强、稳定性高等优点。缺点是断面较大，工程量大，造价较高。该方案多适用于河道狭窄，易受水流冲刷的河岸地段，其结构多采用现浇砼或浆砌块石砌筑，稳定性好，但墙身断面较大，工程量大，对基础条件要求高。方案二坡式防洪堤适应于滩地河床填方堤坝，具有结构简单，施工工艺不复杂，维修养护较容易，工程量小、造价低等特点，目前斜坡堤多用作江、河的防洪堤。当地有较丰富的砂砾石料及块卵石料，部分淤积河段滩地或河岸局部凸出河岸开挖的砂砾石可用来填筑河堤，筑堤材料能就地取，根据总体方案布置，本次设计某河推荐方案二坡式防洪堤方案。2种方案工程量、投资情况比较见表5。

表4 治理河段河相系数计算结果

图1 方案一：砂砾石堤身仰斜式挡土墙护面横断面

图2 方案二：梯形断面坡式防洪堤典型横断面

5.2 生态格网结构护面与砼护面设计

根据选定的断面型式，防洪工程采用碾压砂砾石梯形断面堤防，某河河道漫滩平坦，采用生态格网结构护面堤防。该河某沟治理段河道狭长，平均宽度3m，纵向比降大，河床冲刷下切严重，故两岸采用C20现浇砼护面堤防，河床采用M10浆砌石固定。

某河段新建生态格网结构护面提防均采用夯填砂砾石土堤，迎水面采用格宾垫生态护面[15- 16]，厚度300mm，基础为梯形结构，厚度0.5m。堤防临水面均采用绿滨垫石笼护砌，下面铺设反滤土工布一层，规格300g/m2，起到反滤防冲的作用。绿滨垫堤防防护厚度由下列公式计算确定：

(7)

(8)

t=2.0Dm

(9)

式中，t—绿滨垫的最小厚度；Dm—填石的中值粒径，50%的填石粒径超过该值；S—粒径安全系数，取1.2；Cs—填石稳定系数，取0.1；Cv—流速分布系数，取1.25；d—流速V处局部水深；γs—填石的重度；γw—水的重度；V—断面平均流速；g—重力加速度；Kl—边坡修正因子，边坡1∶2.0取0.88；R—水力半径；b—水面宽度。

经计算，绿滨垫的最小厚度t=0.189m。依据绿滨垫常用规格尺寸，考虑施工因素、生产厂家技术要求及已建工程经验，绿滨垫的厚度取0.3m，绿滨垫规格为长2.0m，宽1.0m，高0.3m。工程区治理段堤防考虑了施工难度、冻融循环、抗腐蚀耐久性等综合因素，采用C20砼堤防厚度采用20cm，如图3—4所示：

6 河道综合整体效果

对该河治理段河槽进行疏浚整理，经实地踏勘，某河变更段河床散乱，变更设计疏浚整理。河槽整理横断面呈中间低，两岸高的宽浅式梯弧形断面，两岸设计堤脚处整理后的地面高程较河槽中心高程(设计深弧线)高1.0m。整理河槽纵向坡比1/100～1/200之间，使河道内洪水能够全部泄出。

河道经过堤防工程治理、生态格网结构护面与砼护面治理以及河道疏浚治理后还需进行绿化带治理措施，在河道护堤以外种植灌木和草本植物或者景观树为主的植物，形成具有层次感、多彩不单一的生态绿化带。生态绿化带是河道的一个污染拦截系统。

表5 每单位新建防洪堤工程量、投资比较表 单位：万元

图3 生态格网结构护面典型横断面

图4 C20砼护面典型横断面

7 结语

通过本工程的实施能够提高危段河道的防洪能力，改善生态环境。河道经过综合治理工程后不仅能有效提高该河的设防标准，恢复和强化河道行洪、排污等综合功能、稳定河势、改善水环境，适应河道的自然性、安全性的要求，同时使周边居民的生命财产安全得到保障。但是河道治理目前面临的主要问题不单纯是设计施工问题，要想体现人与自然和谐相处的治水理念，实现自然生态系统和社会经济系统的良性循环，提高大众的环保意识才是重中之重。