史灌河险工浅析与治理实践

蒋 刚 陈庆括

史灌河险工浅析与治理实践

蒋 刚 陈庆括

一、史灌河概况

史灌河为淮河南岸最大的支流，流域面积6895km2，流域上游为山区，中游属丘陵区，下游为平原。从整体上看，史灌河为宽浅式游荡性河道，砂质河床结构松散，透水性强，抗冲能力低，险工多发。据2012年统计，史灌河右岸堤防蒋集～幸福闸共长32.95km，险工段长17.4km，占堤防总长度52.8%，部分堤段如任台～秦后楼、柿园～新台、丁营～后寨等段险工基本连成一片，且均已冲至堤脚。史灌河险工成为史灌河防洪工程体系的最大威胁，虽大多已有防护工程，但长远看不能脱险，也是历次工程建设中的重点之一。

二、史灌河险工成因分析

1.地质条件复杂，对抗冲不利

河床及堤基堤身岩性为结构松散的细砂、砂壤土、中细砂等无粘性土，抗冲能力极差，在迎流顶冲段、主流靠岸段引起冲刷和侧蚀，造成岸坡崩坍，滩地变窄向堤脚靠近，直至冲蚀堤脚堤身形成险工。这类险工是史灌河主要部分。

2.河槽游荡造成主流与堤脚形成大夹角冲刷

史灌河河道较宽阔，主流游荡不定，往往直冲堤防，致岸坡快速崩塌形成险工，如高台险工、孟小桥险工、桥沟小学险工、倒庙险工、老李集险工等。

3.受河道断面、堤防转角等不利影响

史灌河河道宽度变幅较大，局部河道收窄后束流致主流靠边，导致堤岸淘涮形成险工，如陈台险工、老猫套险工；史灌河堤防系在原有生产堤基础上不断加固而成，堤线较弯曲，转角处顶冲水流形成险工，如李小庄险工、大觉寺险工等。

4.人为因素影响

主要是无序采砂形成砂丘砂坑，改变主流流向导致顶冲，采砂坑靠近堤防导致险工，此类险工在史河中、上游常见；工程治理取土取砂造成堤脚坑塘、浅沟，洪水冲刷形成堤脚“二道河”，如史灌河右堤潘庄、付寨段险工；工程治理措施不当未能兼顾上下游左右岸，如柴营丁坝过高过长，大水时强烈挑流导致对岸孟小桥险工（已护）水毁、发展等。

三、史灌河险工特点

一是破坏形式以岸坎、堤脚崩塌为主，治理需工程量大。

二是发展快、崩塌剧烈。由于河床抗冲能力差，一旦形成顶冲或主流靠边，往往一个平水年份即可冲蚀岸滩3～5m，顶冲点处可冲蚀10m以上，2～3年即严重危及堤身。

三是出险突然，较难预见。史灌河主流在两堤间摆动，河床中一个砂丘，一处新生生物障均可导致流向改变、顶冲堤岸形成险工。如2002年石营险工在一个枯水期受砂丘影响即发展200m，后又于2005年因主流折向，一次中等洪水即全部淤积而脱险。由于水流顶冲点随冲淘进程上下游移，造成险工段较长，冲刷深大。

四、护岸护坡工程结构设计

1.防护型式选择

河道险工防护型式常用有两种，即丁坝与平顺护岸。史灌河河床抗冲能力差，采用丁坝后主流在左右堤岸间往返折冲，容易失去控制，因此史灌河险工处理以平顺防护为宜。平顺护岸布置遵循以下原则：（1）防护线路尽量顺应水流方向和堤岸走向，保持平滑顺直；（2）兼顾左右岸，避免过分挑流或发生漩涡；（3）兼顾上下游，与现有防护工程合理衔接，使整个防护段浑然一体。

2.护岸固基结构设计

史灌河险工处理工程实践证明，铅丝笼抛石固基形式防护效果较好，施工简单，质量易控制，今后一个时期仍将是史灌河险工固基处理的主要形式。

（1）由于险工护岸破坏大都是由基础埋置深度不足造成，故铅丝笼抛石固基设计的重点是根据水流的局部冲刷深度确定抛石基础埋置深度。《堤防工程设计规范》（GB50286-98）规定，水流平行于岸坡产生的冲刷深度按《规范》中式（D.2.2-1）计算。

式中：hB——从水面起算的局部冲刷深度（m）；

hp——冲刷处的水深（m），以近似设计水位最大尝试代替；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，取n=1/4。

水流斜冲岸坡产生的冲刷深度按《规范》中式（D.2.2-2）计算。

计算公式：

式中：△hp——从河底算起的局部冲深（m）；

a——水流流向与岸坡交角（°）；

m——防护建筑物迎水面边坡系数；

d——坡脚处土壤计算粒径（cm）。对非粘性土，取大于15%（按重量计）的筛孔直径；对粘性土，取表D.2.2-1的当量粒径值；

Vj——水流的局部冲刷流速（m/s）。

对于滩地河床，Vj按下式计算：

式中：B1——河滩宽度，从河槽边缘至坡脚距离（m）；

Q1——通过河滩部分的设计流量（m3/s）;

H1——河滩水深（m）；

η——水流流速分配不均匀系数，按α角查表D.2.2-2采用。

对于无滩地河床，Vj按下式计算：

式中：Q——设计流量（m3/s）；

W——原河道过水断面面积（m2）；

Wp——河道缩窄部分的断面面积（m2）。

设计采用抛石固脚，埋置深度按计算冲刷深度加安全埋置深度确定。由于前述第2、3种原因，史灌河水流流向与岸坡交角往往较大，计算的△hp值远大于hB值。安全埋置深度值的选用应参考该河段实测得到的最大冲刷深；采用hB值确定固脚埋置深度的，应视险工所处位置上下游、左右岸关系推断发生水流斜冲可能性，适当加大安全埋置深度。对水下开挖土方困难的，可在抛石外脚增加抛石护底。

（2）顶部宽度确定。1992年，河南省水利勘测设计院在确定铅丝笼抛石固基顶部宽度（抛石体最小厚度）时，按护坡厚度公式进行计算，计算结果显示铅丝笼抛石厚度1.24m时，抛石后为静水，设计采用抛石顶部宽度为2.0m。从运用效果看，宽度2.0m偏大，但充分考虑了一段时间内铅丝锈蚀、根石走失的影响，基本适用；2003年后，在水流平行冲刷的险工处理中，顶部宽度部分选用1.5m也能满足运用要求。综合考量，如有效解决铅丝锈蚀、根石走失问题，顶部宽度可采用1.5m甚至更小。固基抛石顶部高程一般高于枯水位0.5～1.0m，临河侧边坡1∶1.5，后坡比不缓于 1∶1。

3.护坡结构设计

砌石护坡与现浇混凝土护坡相比，质量易保证、消浪效果好，毁坏后易修复，是险工护坡主要型式。

（1）护坡厚度计算。史灌河河道比降较陡，流速较大，其护坡厚度需通过计算确定。分别按水流作用下结果和波浪作用后计算成果，取较大值确定护坡厚度。史灌河险工处理历次设计成果均取用厚度0.3m，从运用看是合适的。

（2）护坡顶部高程确定。近几批史灌河险工治理设计时，护坡顶部高程一般为设计洪水位以上0.5m。从汛期观测情况看，洪水上涨期水位在河滩水深2.0m以下时，水流流速较快，冲刷较强，水位上涨至滩地以上2.0m后，冲刷力下降，对堤岸的破坏较小，因此，除堤岸边坡较陡堤段，护坡顶部高程可适当降低。

五、对史灌河险工治理的建议

综上所述，石笼固基在今后一个时期仍将是史灌河险工处理的主要结构型式，但该结构存在较大不足：一是块石用量大，开山采石破坏环境，耗用资源；二是施工机械化程度低，劳动强度很大，进度慢；三铅丝笼锈蚀腐烂后根石易走失，维修养护工作量较大。近年来其他河道有试用格宾网替代铅丝笼，虽解决了锈蚀问题，并可一定程度减少块石用量（缩小顶宽），但造价较高。探索险工固基新材料、新型式十分必要。

石笼固脚的埋置深度对工程量、投资影响很大，以总高度5.0m计，埋置深度减少0.5m，可减少抛石工程量15%左右；应加强观测和试验研究、合理确定固脚埋深，以可使固脚抛石设计更加合理、经济。

加大生物措施防护险工的实验。史灌河历史上有采用植获草、泡柳防护险工的成功经验，在工程管理中，也发现在堤脚滩地栽植泡柳可有效控制险工发展。生物措施防护险工尤其适用于一些险情发展初期的河段，由河槽向堤防依次为：获草固滩、泡柳固脚护堤、草皮防护堤坡。

史灌河河床内砂丘密布（史河中上游尤其严重），非法植树导致河势紊乱，加剧了险工发展，必须加强采砂管理，切实清除阻水生物障以减少人为险工

河南省固始县水利局 465200 固始县江河水利工程有限责任公司 465200）