某山洪沟(河道)演变分析及河堤设计研究

朱 峰，陈 霞，王海涛，赵泱军

(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000)

1 工程概况

某山洪沟防洪区(八坝段～十坝段)涉及502户1308人，耕地面积4.0836万亩，戈壁农业示范基地农场6个，黑河沿岸林草地0.8万亩以及国家级重点公益林区[1]。防洪堤两岸分布有农田、蔬菜园(右岸桩号3+095～3+654段)、国家级重点公益林区(右岸桩号4+480～7+160段)等重点防洪保护对象。现状防护区只有部分少量已建土堤，结构简单，防洪功能低，不符合防洪标准要求，难以抵御较大洪水，且在河段内未能形成统一的防洪系统，部分河段宽浅，每逢暴雨，洪水肆流，周边受洪水灾害面积大，损失严重，无法发挥防洪工程的整体效益。防洪区内土地资源紧缺，人均耕地面积较小，由于洪水经常性的淘刷和侵蚀，河道两岸侵蚀耕地的数量逐年扩大，因洪水灾害造成的经济损失也在逐年增加。因此，本文在防洪治理工程中进行河道演变及河相分析，可以为河道治理措施提供技术参考依据。

2 河道演变及河相分析

河床在水流长期作用下，其水深、河宽、比降等形态与来水来沙条件及河床地质条件存在着一定函数关系，这种关系称为河相关系[2]。本文主要从河床稳定、河床河相关系及河型、河道平面河相关系、河道冲淤等方面对河道进行分析。

2.1 造床稳定分析

河道稳定分析计算主要包括河道河道纵向稳定系数和河道横向稳定系数的计算、分析，根据稳定系数，推断河道形态的稳定性。

(1)河道纵向稳定系数按下式计算：

(1)

式中：φh′为纵向稳定系数，φh′值越大，表明河道横向越稳定；d为床沙平均粒径；H为河流平摊水深，m；J为纵比降，根据实测计算。经计算，本河段的纵向稳定系数见表1。

表1 八坝段～十坝段防洪堤纵向稳定系数计算表

当纵向稳定系数愈小，泥沙运动愈强，河床愈不稳定，从表1中可以看出，八坝段防洪堤纵向稳定系数φh′=0.013～0.062，九坝十坝段防洪堤纵向稳定系数φh′=0.001～0.195，将计算结果与谢鉴衡主编的《河床演变与整治》书中对黄河与长江不同河型及河段的对应的纵向稳定系数进行类比分析，表明八坝段～十坝段在本防护区内河段的纵向稳定性较好。

(2)河道横向稳定系数按下式计算[3]：

(2)

式中：φb为横向稳定系数，φb值越大，表明河道横向越稳定；Q为造床流量，m3/s；J为河道纵比降；B为相当于造床流量对应下的平滩河宽，m。经计算，八坝段～十坝段防洪堤在本段的横向稳定系数见表2。

表2 八坝段～十坝段防洪堤横向稳定系数计算表

从计算表2可以看出，八坝段防洪堤横向稳定系数φb在0.548～0.753之间，九坝十坝段防洪堤横向稳定系数φb在0.367～0.621之间，同理与《河床演变与整治》课本中横向稳定系数进行类比分析，表明八坝段～十坝段防洪堤在本防护区内河段的横向稳定性较好。

2.2 河床河相关系及河型分析

河道断面河相关系主要由深宽比ξ来表征，反映了沿程河相关系的断面稳定性，当ξ值愈大时，表明河道断面愈浅，洪水对两岸河床侵蚀愈强烈，反之当ξ值较小时，则表示河道断面愈深，洪水对两岸侵蚀愈小，河道愈稳定[4]。河道横断面河相关系数为：

(3)

式中：ξ为河相关系数；B、H分别为造床流量下对应的水面宽度及平均水深，m。计算结果见表3。

表3 八坝河段河相关系数ξ计算成果表

经过对八坝段39个断面进行分析计算，该段河道河相关系数为8～17，ξ平均值为15(ξ取值区间约为2～4代表蜿蜒型河道，ξ取值区间约为20～30代表游荡型河道，ξ取值区间约为8～12代表较为顺直的过渡性河段)，所以该段河道偏向于游荡型河段。同理经过对九坝十坝段段53个断面进行分析计算，该段河道河相关系数为19～21，ξ平均值为20，所以本段河道偏向于游荡型河段。

2.3 河道平面河相关系

河道平面河相关系主要反映河湾平面形态与河道特征之间的关系，河道的平面形态是由一系列圆弧、反弧以及连接二者的直线段近似表示，在治导线布置时弯道半径R、直线段长度L应满足下列关系：

(4)

L>(1～3)B

(5)

式中：B为河道宽度，m；R为转弯半径，m；W为过水断面面积。

经过对八坝段～十坝段防洪堤天然弯道的河湾形态特征值的参数分析，转弯半径R=300 m～500 m，直线段长L=150 m～300 m，基本满足治导线布置的参数要求。

2.4 河道冲淤分析

河道冲淤情况采用《河床演变与整治》一书中河道冲淤判别公式中冲淤判别系数Ψ分析，冲淤判别公式为：

(6)

式中：Ψ为冲淤判别系数，当Ψ<1时，河床将发生冲刷；v为断面流速；h为断面水深；0、i分别为足标，0表示进口断面，i表示出口断面。

选取一典型断面进行计算，计算结果见表4。

表4 典型断面冲淤判别系数计算表

经计算，在防护区内冲淤判别系数ψ=0.38<1，表明在防护区内河床将发生冲刷。

3 堤身结构设计

根据河道演变特性以及河床冲刷特性，对堤身结构进行断面设计，初选仰斜式墙式堤防、重力式挡土墙、夯填砂砾石梯形断面土堤三种方案进行比选[5]，断面示意图见图1～图2，现按照河堤高度4.5 m比较分析。

图1 仰斜式挡土墙断面示意图

图2 重力式挡土墙断面示意图

从技术角度对比，结构性能直墙式护岸优于仰斜式挡土墙护岸，优于混凝土或浆砌石护面夯填砂砾石梯形土堤，但从经济角度比较，混凝土或浆砌石护面夯填砂砾石梯形土堤造价远低于重力墙式护岸和护坡式护岸的造价。所以性价比混凝土或浆砌石护面夯填砂砾石梯形土堤优于墙式护岸和护坡式护岸。

根据现场踏勘，八坝段～十坝段防洪堤均为汇合口以上地形较开阔，大多为荒滩，优先选择混凝土护面夯填砂砾石梯形土堤，见图3；汇合口以下较为狭窄，两岸有耕地和林地分布，只能选择仰斜式挡土墙断面或直墙式护岸，二者都有其优点和缺点，直墙式护岸方案占地少，但工程量大，工程造价高；仰斜式挡土墙方案较直墙式护岸方案占地稍多，但需要的浆砌石(或混凝土)量小，工程造价低。根据现场地形条件和经济合理的原则，结合堤段所处地理位置、河堤现状、堤基地层岩性、施工条件、筑堤建筑材料、工程投资等因素综合考虑，本次治理段堤防汇合口以上采用贴坡式护岸，汇合口以下采用仰斜式挡土墙护岸。

图3 夯填砂砾石梯形断面土堤

4 结论和建议

本文现有资料和计算成果分析，河床纵向、横向稳定性较好，但河道偏向于游荡型河段，由于河道为宽浅型，河床冲刷严重，根据河道演变特性及河相分析结果，进行八坝段～十坝段防洪堤堤身设计和整体布局，工程于2018年完工，本次防洪沟的治理，可以有效地保护防洪渠内人口、耕地、农场和公益林等免受山洪灾害，保护了防洪区内人民生命和财产安全。