浅析景电灌区马家磨河河道治理方案优选

(甘肃省景泰川电力提灌管理局， 甘肃 景泰 730400)

浅析景电灌区马家磨河河道治理方案优选

张茂林

(甘肃省景泰川电力提灌管理局， 甘肃 景泰 730400)

湿陷性黄土遇水浸湿后，其结构会迅速破坏，发生沉降变形，土体强度也会大幅下降，为黄土地区的工程安全带来巨大隐患，尤其对大型灌区内河道工程的边坡及河床稳定具有极大危害。以甘肃景电灌区马家磨河为例，根据其实际工程地质特点对其进行稳定防护设计，分别采用俯斜式挡墙和谷坊对堤防和河床进行防护，增加其稳定性，减少冲刷。该方案可为黄土地区类似工程的防护设计提供参考。

干旱灌区； 湿陷性黄土； 河道治理； 方案设计

在我国西北的干旱荒漠区，通过建设大型的调水工程、发展人工灌溉绿洲可以明显改善当地居民生产生活条件，并可取得显著的生态、社会和经济效益[1]。但是，由于气候条件、地形地质条件和水文条件的限制，干旱荒漠灌区内的农田和村庄经常会受到河道内季节性洪水的影响，造成农田冲毁、河岸坍塌、输水建筑物受损等问题。其中，地质条件为湿陷性黄土地基的天然河道最易受到洪水的冲蚀，致使河岸坍塌、沟道下切、周围的农田和村落遭到破坏，严重影响灌区内农业生产和周边农户的生活[2]。为减缓和消除季节性沟道对灌区生产条件的影响，近年来，国家实施了中小河流和行洪沟道的治理工程，有效减缓了汛期的灌区工程安全。

针对不同河道的地质和地形条件，工程的规划设计者们提出了很多科学实用的治理方案和岸坡护砌结构。针对黄土边坡的稳定性问题，谢永利等[3]研究了黄土公路路堑边坡不同坡型的变形与破坏的发展过程、破坏特征及设计参数；张卫兵[4]针对黄土堤防沉降变形过程、空间效应对沉降变形规律的影响及黄土边坡的湿化特性进行了研究，并分析了加载期与稳定期沉降变化规律及其构成变化。在针对湿陷性河道边坡受冲刷的防护技术的研究方面，主要依靠经验判定和方案优选的数学方法进行。

在甘肃省景泰川电力提灌马家磨河防洪工程中，根据其特殊的地形、地质和水文条件，按照确保安全、便于施工等要求，采用了浆砌石和混凝土结合的俯斜式挡墙和仰斜式挡墙的护砌治理方案，确保了沟道岸坡的安全。

1 工程概况

1.1 地理位置

甘肃省景泰川电力提灌灌区(后称“景电灌区”)马家磨河，位于甘肃省古浪县海子滩内，其地理坐标为东经103°26′05″～东经103°36′09″，北纬37°26′05″～北纬37°34′23″之间。

工程区地处古浪海子滩盆地，南临祁连山东段的秦家大山、长岭山，北与腾格里沙漠接壤，海拔高程1710～2000m，地势南高北低，地形开阔平坦，河流发育，有马家磨河及其10余条支流(见图1)。马家磨河是古浪县海子滩最大的洪水沟道，由南向北穿过景电灌区，沿线汇入支流十余条，河道支流发育，河网较密，中上游山峦重叠，河谷交错；下游属黄土梁峁沟壑区，植被较差，水土流失严重。由于支流数量众多，且支流上防洪措施少、防护标准低、防洪体系不完善，河道冲刷和洪灾损坏比较严重，对灌区影响范围较大，洪灾影响比较频繁。

图1 马家磨河防洪工程平面

1.2 地质特性

1.3 水文条件

马家磨河洪水主要由暴雨形成，特性为峰高量小、历时较短，按照《小流域暴雨洪峰流量计算》和历史调查洪水资料，建立该地区洪峰流量模数关系，见下页表1。

表1 马家磨河沟道洪水模数关系

在洪水过程推算时，采用瞬时单位线法对原设计进行复核。不同历时的设计点暴雨经点面折减系数及形状改正系数后，得到不同频率的设计面暴雨。雨型分配过程根据设计流域所在分区考虑流域面积，大小采用3h主雨峰控制，产汇流分区根据流域下垫面情况确定所属分区。不同频率设计洪水复核成果见表2。

表2 设计洪水复合成果

工程区控制集流面积437.6km2，流域内各条沟道平时干涸无水，每年7、8、9月山区如降暴雨，就形成洪水向下游沟道宣泄。洪水流量由上游至下游逐渐增大，20年一遇洪水流量304 m3/s，10年一遇洪水流量201m3/s。

1.4 河流现状

山前波状丘陵区的沟道宽浅多曲流，断面呈槽状，槽宽60～90m，槽深2～3m，纵坡3‰～4‰，侧蚀强烈。两侧沟坡直立，局部有坍塌现象；河道的细土平原区，沟道顺直，断面总体呈“V”形，局部段呈槽状，上口宽30～50m，底宽8～10m，槽深5～8m，纵坡6‰～8‰，下蚀强烈。两侧沟坡稳定，局部沟道转弯处受洪水侧蚀有小的坍塌现象。其典型的侵蚀断面如图2所示。

图2 典型侵蚀断面

2 治理方案设计

2.1 冲刷计算

在河道整治工程中， 堤防稳定计算是重要的设计内容。洪水的冲刷计算可为堤防确定断面尺寸提供可靠的理论依据， 它不仅是保障堤防安全的基础， 也是使工程取得经济效益的重要因素[5]。现行的《堤防工程设计规范》[6]中堤岸冲刷深度计算公式为：

水流平行于岸坡对河道产生的冲刷按式(1)计算：

(1)

式中hB——局部冲刷深度,m，从水面线算起；

hP——冲刷处的水深,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，一般取n=1/4。

水流斜冲岸坡防护对河道产生的冲刷按式(2)计算：

(2)

式中 Δhp——从河底算起的局部冲深,m；

a——水流流向与岸坡交角,(°)；

m——河堤迎水面边坡系数，m=0.75；

d——坡脚处土壤的计算粒径,cm，对非黏性土，取大于15%(按重量计)的筛孔直径；

Vj——水流的局部冲刷流速，对无滩地河床，按下式计算：

其中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。

冲刷深度计算结果详见表3。

表3 冲刷深度计算

根据表3计算分析结果，设计基础埋深取深泓线以下1.5～2.5m。

2.2 结构设计

2.2.1 堤型选择

一般的河道治理堤型选择需按因地制宜、就地取材的原则，根据堤段所处地位置、工程现状、堤基地质、建材材料、施工条件、工程造价等因素综合比较确定。马家磨河的治理由于工程建设地处乡村防护区，且施工是在河滩地进行，不涉及拆迁和占地赔偿问题。结合该工程区堤线两侧地形、地貌及建筑物分布情况，堤型采用了俯斜式挡墙和仰斜式挡墙的护砌形式。

俯斜式挡墙的优点是墙后填土易压实，利于防渗，且便于施工；其缺点是布置在挖方段，墙后开挖量较大。仰斜式挡墙的优点是可降低土压力，布置在挖方段时可充分贴合墙后天然边坡或开挖边坡；其缺点是墙后填土不易压实，不便施工。

2.2.2 护砌结构

堤防护砌主要采用俯斜式挡墙形式，护坡采用M10浆砌块石，护坡顶部宽度30cm，护坡底部宽度60～80cm，迎水面边坡1∶0.75，挡水高度1.74～5.26m；基础采用C15混凝土，上部接护坡底部，下部延伸至深弘线以下1.5～2.5m；堤防总高度为3.24～7.76m。对于需要填筑加高的部位，堤顶最小宽度不小于3m，背水面边坡1∶1.5。

典型设计断面见图3、图4、图5、图6。

图3 导流坝加固典型设计

图4 防洪堤典型设计断面

图5 防洪堤典型设计断面

图6 防洪堤典型设计断面

2.2.3 谷坊设计

谷坊是沟道内为防止沟床冲刷及泥沙灾害而修筑的横向挡拦建筑物，是固床工的一种，主要功能是抬高侵蚀基点，防止沟底继续下切；抬高沟床，稳定山坡坡脚，防止沟岸扩张。在沟道下切严重的区域，采用该结构形式，可以有效防止河床、沟道下切，保证沟底倒虹吸和两岸护坡基础的安全。

在谷坊设计时，从强度、耐久性、抗侵蚀等方面综合考虑，谷坊断面采用矩形断面，采用C15现浇混凝土浇筑，厚度0.5m，深度与岸堤基础同为2～2.5m，其长度与河床宽度或倒虹吸长度相同。如图7所示。

图7 谷坊典型结构断面

3 结 语

马家磨河季节性洪水的冲刷与侵蚀以及湿陷性黄土特有的性质是导致马家磨河渠道侧岸及河床发生破坏的最重要原因。设计采用俯斜式挡墙进行护堤，防止水流的入渗与侵蚀；采用谷坊对河床进行保护，减小水流冲刷下切作用。该方案效果显著，对类似工程的设计和施工具有较强的适用性。

湿陷性黄土地区河道的治理也是水的治理，将工程治理与工程治水结合起来，同时加强后期的管理与维护，对防止渠道破坏、保证渠道安全运行具有重要意义。

[1] 樊自立，艾里西尔，王亚俊，等.新疆人工灌溉绿洲的形成和发展演变[J].干旱区研究，2006,23(3)：410-418.

[2] 孙萍萍，张茂省，朱立峰，等.黄土湿陷性典型案例及相关问题[J].地质通报,2013,32(6):848-851.

[3] 谢永利，胡晋川，王文生.黄土公路路堑边坡稳定性状离心模型试验[J].中国公路学报，2009,22(5):1-7.

[4] 张卫兵，唐莲.黄土高路堤沉降过程及变形规律的原位试验研究[J].中外公路，2012,32(1):28-33.

[5] 吴谦，王常明，马栋和，等.辽西黄土陡坡的冲刷破坏机制[J].吉林大学学报(地球科学版),2013,43(5):1563-1571.

[6] GB 50286—98堤防工程设计规范[S].

On Selective Preference of River Control Plan in Jingdian Irrigation Area Majiamo River

ZHANG Mao-lin

(Gansu Jingtaichuan Electric Power Irrigation Authority, Jingtai 730400, China)

After collapsible loess is soaked by water, its structure will be quickly destroyed for settlement and deformation. Soil strength will also be dropped significantly, thereby leading to huge security risk for the project in loess region, especially for slope and riverbed stability of river project in large-scale irrigation area. Jingdian Irrigation Area Majiamo River is adopted as an example. Stability protection design is conducted according to actual engineering geological characteristics, sloping retaining wall and check dam are respectively adopted for protecting dam and riverbed, thereby increasing the stability and reducing erosion. This plan can provide reference for protection design of similar projects in loess area.

arid irrigation area; collapsible loess; river control; plan design

TV85

B

1005-4774(2014)12-0040-05