义县前杨镇佟沙河河道治理工程设计

2015-10-29刘艳芬

黑龙江水利科技 2015年4期

刘艳芬

(义县水利局，辽宁义县121100)

1 工程概况

前杨镇位于义县城以南10 km，佟沙河是前杨镇内一条较大的河流。水文分区VI1区，沙河子以上集雨面积18.45 km2，长度8.3 km，平均比降14.87‰，防洪标准10 a一遇，设计洪峰流量159 m3/s。当地于佟沙河流域建设的“高效农业基地”是群众致富的重要基础，房屋、农田、道路也因此大多集中于水边，一旦发生洪水将直接对村屯和耕地造成冲击，不利于人民群众生命财产安全的保障。

就目前情况来看，佟沙河现存问题主要有3个方面:

1)防洪标准低，河道防洪压力过大。

2)在多年淤积的影响下河床抬高，行洪能力下降。

3)河流弯道部位冲刷严重，部分河段险工已逼近堤脚。拟建佟沙河防洪工程的主要任务是为沿岸定居区与耕地提供保护，保护范围较广、保护对象较多，因此无论从推动流域内社会经济的进一步发展还是沿岸居民生存环境改善的角度来看，此项工程的建设都既是必要的、也是可行的［1］。

2 设计范围、标准和原则

2.1 设计范围与标准

佟沙河在沙河子以上长度为8.3 km，本次设计范围由沙河子至上游1.2 km，全场1.2 km，考虑到项目对于下游地区人民群众生命财产安全的重要程度，根据《大凌河流域防洪规划》的要求，确定佟沙河防洪标准为10 a一遇。佟沙河保护地区主要为农村，保护面积29 km2，耕地面积约666.67 hm2，均为旱田;保护范围内有村屯5个，人口0.7 万。

2.2 设计原则

1)安全性原则。经治理后的河道需安全下泄设计标准洪水，有效保护两岸农田、村庄和人民群众生命财产安全，因此应修筑在土质较好且稳定的地方。

2)经济性原则。河道治理应充分发挥经济效益，尽可能减少对耕地、林地的占用，不拆迁或少拆迁，同时提高与堤路的结合程度，以便交通和防汛抢险［2］。

3)自然性原则。以河道天然现状为基础，摒弃裁弯取直的平面规划原则，尽可能尊重河流原有的自然形态。

4)生态性原则。河道治理应为动植物生长栖息提供条件，避免河流的渠道化及非连续性，使浅滩、深潭、缓流、急流等自然状态得到有效保存。

5)景观性。在发挥工程防洪效益的同时，力争将其打造为环境工程景观，使沿岸绿化和美化水平得到提升。

3 堤线与堤距的确定

堤线布置原则需从建筑功能、造价、远近效益、地质等方面进行综合考虑，以此实现确定堤线方案的最佳化。在设计时主要考虑了以下几点问题:

1)河势流向适应，与设计洪水主流线基本平行，确保水流通畅。

2)堤线力求平顺，各段连接平缓，弯曲河段的曲率半径适当选择，避免出现急速转弯和折线段。

3)堤线尽可能走高埠土质良好地带，在满足渗流控制、稳定与变形要求的同时，更好的实现堤身低、稳定与安全目的［3］。

4)同时兼顾上下游，避免束窄河道。

5)有利于工程管理与防汛抢险。

6)在满足上述条件的基础上，使工程经济效益得到最大限度的实现。

佟沙河治理段不存在桥梁等跨河建筑，因此本次设计拟定两岸堤线均以现状河道走向作为基础。

4 水面线计算

水面线计算推求提防修筑后P =10%频率下的河道过水情况，根据水文勘探结果，在沙河子村北断面处，10 a一遇设计洪峰流量为159 m3/s。采用沙河子村北断面处水位～流量关系，获得10%频率设计洪峰下水位，并将其作为水面线计算的起始水位，结果如表1 所示。

表1 沙河子村北起点水位表

根据能量平衡原理，水面线计算方程式为:

式中:Z1、Z2分别代表上、下断面水位;分别代表上、下断面流速水头;hf、hj分别代表两断面间沿程水头损失、局部水头损失。

将以上两公式合并后可得:

式中:E2、E1分别代表上、下断面总水头。

根据现有条件和参数，佟沙河建堤后河段P =10%标准的水面线计算结果如表2 所示。

5 坝顶高的确定

根据《堤防工程设计规范》(GB50286—98)的要求，堤防工程级别确定为5 级。佟沙河流域多年平均最大风速18.2 m/s，水面吹程D =10 m。在静水位以上的坝顶超高按下式计算:

式中:y 为坝顶超高，m;Rp为坝坡上最大波浪的爬高，m;e 为最大风壅水面高度，m;A 为安全加高，m。

表2 水面线计算结果 m

5.1 波浪爬高Rp

在计算波浪爬高Rp前需对波浪参数进行确认，根据《堤防工程设计规范》(GB50286—98)莆田试验站公式计算。

5.1.1 平均波高hm

莆田试验站公式:

式中:hm为平均波高，m;Tm为平均波周期，s;W 为计算风速，取多年平均年最大风速的1.5 倍，即27.3 m/s;D 为风区长度，取10 m;Hm 为水域的平均水深，m;g 为重力加速度，取9.81 m/s2。

5.1.2 平均波长

式中:Lm为平均波长，m;Tm为平均波周期，s;H 为坝迎水面前水深，m。

5.1.3 设计波浪爬高Rp

土坝上游坡1∶2.25为单坡，坡度范围1.5 ～5.0，按正向来波计算，平均波浪爬高Rp的计算采用下式:

式中:Rp为平均波浪爬高，m;m 为单坡的坡度系数，取值2.25;K△为斜坡的糙率渗透性系数，取值0.8;Kw为经验系数，取值1.3;Kp为爬高累计频率换算系数，取值1.94。

经过以上计算，土坝波浪爬高计算参数与结果如表3 所示。

表3 波浪爬高Rp 计算参数及结果

5.2 风雍水面高度e

风雍水面高度e 的计算公式为:

式中:e 为计算点处的风壅水面高度，m;D 为风区长度，m;K 为综合摩阻系数，取值3.6 ×10－6;W 为计算风速;β 为计算风向与坝轴线法线的夹角，取0。最终计算结果如表4 所示。

表4 风壅水面高度计算结果

5.3 安全加高A

根据《堤防工程设计规范》(GB50286—98)，该堤防为5 级堤防，安全加高为0.5 m。根据前文公式及相关参数，土坝坝顶超高计算结果如表5 所示。

表5 土坝坝顶超高计算结果 m

6 石笼坝基础深度计算

佟沙河河床多为粉土，建堤后，原有的河槽流态将会改变，流速将超过河床允许值，进而对堤脚形成冲刷，需设置护脚来防止冲刷破坏。护脚埋深计算按10 a一遇冲刷深度，根据《堤防工程设计规范》，采用以下公式计算:

式中:△hp为从河底算起的局部冲刷深度，m;α 为水流流向与岸坡交角，取值115.2°;m 为边坡系数，取值0;d 为坡脚处土壤计算粒径，取值2 cm;Vj为水流局部冲刷流速，取值4 m/s。经计算，岸堤防堤脚冲刷深度为0.89 m，取值1.0 m。

7 清淤、护岸与过水路面工程

清淤工程布置范围由沙河子村开始，至上游1.2 km 为止，平均宽度、深度分别为15 m、0.5 m。

护岸工程主要在易冲刷段修筑石笼坝0.4 km，石笼高1.5 m、顶宽0.5 m、底宽1.5 m，基础宽1.5 m、深1.0 m，采用铁丝网片包石结构［4］。

过水路面工程长40 m、宽4 m 一座，长30 m、宽4 m 三座。基础部分采用浆砌石结构，根据冲刷计算所得结果，基础深度、宽度分别选为2.0 m和6 m。基础以上浇筑C25 混凝土，厚度0.2m、宽度4 m;过水路面下游铺筑干砌石护坦，铁丝网片包石，宽度与过水路面相同，长10 m、厚0.5 m［5］。