晋城市书院河上游河道治理堤防设计方案分析

赵电雷

(晋城市水务局水利水电事务中心，山西 晋城 048000)

1 工程建设概况

书院河为白水河的一级支流，丹河的二级支流，发源于晋城市北部的白马寺山，由北向南依次流经杨庄、牛山、郭山等村庄，跨过北环路继续向南流，最终于市二中景德桥处汇入白水河。河道长7.1km，流域面积7.63km2，平均纵坡21‰。本工程堤防级别为Ⅱ级。根据供水量及供水对象重要性，确定供水建筑物相应级别为5级。泵站及供水管线主要建筑物设计标准为10a一遇，校核洪水标准为20a一遇。地震基本烈度为Ⅵ度。本工程河道治理长度4.223km，治理范围为黑龙潭—程颢书院段，工程年补水量100万m3，治理完成后可形成水面3万m2，绿化面积2.27万m2。

2 书院河上游河道现状及存在的问题

书院河属城市河道，随着城市建设的发展，城市居民迅速增长，基础设施建设滞后，生活垃圾和建筑固体废弃物随意倾倒，沿河岸线建有大量房屋建筑物。河底泥沙堆积，岸坡垮塌，局部河道缩窄，行洪不畅，沿河居民生命、财产受到威胁。除此之外，由于大量工业废水及生活污水的排入，致使河道水质变差，富营养化加重，水生植物过于茂盛，环境负荷越来越大；部分必要的废弃污水处理设施建设进度延后，污水系统归并集中处理体系尚未建立，硬件上预防处理措施不足，加之沿河居民环保意识缺失，书院河污染较为严重。

晋城市书院河上游河道治理工程建设任务是对河道截污，通过铺设污水管道对两岸污水进行排污，并对河道清淤、疏浚，在程颢书院段河道两岸修建堤防。本工程是改善河流水环境、居民生活环境的重要举措，是改善城市环境和生态系统的基础设施，是城市旅游发展、经济社会可持续发展的基本工程。因此，晋城市书院河上游河道治理工程是十分必要的。

3 堤防工程方案设计

3.1 河道治理方案比选

本工程河道治理范围从黑龙潭到程颢书院，对是否在牛山村北侧河道旁空地新建调蓄工程进行方案比选。

方案一：在此处不做调蓄工程，直接以河道治理为主，依据地形做生态跌坎，减少土地征用。河道宽6m，在河道两岸修建M7.5浆砌石重力式堤防，临水面为条石丁字结构，顶宽0.6m，迎水面为直墙，背水坡比1∶0.5，堤高2.0m，基础埋深1.0m，基础底宽2.0m。河床铺设厚度为0.3m的格宾石笼底板，底板以下依次铺设厚度为0.3m的过筛黏土、土工布、厚度为0.3m的细沙。在河道两岸安装仿古汉白玉栏杆。

方案二：在此处新建1座4.4万m3蓄水池，两侧连接上下游河道。水池池底全面平整后，采用40t震动碾全部碾压夯实，上部铺设三布两膜土工布，膜厚0.4mm，顶部覆盖黏土厚0.3m。水池边坡为1∶5，完成土工布铺设后，在坡面铺设干砌六棱块砖，在六棱地砖下铺设垫层，保证水池边坡稳定。水池四周及土坝坝顶沿原地形修建宽度为1.5m的人行道路，路面采用C15混凝土。

方案三：在该处将河道加宽至30m，涉及上下游260m长度范围，并沿河做3道生态跌坎，达到水面上下游落差的效果，形成人为的瀑布。生态跌坎采用M7.5浆砌石重力坝，坝顶宽1.0m，上游坝坡1∶0.2，下游坝坡1∶0.75，最大坝高2m，坝体横断面上下游侧均采用半径为0.5m的圆角与坝顶及坝坡顺接，M7.5浆砌石外围采用厚度为0.3m的C25钢筋混凝土，C25钢筋混凝土表面做卵石贴面。

在河道两岸修建M7.5浆砌石重力式堤防，临水面为条石丁字结构，顶宽0.6m，迎水面为直墙，背水坡比1∶0.5，堤高2.0m，基础埋深1.0m，基础底宽2.0m。在河床铺设厚度为0.3m的格宾石笼底板，底板以下依次铺设厚度为0.3m的过筛黏土、土工布、厚度为0.3m的细沙。在河道两岸安装仿古汉白玉栏杆。

为了兼顾交通，在河道右侧新修道路，路面采用C20混凝土，连接河道上下游交通。

根据投资对比，结合本工程以河道治理及清水复流为重点，3种方案投资对比见表1。

表1 投资对比表 单位：万元

根据投资金额大小对比，本次设计选用方案一。

3.2 河道治理总体布置和堤型选择

3.2.1堤防布置总体原则

堤防工程的布置应遵守书院河流域区域规划，充分发挥工程综合效益和工程安全；堤防线的方向和布局应以河流的治理线为准；堤身内外两边应留出一定阔度的护堤地内外平台；两堤之间的距离必须符合河道过流断面宽度要求，并确保设计流量可以安全顺利通过；尽可能降低堤防建设对书院河生态环境造成的不良影响；考虑区域的发展，河道治理兼顾区域景观规划要求；满足工程施工、工程维修、防洪抢险等的交通运输要求；鉴于本次对书院河补水量较少，为防止水量渗漏，水流无法流至下游，应对河道底部做防渗处理。

3.2.2堤防平面布置及堤型选择

本次河道治理根据设计坡降和河道底宽，以清水复流为原则，建成后在河两岸形成较好的水面景观效果，本段河道设计采用100a一遇洪水进行断面复核，洪峰流量采用值为40m3/s。河道治理范围从黑龙潭至程颢书院，治理长度4.223km。黑龙潭至牛山村北段(长1.076km)以草皮护坡治理为主，牛山村南至北环路、北环路至程颢书院段(长2.197km)两岸新建浆砌石堤防，沿河设置生态跌坎或堰坝，增加水面落差，加强河道美观性。对牛山村已被修成暗涵的河道段(长0.719km)及过北环路暗涵段(长0.174km)，本次设计对暗涵底部及边墙1m高范围内做厚度为10cm 的C20混凝土处理，满足清水复流要求。

本工程主要由建筑物工程和河道治理工程组成，工程施工可按建筑物工程和河道治理工程独立组织进行，施工相互干扰少，适合进行高强度施工。河道治理工程的施工特点是施工区呈带状，施工线路较长，可分段同时进行施工以缩短工期。建筑物工程的特点是施工点相对集中、工程项目复杂、工期较长。

3.3 堤身结构设计

3.3.1水面线确定

根据治理河道段的具体情况，沿河道共布设横断面，分段进行河道水面线计算，以确定治理段堤防的高度。

河道水面线计算，采用一维恒定非均匀渐变流方程计算。计算公式为：

(1)

式中，z—断面水位，m；Q—断面流量，m3/s；V—平均流速，m/s；α、ζ—动能修正系数和局部阻力系数；K—综合流量系数。

K=∑AiRi(2/3)/ni

(2)

式中，Ai、Ri、ni—河道的过水面积、水力半径和糙率。河床糙率主要由各河段治理后断面实际情况来确定，根据规范选取0.025。

3.3.2堤顶高程计算确定

按照GB 50286—2013《堤防工程设计规范》，堤顶高程应按设计洪水位加堤顶超高确定。计算公式如下：

Y=R+e+A

(3)

式中，Y—堤顶超高，m；R—设计波浪爬高，m；e—设计风雍水面高度，m；A—安全加高，m。浆砌石堤取1.0m。

风壅水面高度在有限风区的情况下，计算公式如下：

(4)

式中，e—计算点风壅水面高度，m；K—综合摩阻系数，可取K=3.6×10-6；V—设计风速，按计算波浪的风速确定；F—由计算点逆风向到对岸的距离，即风区长度，m；d—水域的平均水深，m；β—风向与垂直于堤轴线的法线的夹角，(°)。

在风的直接作用下，正向来波在单一斜坡上的波浪爬高可按下列方法确定。

(5)

(6)

式中，Rp—无风情况下，光滑不透水护面(KΔ=1)，堤前波浪平均高度为1.0m时的爬高值，m。

(3)当1.0

经计算：e=0.001，R=0.21m，A=1.0m，Y=R+e+A=1.21m。

设计堤顶高程的计算公式为：

H=h+Y

(7)

式中，h—设计洪水位，m。

堤顶高程计算结果见表2。

3.3.3堤防稳定计算

抗滑稳定计算采用刚体平衡公式，取单宽1m为计算对象。

(8)

式中，Kc—抗滑稳定安全系数；f—基底面与地基间的摩擦系数；∑W—堤防自重、土重等垂直荷载及扬压力总和；∑P—水平荷载总和。

边墙抗倾覆稳定计算采用刚体倾覆公式，取单宽1m为计算对象。

(9)

式中，Ko—抗倾覆稳定安全系数；∑My—作用于墙身各力对墙前趾的稳定力矩；∑Mo—作用于墙身各力对墙前趾的倾覆力矩。

基底应力计算类型和断面同稳定计算。

对基础最不利段堤防进行计算，结果见表3。

由表3可知，抗滑稳定安全系数大于允许的最小系数1.30，满足要求；抗倾稳定安全系数大于允许的最小系数1.5，满足要求。基底最大应力小于基础最小承载力110kPa，满足要求。

4 结语

本工程每年向书院河补水100万m3，工程建成后书院河将成为一条水清、岸绿、人水和谐的河道，对实现水系连通、清水复流、提升城市品质和人民生活质量具有较大意义。同时，随着书院河的复流，将更好地带动西河(书院河入口至下游段)及白水河(西河下游段)水体流动，形成连续景观，加强流域生态环境保护。因此，该项目的建设具有良好的社会效益。工程完工后，管理单位要加强河道管理，保证河道两岸环境清洁，为下游河道营造干净水源。对牛山村段无法满足百年洪水的河道及暗涵应进行改造，改造之前应加强管理及巡视，保证河道卫生，保护居民生命财产安全。对北环路北段河道两岸进行综合治理，使河道两岸绿化优美，河道清净。

表2 堤顶高程计算成果表

表3 边墙稳定和应力计算结果表