洋峪河河道堤岸设计研究

何 靖，缑丽娜

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；5.自然资源部土地工程技术创新中心，陕西 西安 710075)

1 引言

水利作为国民经济和社会发展的重要基础设施，在全面建设小康社会中肩负着重要的职责[1]。2010年全国发生了大范围强降雨过程，主要江河流域都发生了洪水，中小河流防洪能力不足问题也显现出来。国家决定加大中小河流灾害的治理力度，以防洪薄弱地区为重点，决定用5年时间基本解决防洪减灾体系薄弱环节的突出问题，切实保障人民生命财产安全，维护经济社会发展大局[2，3]。2010年10月10日，国务院出台了《关于切实加强中小河流治理和山洪地质灾害防治若干意见》[4～6](国法[2010]31号文)，水利部于2010年10月18日召开中小河流治理等专项规划编制安排工作会议。蓝田县洋峪河河道堤防治理被列入《陕西省中小河流治理规划(2013～2015年)》[7]中。

工程建设是保障焦岱镇洋峪河石怡园及沿岸群众生命财产安全，促进区域经济社会可持续发展的需要；工程建设是统筹城乡发展，拉动农村经济建设、搞活农家乐绿色发展的需要；工程建设符合城市发展规划，加强区域安全与发展保障的需要；工程建设是贯彻落实中央关于加强水利薄弱环节建设和切实加强中小河流治理要求的需要。根据焦岱镇发展规划，工程区河段左右两岸已列为蓝田县重点旅游开发示范园，城镇建设已初见规模，急需对洋峪河进行河道整治，保护天然河道，提高河道行洪能力，有效保护沿河耕地、村企单位、个体工商户及居民的生命财产安全，适应现阶段焦岱镇的整体发展规划，为焦岱镇乃至蓝田县的长远发展奠定坚实基础。

2 项目区概况

洋峪河发源于秦岭山脉之一的月牙山北坡，位于北纬33°50′～34°19′、东经109°07′～109°49′之间，是浐河上游的支流之一。洋峪河流域属暖温带大陆性季风半湿润气候，四季分明，春秋短、冬夏长，3～7月多偏西风，8月～次年2月份多西风或西北风，平均风速1.5 m/s，当地最大风速20 m/s；气候温凉湿润，雨量充沛，降雨多集中在6～9月份，冬春两季降雨较少，多年平均降水量833.3 mm，多年平均相对湿度71%，年蒸发量1200 mm。多年平均日照时数2054 h，年均气温13.1 ℃，极端最高气温43.3 ℃，极端最低气温-21.2 ℃。冻土最大深度25 cm，冻结日期为每年1月5日前后，解冻日期为每年2月23日前后。

工程区所处秦岭山前地带，南近秦岭山前断裂，北近余下-铁炉子断裂，东北临浐河断裂，西北临长安-临潼断裂。秦岭山前断裂为秦岭隆起与渭河地斩堑沉降区的分界线。余下-铁炉子断裂、长安-临潼断裂为活动性断裂，浐河断裂为新构造运动中晚期形成的断裂。

3 工程建设任务与规模

3.1 建设任务

本工程位于蓝田县洋峪河焦岱镇街道附近，工程主要建设内容为：新建左岸护岸工程总长523 m。

3.2 工程规模

3.2.1 防洪标准

该工程按10年一遇洪水标准进行设计。

3.2.2 总体布局

(1)河堤主导线的布置主要考虑：①河堤堤线应与河势流向相适应，并与大洪水的主流线大致平行。堤间距应大致相等。②堤线应力求平顺，各堤段应平缓相接，不得有折线或急弯。③尽可能利用现有堤防和有利地形，修筑在基础好的滩岸上。④最大程度配合蓝田县焦岱镇石艺园景区总体规划，合理布设堤线。⑤充分利用右岸已成堤防护岸型式，左岸拟新建为坡式护岸。

(2)堤间距确定是按照：①根据流域防洪规划按河段确定上下游，统筹兼顾。②根据河道地形、地质条件、水文泥沙特性、河床演变特点等条件考虑。③考虑石艺园景区为山区，无土地资源，利用修河堤可置换出一部分土地。④利用阿尔杜林经验公式、统计主河槽宽度及现状水面曲线推求采用主河宽度3种方法分别计算洪峰流量，采取试算法分别求得河宽。参照此3种方法及考虑城市规划占地等因素得出的河道宽度，综合分析确定洋峪河石艺园段堤间距≥15 m，取15 m。

4 工程设计

4.1 工程等级

本次设计范围内，工程级别确定为Ⅳ级，相应防洪标准为10年一遇洪水，其工程主要建筑物级别为五级。

4.2 堤防设计

4.2.1 堤岸岸顶超高

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)要求，设计堤顶高程为设计洪水位加超高，超高为坡浪爬高、风雍增高及安全加高三者之和。

堤顶超高按(1)式计算：

y=R+e+A

(1)

式(1)中：y为堤顶超高，m；R为设计坡浪爬高，m；e为设计风雍增水高度，m；A为安全加高，m。

坡浪的平均波高和平均波周期采用莆田公式[8,9]计算：

(2)

平均波周期：T=4.438H0.5

(3)

式(2)、(3)中：H为平均波高，m；T为平均周期，s；V为计算风速，采用历年汛期最大风速平均值的1.5倍，为30 m/s；F为风区长度，取F=169 m；d为水域平均水深，d=1.98 m；g为重力加速度。

(4)

式(4)中：L为平均波长，m；D为水域平均水深，m。

当m=1.5～5时，波浪爬高:

(5)

式(5)中：Rp为波浪爬高，m；KΔ为斜坡的糙率渗透系数，查表C3.1-1，取值0.80；Kv为经验系数，查表C.3.1-2，取值1.3；Kp为经验系数，查表C.3.1-3，取值2.07；M为迎水坡斜坡坡率，m=0.4。

最大风雍水面高度：

(6)

式(6)中：e为计算点处的风雍水面高度，m；K为综合摩阻系数，(取3.6×10-6)；β为计算风向与堤防轴线的法相夹角，为38°、49°、43°。

经分析计算，堤顶超高计算值为1.1246～1.0006 m，根据本次陕西省中小河流治理有关文件，堤防超高原则不大于1.0 m，考虑到洋峪河为季节性河流，河流洪水为陡涨陡落型，且洪水历时较短，因此本次设计确定堤顶超高均为1.0 m。

4.2.2 冲刷深度计算及基础深度确定

4.2.2.1 岸坡冲刷深度计算

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)附录D.2计算方法，岸坡冲刷深度按下式计算：

(7)

(8)

式(7)、(8)中：hs为局部冲刷深度，从水面起算，m；H0为冲刷处的水深，以近似设计水位最大深度代替，m；Ucp为平均流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取0.25；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表D.2.2采用；Uc为泥沙起动流速，m/s；U为行进流速，m/s。

本工程河床为砂卵石河床，对于卵石的起动流速可采用长江科学院的起动公式[10,11]D.2.1—6计算：

(9)

式(9)中：d50为河床沙的中值粒径，取0.02 m；H0为行进水流水深，m；γs、γ为泥沙与水的容重，KN/m3；g为重力加速度，m/s；Uc为泥沙起动流速，m/s2。

经计算，护岸冲刷深度为0.66～1.57 m。

4.2.2.2 基础埋置深度

考虑到该工程地处山区，根据冲刷计算结果并类比相似工程，结合地质勘探资料建议，本次设计护岸基础底高程低于现状河道深弘点以下1.5 m。工程处多年平均最大冻土深度为0.25 m，根据《堤防工程设计规范》(GB50286—2013)第7.8.5条要求，所取基础埋深同时满足冻结深度和抗冲刷深度要求。

当基础开挖时如遇基岩，可将基岩处理平整后再砌筑基础，基础下面与整体基岩上面应良好衔接。考虑到该工程地处山区，地质勘探资料建议、以及出于安全考虑，基础深度采用1.5 m。

4.2.3 护岸防护型式及堤顶结构

护岸工程主要是为了保护滩岸免遭洪水冲刷而修建的防护工程，主要的结构型式有坡式护岸和墙式护岸断面型式[12,13]。所用建筑材料应按照经济实用、就地取材、抗冲效果好、便于施工、满足防洪和管理等要求即可。目前常用的建筑材料有现浇混凝土、预制混凝土、浆砌石、干砌石、格宾笼石或铅丝笼石等[14]。

根据本工程堤防土体抗冲能力低，河道比降大，水流流速相对较低，以及焦岱镇发展规划要求，治理段右岸具有已成较高岸坎的浆砌石挡墙护岸及交通道路工程，因此护岸型式采用坡式护岸及挡墙护岸进行比较(图1)。

图1 护岸断面图(m)

(1)坡式护岸方案：护坡坡比1∶2，对岸坡进行修整，采取尽量挖填平衡，少占河床的原则，宾格卵石护坡0.3 m，浆砌石基础顶部厚度0.7 m，深2.8 m，基础底宽1.7 m，基础坐落于砂卵石地基上。

(2)仰斜式挡墙护岸方案：挡墙采用M7.5浆砌石砌筑，顶部厚度0.7 m，墙背坡比1∶0.55，墙面坡比1∶1，墙底厚度2.876 m，基础坐落于砂卵石地基上。

(3)重力式挡墙护岸方案：挡墙采用M7.5浆砌石砌筑，顶部厚度0.7 m，墙背坡比为直立，墙面坡比1∶0.4，墙基础厚度2.876 m，基础坐落于砂卵石地基上。

坡式护岸：工程量较小，景观效果好，适宜采用宾格护坡，柔韧性、透水性、生态性较好；但其抗冲能力较浆砌石挡墙差，永久占地较仰斜式占用耕地较多；占地面积64.6亩，每米工程直接费用1816元。仰斜式护岸：开挖量小，构造简单，整体性好，抗冲能力及耐久性高，就地取材；属于硬性护岸，生态性较差，易产生不均匀沉陷，较重力式挡墙护岸占地大；占地面积39.7亩，每米工程直接费用2842元。重力式护岸：开挖量小，构造简单，整体性好，抗冲能力及耐久性高，就地取材，占地小，与右岸已成挡墙护岸相统一；于硬性护岸，造价高，生态性较差；占地面积6.3亩，每米工程直接费用3803元。项目区为山区，土地十分金贵，本次治理段沿河均为当地群众优质基本口粮田，坡式护岸和仰斜式挡墙护岸占用主要粮田较多，推荐采用仰斜式挡墙护岸。

从3种护岸的优缺点可以看出，坡式护岸每延米工程直接费较仰斜式挡墙节省1026元，多占用耕地24.9亩，占地投资每米多142元；仰斜式挡墙比重力式挡墙直接投资每延米少961元，多占用耕地33.4亩，占地投资每米多192元。由于本工程的特殊性，考虑本段河道流速较大，重力式浆砌石整体性、抗冲性及耐久性能高，右岸已成堤防均采用仰斜式浆砌石挡墙护岸型式，临水侧坡比为1∶0.4，本段治理河道总长约5.3 km，工程位置处在石艺园景区及狭长地带，土地面积本身十分紧缺，加之治理段沿河均为当地群众优质基本口粮田，坡式护岸和仰斜式挡墙护岸占用基本优质粮田较多，为充分兼顾保护粮食安全及防洪安全，集合当地实际，本次设计堤型采用仰斜式挡墙护岸，这样即节约了土地资源、确保了防汛安全，又使新修护岸与已成护岸型式协调统一，使整个治理段整体美观。

河堤设计：按照左岸挡墙外3.0 m宽堤顶及道路，外坡1∶1，堤身填筑料采用就地取材原则为砂砾料填筑，压实度为相对密度≥0.6。堤顶和边坡均做绿化，绿化植物选用种草措施。

4.2.4 河堤稳定性分析

4.2.4.1 河堤护岸抗倾稳定分析计算

河堤抗倾稳定性分析计算分两种情况：第一种在河道内有水时，水对堤产生向外推力，与河堤(挡土墙)后填土对河堤向内的推力可相互抵消一部分力，这种情况不是最不利情况；第二种当河道内无水时，堤防受到挡土墙后填土的推力最大，会产生最大的倾翻力，这时对河堤稳定为最不利的情况，堤防稳定计算对这种最不利情况下河堤的稳定性进行分析计算[15]。本设计挡土墙后回填为砂砾石料，γ=1.7 T/m3，浆砌石挡墙γ=2.2 T/m3。

按《防工程设计规范》(GB50286-2013)附录F的规定，焦岱镇石艺园段河堤挡土墙抗倾稳定计算采用下式进行计算：

(10)

式(10)中：K0为抗倾稳定安全系数；MV为抗倾覆力矩，KN·m；MH为倾覆力矩，KN·m。

(11)

表1 地基土的各项指标建议值

4.2.4.2 河堤护岸抗滑稳定分析计算

按《防工程设计规范》(GB50286-2013)附录F的规定，焦岱镇石艺园段河堤挡土墙抗滑稳定计算采用下式进行计算：

(12)

式(12)中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为底板与堤基之间的摩擦系数，卵石、砂砾石取0.5；∑W为作用于墙体上的全部垂直力的总和，KN；∑P为作用于墙体上的全部水平力的总和，KN。

5 结论

(1)通过计算，确定该工程的堤顶超高均取1.0 m；护岸冲刷深度为0.66～1.57 m，基础埋置深度均取1.5 m。

(2)对比3种堤型的优缺点及工程实际，本次堤型采用仰斜式挡墙护岸。

(3)通过对河堤护岸抗滑、抗倾稳定性的计算，防洪墙抗滑稳定、抗倾稳定、基底应力计算结果均在规范允许范围内，基底最大应力小于地基的允许承载能力220 kPa，且最大值与最小值之比小于3.0，说明防洪墙的抗滑、抗倾覆稳定剂基底应力均满足规范要求，防洪墙设计是安全的。