程海湖生态修复项目河门口治理工程设计

左安垠 孙文召 孙曙鸿

摘要：通过对程海湖生态修复项目（一期）工程入湖河道现场现状、洪水特性、地质等调查统计分析，对13条入湖河道河门口治理作出设计策略，根据调查统计分析及水力学计算结果，设计出堤防基础埋设深度、导流墙及固床坝等埋设深度、堤身结构等，成果经1a洪水冲刷无损毁，监测结果与设计理论相一致，具备设计要求的抗洪能力。

关键词：程海湖生态修复;河门口治理;防洪;生态设计

1项目背景

由于社会、自然等原因，程海湖区域生态环境一度进入长期修复期。环湖截污、引水补水、生态修复是抢救性保护程海三大措施，由于干旱、干扰大、管控空间受限、土壤砂砾石含量高、污染等制约因素，如何通过生态修复的手段来改善与创造一个良好的生态环境，是近年来程海湖生态环境建设的重点和难点，在生态修复绿化过程中如何提高植物成活率及保存率，是目前面临的难题之一。2018年以来，实施了程海湖生态修复省级重大工程项目，分两期实施，一期投资1.94亿元、二期投资4.24亿元，包括植物工程、河门口治理工程、灌溉引水工程、生態管护廊道工程、防护网工程、土壤改良工程六大分部以及退耕还湿。为提高入湖河道的防洪能力，降低洪水对程海水质的影响，对程海湖生态修复项目（一期）工程水土流失严重的13条入湖河道河门口进行工程治理防洪生态防护科学设计，为二期13条入湖河道河门口治理设计提供了参考。

2 设计区域特性分析

2.1 暴雨洪水特性

项目区所在流域属于横断山脉纵谷区滇西北部金沙江河谷区，处于低纬高原区，具有较独特的高原山地季风气候特点，干湿季分明，冬春多旱，辐射强，夏季降雨量充沛，属中山山原亚区的中亚热带气候区。本地区暴雨洪水主要受延伸的西南和东南暖湿气流影响，多集中于6-10月，具有明显季节性。流域内多年平均最大24h降雨量为73.5mm，实测最大24h降雨量为124.8mm（永胜气象站1989年7月27日）。每年6-8月间，以单点暴雨为主，暴雨时空分布不均。本地区洪水源于暴雨，地区分布及发生时间与暴雨一致，次洪历时与净雨历时一致，一般在16h左右。根据本流域暴雨洪水特性，结合设计流域属小汇水面积的具体情况综合考虑，确定设计洪水历时取值为24h。

2.2 洪水分析

根据谷歌地球仪量算流域特征值，各河道流域面积、河长、比降成果见表1。通过上述分析水库流域的点暴雨统计参数及流域特征值、产汇流参数，根据《云南省暴雨洪水查算图表实用手册》中的暴雨洪水计算方法，推求得到各河段设计洪水峰量成果见表1。

限于项目区无资料，并且汇水面积均较小，采用经批准的《云南省暴雨洪水查算图表实用手册》推求设计洪水符合《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）的有关规定。

由表1可看出，各频率设计洪水的峰值具有随频率数值增大而逐渐减小的趋势，符合一般水文规律。说明各频率设计成果之间无明显的矛盾。综上所述，在现有资料条件下，采用暴雨途径查图法推求的设计洪水成果是基本合理的。

2.3 地质分析及评价

工程区位于扬子准地台丽江台缘褶皱系鹤庆-洱海褶皱束，断裂、褶皱发育，地质构造较复杂。工程区地处下关-剑川地震带边缘，北侧及南西侧为剑川-丽江及鹤庆-洱海大断裂，西侧金沙江-红河大断裂，北东侧分布程海-宾川大断裂。上述活动性大断裂至今仍有强烈活动。为较强震区域边缘，地震活动频繁。因此工程区的区域构造稳定性较差。根据1∶400万《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）工程区地震动峰值加速度为0.30g，地震反应谱特征周期为0.45s，对应地震基本烈度为Ⅷ度。

3 河门口治理设计

3.1 河门口治理策略

根据程海湖生态修复项目（一期）范围内地形地质条件及流域暴雨洪水特性，为提高入海河道的防洪能力，降低洪水对程海水质的影响，在各入湖河口采取工程措施，对水土流失严重的1#-13#入湖河道进行防护治理。其中，2#、3#、10#防护型式采用埋石混凝土挡墙，12#河道采用格宾石笼挡墙，其余部分采用底部防冲刷埋石混凝土挡墙，上部生态土堤，土堤靠河侧采用格宾石笼护坡，背河侧土堤植草护坡，设置埋石混凝土导流墙、固床坝。

3.2 河门口水力学计算

根据国标《防洪标准》（GB50201-2014），以乡村为保护对象，人口小于20万的防洪标准为10-20a，考虑经济、社会等多方面因素，确定河门口治理河段防洪标准为10a一遇。

依据河门口10a一遇标准流量，采用理正水力学计算模块（恒定非均匀渐变流）对治理河段进行水力学计算，拟定河宽按原有河宽，计算参数及结果见表3。

由计算结果可知，河门口计算水深为0.23-0.99m，考虑一定的超高（0.5m），堤顶高度为0.73-1.49m，考虑到各个河门口之间的断面协调、美观，格宾石笼生态土堤（下部为埋石混凝土护脚）河床以上高度为2m。

3.3 堤防基础埋置深度确定

根据《建筑地基基础设计规范》及相应结构设计规范的有关规定，干流河堤基础埋置深度应符合以下要求：

1）基础不得置于有机土、泥炭、腐殖土及废弃垃圾上;

2）河堤护脚埋置深度应满足抗冲刷和冻结深度的要求。

河门口治理工程堤基主要置于砂砾石地基上，河道堤线平顺地段，河堤与河道主流方向基本一致，按水流平行河道条件下考虑，冲刷深度计算根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）附录D.2中的计算公式进行计算：

式中：hs —局部冲刷深度（m）;

n — 平面形状系数，n=1/4～1/6，取n=1/4;

Ucp— 近岸垂线平均流速（m/s）。

Uc— 泥沙起动流速（m/s），采用张瑞瑾公式计算;

U— 行进流速（m/s）;

H0 —冲刷处水深（m）;

η—水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角确定。

根据项目治理河段各河道断面流速、水深及河床颗粒组成情况计算平行河道冲刷深度。

根据计算结果，河门口冲刷深度一般为0.15-0.96m。根据规范要求，堤防基础应置于最大冲刷深度以下0.5-1.0m，结合冲刷深度，考虑程海湖降雨经常有单点强暴雨的现状，河门口基础埋深取为2m。

3.4 堤身结构设计

3.4.1 挡墙稳定性计算

程海湖生态修复工程主要考虑采用埋石混凝土挡墙型式、埋石混凝土护脚加土堤。对两种挡墙形式的典型断面采用理正软件进行结构稳定计算。

型式1，C20埋石混凝土重力式挡墙，墙高4m，墙顶宽0.6m，迎水坡坡比为1∶0.2，背水坡坡比为1∶0.3，墙后采用开挖料回填至地面。

型式2，生态土堤底部防冲刷埋石混凝土挡墙，墙高2m，墙顶宽0.4m，迎水坡坡比为1∶0.2，背水坡坡比为1∶0.3，土堤靠河侧坡比1∶2，采用格宾石笼护坡，土堤背河侧坡比1∶1.5，采用植草护坡，土堤顶宽3m。

主要的地质参数建议值见表5。

堤防稳定计算软件采用理正岩土计算模块，主要计算参数及工况如下：

a.挡墙及墙后土石方填筑设计参数

埋石混凝土及C20混凝土容重γ=23kN/m3;

土石方填筑相对密度>0.6。

土石方填筑内摩擦角为23.5°，粘聚力为0kPa。

基底摩擦系数0.5。

b.荷载

墙自重、墙背填土重、墙背土压力、水压力、扬压力。

c.运行情况及荷载组合

工况1：正常运行——防洪墙背水侧水位为设计水位，迎水面水位比背水侧水位低1m，荷载组合为自重+墙背土压力+土重+水压力+扬压力+人群或车辆荷载;

工况2：正常运行——防洪墙临水侧为汛期多年平均流量对应水位，背水侧水位比临水侧水位高1m，荷载组合为防洪墙自重+墙背土压力+土重+人群或车辆荷载;

工况3：非常情况——防洪墙临水侧水位为最低枯水位，背水侧水位比临水侧水位高1m，墙后填土表面计入碾压机械荷载。

计算成果统计见表6-7。从表中可看出，在各种计算工况下，挡墙抗滑、抗倾稳定安全系数均满足规范要求。

3.4.2 渗流稳定计算

土堤背水侧为原地面，整体较为平缓，潜在滑坡为临水侧坡面，在设计洪水位下对土堤断面进行渗流计算，并按正常工况和非常工况进行边坡稳定计算。

（1）正常工况

①设计洪水位临水侧堤坡的稳定。

②设计洪水位骤降至2年一遇常水位，临水侧堤坡的稳定。

（2）非常工况

③施工期临水侧堤坡稳定

计算软件采用Autobank，渗流计算方法采用有限元分析法，稳定性分析采用简化毕肖普法，计算见图6，最大剖面上游在设计水位下，单宽渗透流量2.47*10-5m3/s，渗流出口处最大渗透坡降0.023，土堤允许渗透坡降为0.5。计算成果见表8。从计算结果可看出，所拟土堤边坡稳定满足规范要求。

3.4.3 地基承载力

新建堤防重力式挡墙基础全部置于砂卵砾石层，基底应力计算成果见表6。从计算可看出，在各运行工况下，基底均不出现拉应力，其最大压应力为76kPa，其他均小于该值。最大应力比为0.3，地基允许承载力为250kPa，可见，各工况地基承载力均满足规范要求。

新建堤防地基承载力须不小于250kPa。

3.4.4 堤基处理

堤防的基础承载力不足的河段，对地基进行夯实后，用碎石进行基础换填。堤防基础施工时，临水面护脚基础埋置深度满足抗冲刷要求。

3.4.5 背河侧处理

上部生态土堤并植乔、灌、地被、草被护河堤、土堤背河侧植草护坡，河堤设计断面参数见表9。

4 成果抗洪能力监测结果

4.1 程海区域监测点2019全年及2020年1月1日-7月30日降雨强度

2019年单次24h内降雨40mm以上共计11次，最高降雨92.7mm;2020年7月30日止月单次24h内降雨20mm以上共计4次，最高降雨58.9mm。2019年年降雨量与正常年份一致。见表10。

4.2 成果抗洪能力监测结果

2019年年降雨量与正常年份一致情况下，13条河道治理段无洪水冲刷损毁。

5 结论

（1）对程海湖生态修复项目（一期）工程水土流失严重的入湖河道河门口进行工程治理防护设计，对减少入湖河道水土流失、改善入湖水质、生态美观、确保工程区内河道的防洪及拦截泥石流入湖能力、改善入湖水质具有重要的作用和意义。

（2）通过对程海湖生态修复项目（一期）工程入湖河道现场现状、洪水特性、地质等调查统计分析，对13条入湖河道河门口治理作出设计策略，根据调查统计分析结果及水力学计算结果，设计出堤防基础埋设深度、导流墙及固床坝等埋设深度、堤身结构等结论，成果经1a洪水冲刷无损毁，监测结果与设计理論相一致，具备设计要求的抗洪能力。总结经验撰写论文，为二期及类似工程项目设计提供参考。

（3）工程区无洪水分析资料情况下，根据谷歌地球仪量算流域特征值，各河道流域面积、河长、比降成果，通过暴雨洪水特性分析的水库流域的点暴雨统计参数及流域特征值、产汇流参数，根据《云南省暴雨洪水查算图表实用手册》中的暴雨洪水计算方法，推求得到各河段设计洪水峰量成果，作为河道工程治理数据依据使用。

参考文献

[1] 路永珍.某水电站高边坡稳定性分析及岩体强度参数反演[J].云南水力发电，2019，35（5）：33-35.

[2] 邹佳成，翟祥军，陈旭东，等.排洪渠开挖对桥梁桩基影响及其边坡稳定性分析[J].云南水力发电，2019，35（5）：48-53.

[3]陈经纬.镇康河防护堤设计分析[J].云南水力发电，2018，34（5）：158-160.

[4] 钟延江，郭家忠，冯汉斌，等.胡家山水库左岸坝肩边坡稳定性分析[J].云南水力发电，2017，33（5）：102-106.