府谷县皇甫川堤防冲刷及渗流稳定性分析

王功成，尚艳娥

（1.陕西省府谷县皇甫川流域治理指挥部办公室，陕西 府谷 719400；2.陕西省府谷县水利水保工作队，陕西 府谷 719400）

1 概况

皇甫川发源于内蒙古自治区达拉特旗南部敖包梁和准格尔旗西北部，流经府谷3 个乡镇38 个行政村，在陕西省府谷县下川口村汇入黄河，县内流程48.0 km，流域面积418 km2，实测多年平均流量为4.4 m3/s，年径流总量1.39 亿m3。1989 年7 月21 日出现最大洪峰11600 m3/s，流域内人口3 万人，流域范围耕地面积10.38 万亩，是府谷县拓展开发的重要地区。皇甫川无统一的防洪体系，右岸沿线有零散的群众自建的小土堤，为了确保当地防洪安全，提高河道排洪能力，根据《陕西省府谷县水利发展规划》和皇甫川特点及治理现状，规划对黄甫镇太家沟段、蔺家湾段进行防洪工程治理，河道综合治理长度5275 m，工程综合治理长度5275 m，设防标准20 年一遇。为确保堤防工程安全，这就需对堤防的抗冲刷和渗流稳定性进行分析。

2 堤防工程设计抗冲刷分析

2.1 堤防工程方案

根据工程任务、防洪标准、河道特性及河道演变分析，本次防洪工程太家沟段规划以沙墙公路大桥为起点，中游弯道段岸线向河道里侧靠拢，采用控导措施，左岸进行适当清障，使水流偏向河道左岸，防止河水再次掏刷右岸耕地，其余段根据现状岸坎线合理布置，终点接黄甫水文站上游基岩；蔺家湾段以河道卡口山体为起点，到下游工业园3052 化工厂进厂桥结束。工程以防洪保安为重点，总体布局上维持现状格局，仅对局部岸线不合理段进行调整，河道采用护岸工程抵御洪水，现存跨河桥梁作为固床节点工程，保证河道纵比降的基本稳定。岸线布置充分考虑工程现状和区域发展，基本不改变现有河道走向和位置，避免挤占河道。

2.2 岸线布置分析

按照经济合理，力求平顺，利用现有岸坎和有利地形，与河势流向相适应的原则，进行岸线布置。太家沟段从皇甫川大桥开始，水流经过桥后偏向道左岸，此处布置半径为1000 m 的弯道；R1+238～R1+779 为耕地水毁段，该段耕地被近年来的洪水掏刷，河道已经向右岸耕地倾向严重，为了保护耕地不再受洪水冲毁，按照原有河床和大洪水时的河势考虑，布置半径为500 m 的弯道，将水流顺势导向下游。R1+889～R3+294 为直线段，水流沿该段顺直下泄；R3+294～R3+776 段也为耕地水毁段，近年来的洪水一直掏刷该段，已经逼近大唐府谷能源有限公司，该段同样按照原有河道位置布置半径为500 m 的弯道；R3+776～R4+170 为直线段，将水流导入下游已成防洪工程河段。蔺家湾段R0+000～R1+238，从沟壑山体开始，到工业园区大桥结束，岸线布置于河道一阶级地，沿河道基本顺直布置，中游根据河势设计弯道，洪水可以平顺宣泄到下游。

2.3 护岸工程设计

根据当地工程实际情况，经综合考虑，确定黄甫镇段护岸工程超高为0.5 m。

2.3.1 护岸纵断面

太家沟段河道桩号K0+950～K1+550 段现状河道左岸为较坚硬砂砾石层，右岸为松软的土质耕地边坡，导致洪水期间洪水一直掏刷右岸，破坏耕地。因此护岸岸线布置于冲坑以内，防止洪水继续冲刷耕地，左岸进行适当开挖，开挖的砂砾石用于填筑料，但开挖深度不超过深泓，河底纵坡以河道现状纵坡为主。

2.3.2 护岸横断面型式

皇甫川沿程冲刷现象比较普遍，所以该防洪工程护岸选择了坡式护岸型式断面，其具有断面结构简单、施工难度较低，与上下游已成工程衔接较平顺等优点，完全满足抗冲要求，加之岸坡高度较低，梯形断面结构可就近取材，适应性强，工程等级相对较低，造价便宜。填筑土料选用皇甫川河道和两岸高低漫滩的砂砾石作为拟建护岸的填筑料，运距500 m，填筑砂砾料的质量指标基本满足规范要求。按照《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）的要求，填筑料的压实相对密度大于0.6。

考虑到设计河段流速较大、耐久性以及造价的因素，确定采用浆砌石护坡方案。护岸临水侧采用M7.5 浆砌石护坡，护坡厚度为40 cm。基础为M7.5 浆砌石砌筑，采用顶宽0.6 m，迎水面坡比为1∶0.4，背水侧直立，底宽1.6 m～1.8 m 的挡土墙断面型式。堤顶宽度取为4.0 m。平面布置考虑防汛抢险、绿化等综合因素确定。

3 冲刷及渗流稳定性分析

3.1 河道特性及河道演变分析

治理河段平均比降2.3，河流穿行在黄土丘陵沟壑中，两岸塬面相对宽阔平坦。从平面形态上看皇甫川主河槽宽度260 m左右，但加上滩面的行洪宽度却在300 m～600 m 之间，由于这些滩面地质条件各异，导致洪水期洪水会在行洪宽度内来回摆动，形成许多小弯道，从蔺家湾段的电力线杆基础的冲刷现状也可以看出，洪水到来时偏离了主槽，掏刷了滩面处的电力线杆基础，以上这些都说明河床具有很强的摆动性。

河道主槽相对较窄，输沙能力较强；河槽径流具有间歇性，流量变率大，粗沙比例较大，因此在年内（年际）有冲淤变化，但多年平均冲淤变化趋于平衡。从工程区的桥梁基础冲刷来看，冲刷相对较浅，说明河床下切不明显。

总之，河道属于游荡性河流，在水平面上显示较强的摆动性，纵向冲淤基本平衡。

3.2 冲刷分析

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中计算应用公式计算工程区堤岸适用部的冲刷深度为1.19 m～1.99 m。在季节性冻土地区，还应满足冻结深度的要求。而该段防洪工程基础埋置深度顺直段为2.5 m，斜冲段为3.0 m，均满足在冲刷线以下0.5 m～1.0 m 的防抗要求。虽然基岩较浅，但上部为强风化基岩，地质特性和砂砾石相当，抗冲刷能力强。

3.3 渗透稳定分析

本次分析断面为最不利断面，选择堤防临、背侧高差较大的断面作为典型断面，选取太家沟段R1+650、蔺家湾段R0+338，采用北京理正设计研究院开发的《渗流、边坡稳定计算程序》软件，渗流采用有限元法，稳定采用瑞典圆弧法，进行堤防渗透计算。

堤防加固后或者新修堤防背水坡不存在渗透稳定问题。由水位降落浸润线曲线得到，R0+338 断面临水坡计算渗透坡降最大值为0.1，小于允许渗透坡降0.15；R1+650 断面临水坡计算渗透坡降最大值为0.1，小于允许渗透坡降0.12，因此，渗透稳定满足要求。设计断面稳定计算简图见图1、图2、图3、图4。

图1 蔺家湾段桩号R0+338 水位降落期临水堤坡稳定计算简图（尺寸单位：cm）

图2 蔺家湾段桩号R0+338 稳定渗流期背水堤坡稳定计算简图（尺寸单位：cm）

图3 太家沟段桩号R1+650 水位降落期临水堤坡稳定计算简图（尺寸单位：cm）

图4 太家沟段桩号R1+650 稳定渗流期背水堤坡稳定计算简图（尺寸单位：cm）

设计边坡稳定计算结果见表1。

表1 各段护岸稳定计算成果表

经过对设计断面几种工况的稳定计算，计算结果均满足规范要求，本次设计断面满足抗滑稳定要求。

3.4 护岸工程安全性

皇甫川是陕西省的暴雨高值区河流，也是严重的水土流失区，治理段为皇甫川的水沙调解区域。由于护岸工程的修建会缩窄河道，减少河道滩面，使河道的游荡性减弱，消能作用减弱，加剧水流对河岸的冲刷，但护岸工程会抵御这种冲刷作用，减少河道淤积。对河道演变影响有利有弊。修建护岸工程在一定程度上影响滞洪区的洪水量级，但大洪水期间，护岸工程允许洪水漫过护岸，在滩面上行洪，达到行洪滞洪的目的，该区域仍然是皇甫川河道的滞洪区，因此修建护岸工程对滞洪区的洪水量级影响不大。

太家沟段下游为皇甫水文站，修建护岸工程改变了河道水流的天然属性，破坏了水文测流断面原有的水、流、沙分布规律，改变了上下游河段的水沙运动规律、水位流量关系、水位流量与含沙量间的关系，改变河道局部走向。这些都会直接或者间接影响水文资料的收集，对水文资料精度造成影响。因此，建设单位在修建工程前要密切联系水文站所属上级单位，明确对水文站的影响，提出相应受影响的解决对策。

4 结语

皇甫川是府谷县暴雨高值区河流，沿程冲刷现象比较强。历史上曾经的堤防因为建设质量低，均被洪水冲刷掏空毁坏。文章分析了河流基本概况，针对堤防工程设计方案，从岸线布置、护岸纵横断面选取、施工材料、工程影响等方面，对堤防的抗冲刷性、稳定性及防洪安全性进行了计算分析，经过探讨论证，该堤防工程方案抗冲刷性强、防渗透能力强，安全可靠，可进行建设，供工程建设进行参考。