淺議平溪河李樹至洞坪段河道治理工程設計

楊芳君

(湖南省新晃侗族自治縣水利局， 湖南 懷化 419200)

淺議平溪河李樹至洞坪段河道治理工程設計

楊芳君

(湖南省新晃侗族自治縣水利局， 湖南 懷化 419200)

平溪河李樹至洞坪段經多年水流沖刷，部分臨河護岸難以發揮防洪功用，急需河道治理工程設計。本文依據禾灘水文站實測水文觀測數據，對工程區進行設計洪水計算、設計水面線計算、施工期洪水計算。同時，選定設計基準年為2013年，堤防、護岸工程級別為5級，重點對治導線布置、提防方案選定、重力式漿砌石擋墻斷面設計等河道治理工程設計中的核心內容進行詳細闡述，可為類似工程提供借鑒。

河道治理； 設計洪水計算； 設計水面線； 施工期洪水計算； 治導線布置

1 引 言

平溪河為舞水的一級支流，發源于新晃縣境內天堂鄉鄧營山的龍田，流經天堂、新寨、扶羅、李樹、禾灘、興隆、洞坪、波洲等8個鄉鎮，流域集雨面積595km2，干流全長75.3km，坡降7.6‰。其中，平溪河李樹段涵蓋坪地、紅星、楓木、三江4個村，防洪設施薄弱，受洪澇災害影響嚴重。

平溪河李樹至洞坪段寬窄變化大、彎道多，極易產生沖刷，為保護已開墾農田，兩岸依地勢建有干砌石護岸，漿砌塊石、漿砌混凝土塊護岸。由于部分臨河護岸高度不夠，又沒有采取護坡措施，致使防洪能力降低，經過多年的運行，岸坡沖刷崩塌嚴重，河道泥沙淤積，河床抬高，洪澇災害頻繁，急需河道治理工程設計。

2 水文條件分析

平溪河流域位于湖南省西部，屬副熱帶季風氣候區，春夏暴雨多是空氣活動氣流輻合和地形抬升的綜合作用，常發生局部地區的暴雨和籠罩面積大、持續時間長的暴雨。平溪河上現僅有禾灘水文站具有1966—2011年的實測流量及水位觀測資料，并以此作為工程區水文分析計算的依據。

2.1 設計洪水計算

2.1.1 流域洪水特征

平溪河屬副熱帶季風氣候區，流域洪水主要由暴雨形成，具有山區性河流陡漲陡落的特點。4—9月為汛期，根據禾灘水文站實測資料分析，洪水一般發生在4—9月，其中5—7月出現機會最多，統計其年最大洪水各月發生概率，見表1。

表1 禾灘站年最大洪水各月發生概率統計

從表1可知，洪水主要發生在5—7月，出現概率為79.6%，其中5月最多為34.1%，個別年份年最大洪水發生在4月或10月。1993年禾灘站發生建站以來最大洪水，洪峰流量達1120m3/s，一次洪水過程為43h，洪峰流量已超過30年一遇標準。

2.1.2 禾灘站設計洪水

采用地區綜合頻率曲線法分析計算設計雨量[1-2]時，采用與該流域相近的雨量站資料。經分析，范家鎮、黃前水庫、王大下、下港4個雨量站年最大24h點雨量均值分別為105.8mm、113.1mm、102.4mm、115.2mm，對各站最大24h點雨量進行頻率分析，按照理論頻率曲線與經驗點據擬合較好的原則[3]，Cv分別為0.57、0.45、0.58、0.54。根據規范要求及出于安全考慮，綜合定線時，Cv取0.57，即110.5mm。各雨量站年最大72h點雨量均值分別為131.7mm、136.6mm、125.5mm、135.4mm，對各站最大72h點雨量進行頻率分析，Cv分別為0.54、0.50、0.47、0.53，綜合定線時，Cv取0.53，即133.5mm。

經點面折減換算得到不同頻率設計面雨量，小安門水庫流域面積36.3km2，最大24h、72h雨量點面折減系數分別為0.977、0.987。禾灘站流量實測系列為1966—2011年，實測系列經驗頻率按式(1)計算：

(1)

式中m——實測系列序號；n——實測洪水系列長度(n=44年)；Pm——實測系列序號為m的經驗頻率。

計算成果見表2。

表2 禾灘站設計洪水成果

2.1.3 控制斷面設計洪水

由于工程河段延伸較長，有八世溪、磨溪、面溪、茶園腳溪、洞坪溪等支流匯入，根據支流匯入及集雨面積沿程變化情況，選取8個控制斷面，分別計算其設計洪水，各控制斷面具體情況見表3。

將禾灘站設計洪水按面積比的n次方搬移至工程各控制斷面[4]，即求得各控制斷面設計洪水，面積比n指數采用經驗值2/3，計算成果見表4。

表3 控制斷面具體情況

表4 工程控制斷面設計洪水成果

2.2 設計水面線

平溪河李樹段、新寨段及支流八世溪河段河床主要為砂礫石、卵石，河床面不平整，有凹凸狀，兩側岸壁長有雜草。設計推求工程河道水面線，根據河道實際情況查《水力計算手冊》及該區類似工程經驗，得工程區河道糙率。

表5 平溪李樹至洞坪段起始斷面設計洪水位成果

以平溪4+900、平溪41+050、平溪57+200斷面為洞坪段、李樹段、新寨段起始斷面，采用水面曲線法，向上推求各斷面設計洪水位。水面線推算中計入沿程水頭損失，彎道、斷面收縮、擴散以及各橋梁等阻水建筑物局部水頭損失。

2.3 施工期洪水計算

平溪河李樹至洞坪段治理工程永久建筑物設計等級為5級，根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)，工程導流建筑物均為5級建筑物，導流標準為3～5年一遇洪水。根據禾灘站實測資料統計，求得禾灘站分期洪水系列。采用面積比的2/3次方將禾灘站設計洪水搬移至工程河段各控制斷面，即求得各控制斷面相應時段的分期設計洪水成果，見表6。

表6 平溪河9月至次年3月分期設計洪水成果

根據實測平溪河縱橫斷面，采用能量方程，求得平溪李樹至洞坪段施工期洪水水面線。

3 工程建設設計

3.1 設計依據與標準

將鄉村、鄉鎮防洪與流域治理相結合，工程措施與非工程措施相結合，以恢復行洪、保護岸坡為主，因地制宜、綜合治理，既要以流域規劃為依據，又要密切結合鄉鎮建設總體規劃。洞坪鄉、李樹鄉、新寨鄉屬一般鄉鎮，防護標準為10年一遇。

平溪河李樹至洞坪段治理工程的設計基準年為2013年，近期設計水平年為2015年，遠期規劃水平年為2020年。根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)，堤防、護岸工程級別為5級，相應的穿堤建筑物涵閘、交通閘等按5級建筑物設計。

3.2 治導線布置

3.2.1 布置原則

a. 對原河堤岸不做大的調整，保持原河勢流態，修整局部不順暢河段，使治導線平緩連接，與大洪水的主流線大致平行，以利行洪。

b. 堤距滿足河道行洪要求，盡量少抬升原河道水面線，充分利用有利地質、地形條件，盡量減少地基處理、土方填筑、占地及房屋拆遷。

c. 充分考慮河岸交通道路的順暢布置和整體美觀協調。

d. 堤防、護岸在保證穩定、安全的前提下，盡量利用當地材料，力求經濟、美觀。

3.2.2 布置方案

按照堤防、護岸布置原則，在1/1000地形圖上進行治導線布置，根據平溪河流域各河段自然地理條件，堤防、護岸工程沿平溪河流域各河段沿河兩岸修建，工程措施基本沿河岸走線，與大洪水的主流線大致平行，對沿岸阻礙行洪的地段適當進行削坡取直，使工程修建后的河岸平順。

3.2.3 治導線距確定

平溪河流域各河段兩岸基本無堤防保護，項目保護區內堤防治導線距確定遵循原則包括：上游、下游左右兩岸統籌兼顧考慮，結合當地社會經濟的發展，考慮現有水文資料系列的局限性。

根據治導線距、護岸布置原則及現狀河道斷面實測資料，結合河勢變化、沿河兩岸地形條件兼顧鄉村發展等，以工程興建后不致水面線產生壅高為原則，經計算確定最小治導線距。設計擬定最小堤距成果見表7。

表7 平溪李樹至洞坪段設計擬定最小堤距成果

3.3 堤防方案選定

3.3.1 堤防型式選擇原則

a. 居民密集區主要采用重力防洪墻，堤防拆遷占地較小。

b. 居民較少、地形平坦區主要采用坡式堤防，在原有較緩岸坡上修建坡式堤防，經濟、簡便。

c. 當新修坡式堤防受地形限制，或者土料料場距離太遠時，采用重力式防洪墻。

d. 滿足生態、環保要求。

3.3.2 堤防型式選擇設計

結合李樹鄉規劃，根據工程所在地地形、地質條件，依據堤線布置，考慮行洪影響，結合當地建材，通過技術經濟比較，分段確定。

李樹鄉左岸部分河段防洪標準為10年一遇，現有地面已超過防洪高程，結合現有規劃，修建防洪堤。原有直立式漿砌石擋墻長432m，墻身結構較新，從節約投資的角度出發，利用部分原有擋墻加高達到防洪標準。其余需新修堤防工程段地勢開闊且不存在拆遷，局部為保證與原河岸擋墻銜接決定采用重力式防洪墻。

對典型堤段，進行土堤和重力式擋墻兩種方案比較。最后選擇重力式漿砌石擋墻作為推薦方案，其優點包括：占地少、充分利用開挖土料、施工容易、符合李樹鄉用地規劃。

3.3.3 設計堤頂高程

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)的規定：頂高程按設計洪水位加頂超高確定。頂超高值按以下公式計算：

(2)

式中Y——頂超高，m；R——設計波浪爬高，m；e——設計風壅水面高度，m；A——安全加高，m，5級堤防取0.5m。

風浪要素計算：

(3)

(4)

式中V——設計風速，按計算波浪的風速確定；F——風區長度，m；d——水域平均水深，m；e——計算點風壅水面高度，m；K——綜合摩阻系數，取3.6×10-6；β——風與垂直于堤軸線的法線夾角。

波浪爬高計算：

當m=1.5～5.0時，計算公式為

(5)

當m≤1.25時，計算公式為

(6)

KD——斜坡的糙率及滲透性系數，取KD=0.9；

KV——經驗系數；

KP——爬高累積頻率換算系數；

m——斜坡率；

L——堤前波浪的波長，m。

計算堤防的安全加高值為

y=RP+e+A=0.042+0.002+0.5=0.542m

考慮到平溪河流域各河段為山區小河流，故安全加高值取5級堤防的安全超高值0.6m。

3.4 重力式漿砌石擋墻斷面設計

平溪41+300斷面防洪堤為重力式漿砌石擋墻型式，墻高5.38m，頂寬1.0m，底寬2.57m，迎水面坡比1∶0.25，背面垂直，基底順直，設置10cm的C15混凝土墊層。堤頂無通車要求，墻后用1∶1.5的土坡與堤頂相接，設置400mm×500mm排水溝。

重力式漿砌石擋墻的穩定原理是通過墻體自身重量來維持擋墻在土壓力下的穩定。根據地勘試驗資料，堤防穩定分析計算中，巖石和土的物理力學指標取值包括：砂卵石地基允許承載力250kPa，摩擦系數f混凝土/巖=0.35。重力式擋墻計算截面簡圖如下圖所示。

重力式擋墻計算截面簡圖(單位：mm)

根據堤防運行情況，計算工況選定正常運行情況和最危險的外河洪水驟降情況。

抗滑穩定計算：

(7)

式中Kc——抗滑穩定安全系數； ∑W——墻身自重、土重等垂直荷載及基底面上揚壓力總和；

∑P——土壓力、水壓力等水平荷載總和；

f——基底面與砂卵石基礎間的摩擦系數，取0.35。

正常運用條件：[KC]=1.15；非常運用條件：[KC]=1.05。

抗傾覆穩定計算：

(8)

式中K0——抗傾覆穩定安全系數； ∑MV——作用于墻身的各力對墻趾穩定力矩；

∑MH——作用于墻身各力對墻趾的傾覆力矩。

正常運用條件：[K0]=1.40；非常運用條件：[K0]=1.30。

基底壓應力計算：

(9)

經計算，基底最大應力δmax=226kPa<250kPa，基底最小應力δmin=85kPa?；鬃畲?、最小應力均滿足要求。通過抗滑穩定及其基底應力分析計算，堤防工程均可選擇砂卵石基礎。

4 結 語

平溪河李樹至洞坪段經多年水流沖刷，部分臨河護岸難以發揮防洪功用，急需河道治理工程設計。本文依據平溪河禾灘水文站1966—2011年的實測流量及水位觀測資料，對工程區進行水文分析計算。統計水文站長系列數據，判定平溪河洪水5—7月出現概率最大，并采用地區綜合頻率曲線法對禾灘站設計洪水進行計算。根據支流匯入及集雨面積沿程變化情況，選定8個控制斷面，分別求得各控制斷面設計洪水。根據斷面實測成果，采用水面曲線法，推求各斷面設計洪水位。根據面積比的2/3次方將禾灘站設計洪水搬移至工程河段各控制斷面，求得各控制斷面相應時段的分期設計洪水成果。

治理工程設計基準年為2013年，根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)，選定堤防、護岸工程級別為5級。本文重點對治導線布置、提防方案選定、重力式漿砌石擋墻斷面設計等河道治理工程設計中的核心內容進行詳細闡述，可為類似工程提供借鑒。

[1] 張寶森,郭全明.黃河河道整治工程險情分析[J].地質災害與環境保護,2002,13(3):1-5.

[3] 彭瑞善,李慧梅.小浪底水庫修建后已有河道整治工程適應性研究[J].人民黃河,1996(10):30-33.

[4] 喻剛.河道治理工程中的新思路[J].上海水務,2008(1):51-52.

On design of river governance engineering of Pingxi River from Lishu to Dongping Section

YANG Fangjun

(Hu’nanXinhuangDongAutonomousCountyWaterConservancyBureau,Huaihua419200,China)

Pingxi River from Lishu to Dongping Section suffers from water scouring for many years. A part of riverside revetments cannot play the role of flood control easily. It is urgent to design river channel governance engineering. In the paper, designed flood calculation, designed flow profile calculation, and construction period flood calculation are implemented in the engineering area according to measured hydrology observation data of Hetan hydrological station. Meanwhile, the designed benchmark year is selected as 2013. Dike and revetment engineering level is 5. Core contents in river governance engineering design are described in detail mainly, including regulation line layout, embankment plan selection, gravity slurry masonry retaining wall cross section design, etc., thereby providing reference for similar projects.

river governance; designed flood calculation; designed flow profile; construction period flood calculation; regulation line layout

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.014

TV85

A

2096-0131(2017)06- 0053- 06