流沙河移民安置防护工程抗冲刷设计研究

2013-09-05杨昌定

水电站设计 2013年1期

关键词：流沙河隔墙河床

杨昌定，陈林，石新

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 流沙河防护工程简介

流沙河移民安置防护工程是一项移民安置工程，工程建设任务是通过流沙河整治开发土地安置移民，兼有防洪等综合效益。

流沙河移民安置防护工程范围为两河乡富康村1组～九襄镇民簇村3组，整治河段河道总长约15km。移民安置后，流沙河整治河段总人口约2.9万人，总耕地面积约0.147万hm2。

根据工程项目区的地形地质、河道走向、河道现有堤岸及移民安置规划，采用归顺河道，单边堤、双边堤及护岸相结合的堤岸防护形式，开发河滩地，满足移民生产安置用地需要。工程布置防护堤堤线总长20.627km，其中左岸堤线长11.493km，右岸堤线长9.134km;新增耕地面积128.6hm2。

2 流沙河河流特性

流沙河是大渡河中游左岸的一级支流，发源于扇子山东麓，整个流域位于汉源县境内。本流域北面以大相岭和青衣江分水，南面以鸡冠山与大冲河为界，分水岭最高海拔高程4 021m。流域走向大致为西北～东南向，略呈扇形。流域除四周靠近分水岭地区为山区地形外，大部为深、浅丘地貌，中、下游干流沿岸有少量平坝。流沙河流域面积共计1 150 km2，主河道河长71.0km。

流沙河防护工程河段，上起九襄镇民簇村，下至两河乡高富康村，左岸至九宜公路以下，右岸与任家湾集中安置区相接，幅员面积12.24km2。工程区地层内基岩埋藏深，堤基地层由上至下为第四系冲洪积含漂砂卵石与侏罗系中统遂宁组强风化的砂岩夹泥岩。经勘探揭示，堤基0～2.3m为稍密卵石，2.3m以下为密实卵石层，其压缩性低、变形小，承载力和变形满足筑堤要求。

流沙河属于典型的山区多泥沙河流，其特性有如下4点:

(1)流沙河防护河段属典型游荡型卵石河床，河道平均纵坡13.3‰，河道宽阔，河势弯曲且十分不稳定，河槽多变、弯曲、分叉。河滩地不稳定，经常被洪水冲毁。小水坐槽，大水漫滩，受洪水冲积，形成多处小沙洲，加剧了河床及河槽的不稳定。

(2)防护河段内支沟汇入较多，汇入流量较大，河床演变特性异常复杂。在工程防护范围内(约15km)，较大的支沟约有8条，其中田嘴河等5条为泥石流沟(见表1)。各支沟产、汇流参数及流量参数见表 2、3。

(3)流沙河流域内大部为深、浅丘地形，处于大相岭的焚风区，气候较干燥，岩体风化较严重，导致流域内冲沟发育，暴雨强度大，水土流失较严重，泥石流活跃。

据统计，流沙河多年平均悬移质年输沙量121万t，多年平均含沙量1 910g/m3，输沙量年内分配极不均匀，主要集中在汛期(6～9月)，占全年输沙量的94.2%;其中8月份输沙量最大，占全年输沙量的42.3%。

(4)流沙河洪水过程一般为单峰，洪水陡涨陡落，洪水历时一般不超过一天，加之河道坡降较陡，洪水时挟沙量较大，造成洪水流速大、挟沙量大、冲刷能力强。本工程实施前，流沙河亦曾经历多次整治，但效果均不佳，究其缘故，大多为河水淘刷防护工程基脚，导致防护工程坍塌。

表1 流沙河移民安置防护工程河段较大支沟泥石流特性

表2 工程区河段较大支沟流域特征值及产、汇流参数

3 防冲设计

3.1 原防冲设计方案

根据堤防布置河段的地形地质条件和当地天然建筑材料的实际情况，以及河道冲刷计算结果，为在满足防洪需要的前提下，尽可能增加新增耕地面积、提高工程经济效益，同时其结构型式要尽可能适应建筑物区的地形地质条件，达到使工程安全可靠、便于施工和节省工程投资等目的，原防冲设计方案选取了三种方案进行比较，即:

方案一:浆砌块石护坡的碾压砂卵石堤。

方案二:上部采用浆砌块石护坡，下部采用重力式浆砌块石挡墙堤。

方案三:重力式浆砌块石挡墙堤。

方案一投资最小，方案三投资最大，但方案一块石用量最大，而本工程块石料场较远且储量有限;方案二的防淘刷效果优于方案一;方案二相对方案三投资小、基础处理简单、适应地基变形能力较大、施工方法简单;方案三开挖断面相对较大，虽抗冲能力较好，造地面积较大，但对地基要求较高，块石用量相对较大。通过综合分析，流沙河移民安置防护工程原防冲设计方案推荐采用方案二，即以上部浆砌块石护坡、下部重力式浆砌块石挡墙作为防冲方案，并对河槽疏浚，将河道规整为复式河槽。

表3 工程区河段较大支沟设计洪水成果 m3·s－1

护脚设计防冲刷深度H，可按局部冲刷深度hB+安全余度确定，即H=hB+A，依据GB50286－98《堤防工程设计规范》附录D2.2－1之公式及《水力计算手册(第二版)》，局部冲刷深度采用下式计算:

式中 hB——局部冲刷深度，m;

hp——冲刷处水深，以近似设计水位最大深度代替，m;

Vcp——平均流速，m/s;

V允——河床面上允许不冲流速，m/s;

n——与防护岸坡在平面上的形状有关的参数。

依据防护后的河道水流条件、河床泥沙条件等，计算出防护河段冲刷深度在2.49～4.28m之间。依据各个断面的冲刷深度，考虑0.5m的安全余度，作为设计冲刷深度H，确定各个断面防护堤护脚尺寸。

考虑到流沙河洪水期挟沙量大，淘刷能力强，在护脚墙前开挖断面处平铺两层1m×1m钢筋铅丝石笼，钢筋铅丝石笼上碾压回填河堤开挖料。

防护方案断面见图1、2。

图1 防护堤典型断面

图2 防护堤护脚典型断面

3.2 修复设计防冲措施

2009年流沙河防护堤白鹤集镇段，因河道演变使得河床频繁冲刷。为了减少河床冲刷对防护堤基地带来的安全隐患，尽量固化河道纵坡及主流方向，在白鹤集镇段修建了3个横隔墙(间距500m)及四面体混凝土块(单个重3t)护脚。经过2010年汛期的运行，横隔墙固化河床的效果较好;但由于横隔墙基础较浅、间距较大、四面体较小等原因而受到不同程度的破坏。

根据2009、2010年两个汛期洪水对防护堤损毁的不同位置和不同程度及横隔墙的运行效果，考虑一固一防的防冲措施对原有的流沙河防护堤损毁段防冲设计进行了改进:

一固:采用横隔墙以固化河床，以稳定河道底坡，减少河道的一般冲刷。横隔墙的间距取250m;横隔墙断面采用梯形设计，顶宽80cm，底宽5.0m，上游坡比1∶0.6，下游坡比1∶0.2，顶部采用两个圆弧，墙身上部采用C25钢筋混凝土(钢筋保护层厚度取10cm)，墙身下部采用C20埋石混凝土。

一防:采用四面体作为减少局部冲刷的措施。在流沙河弯道冲刷较为严重的部位采用四面体护脚，四面体底边长2.0m、顶边长1.5m、高1.5m，单个重4.8t。

3.3 损毁前后防冲措施对比

流沙河防护工程施工完毕后，连续经历2年雨季的洪水考验，防冲措施均有不同程度的损毁。破坏的主要原因为超标准洪水，即最大洪水超过防护工程的设计标准10年一遇。除此之外，还有以下2方面的原因:

(1)由于该河道的特殊性，河道的游荡及冲淤变化致使河床高程普遍下降，导致防护堤基础挡墙埋深变浅，冲刷深度不够。

(2)流沙河洪水期挟沙量、挟沙粒径和洪水期流速(最大断面平均流速4.49m/s)均较大。这种特性的河流中洪水挟带推移质对钢筋铅丝等抗冲材料的撞击较强，极易破坏钢筋铅丝类的抗冲骨架，随即骨架中的石块等防冲材料被冲毁，导致整个防冲措施失效。

由于以上原因，在类似流沙河这种山区多沙游荡性且洪水期挟沙粒径大的河流采用原防冲设计方案将会有以下不足:

(1)流沙河原防冲设计方案虽做了防冲基础和河道整理，但河床未固化，在经过2年洪水期的运行，洪水挟带大量泥沙冲向下游，致使河床平均高程下降2m，最大河段下降3m左右，因此在修复设计中采用横隔墙防冲措施，以固化原有河床，使河床达到冲淤平衡纵坡。根据流沙河已修工程运行结果及实测资料，在河床达到冲淤平衡纵坡时的间隔为220m左右，因此在修复设计防冲措施中考虑一定的经济性将横隔墙的间隔取为250m。

从2009年修建的横隔墙运行情况看，横隔墙上部结构破坏较为严重。为增加横隔墙顶部的抗冲性和尽可能保持河床固化高程，防止局部破坏缺口对整体的影响，在修复设计防冲措施横隔墙上部采用C25钢筋混凝土(钢筋保护层厚度取10cm);且横隔墙下游冲刷较为严重，冲刷深度很大，为保证横隔墙安全稳定，在修复设计防冲措施中横隔墙下游设置长6m、厚80cm的钢筋混凝土护坦。护坦尾部用大块石回填(粒径不小于80cm)，护坦两侧与原基础挡墙齿墙连接，防止挡墙基础淘刷。修复设计防冲措施典型横断面及纵断面见图 3、4。

图3 河床横隔墙横剖面

图4 河床横隔墙纵断面(半剖面)

(2)原防冲设计方案中钢筋铅丝石笼中的钢筋铅丝极易被洪水中的推移质砸断，使整个防冲设施失效。长江中下游较常采用的是四面体透水框架。其作用原理为通过改变水流形态、流速，实现水流由冲刷到淤积的转变，是一种主动型防淘刷设施。对于流沙河这种多泥沙的河流，洪水期水流中往往挟带有大粒径推移质，在水流作用下，四面体框架承受不住大粒径推移质的撞击而被破坏。钢筋铅丝石笼中钢筋铅丝骨架的破坏机理也与此类似。因而笔者认为在修复设计防冲措施中采用埋石混凝土四面体作为抗冲措施，通过改变洪水水流形态、降低流速、增加抗冲击性，具有较好的防冲能力。