凉水河干河子河道治理工程护岸设计综述

巩建军

(北票市水务工程质量与安全监督站，辽宁 北票 122100)

河道治理是融合了美学、园林学、生态学、城市规划学、水利工程学、生物科学、环境科学等多门学科的系统性水利工程[1-2]。凉水河两岸生活及生产设施受历史洪灾影响损毁严重，加之河道采砂乱挖侵占严重影响了其行洪能力。结合地形勘测资料，遵循工程布设原则，全面考虑洪水行洪宽度和平面套绘结果，并给河道摆动预留一定的余地，科学布置河道防洪治理方案，从而实现河道行洪能力提升、稳定河床、防治洪水漫溢和河道侧向侵蚀等。

1 工程概况

凉水河子河为大凌河左岸一级支流，全长51km，流域面积751km2，发源于努鲁尔虎山平顶山，流经西官营镇、大三家乡、台吉镇和凉水河子乡，并最后汇入白石水库。凉水河子河干河子段治理流域地势北高南低，河道平均比降为4.99‰，弯曲系数1.07，基本为稳固型河道，河身比较顺直，在较长范围内往往宽窄相间，类似藕节状，河道滩槽分界明显，基本为单一河槽，平均河宽135m，河流弯曲部份河岸冲刷较为严重，形成多处险工。部分险段每到汛期有汛情时，当地政府都要疏散险段居民，给当地群众以及财产安全带来极大威胁，保护两岸安全，对凉水河子河进行全面科学治理十分重要且势在必行[3]。

凉水河子河治理段海拔高程204-258m之间，治理段上游起北票市西官营镇馒头沟桥，止于大三家乡大三家子大桥，治理总长度8.625km。以地形较平坦的河道两侧漫滩作为拟建工程位置，局部段属于陡坎，地势较陡，坎高多在1-5m左右。

2 工程总体设计

2.1 防洪标准

工程的防护对象是乡村和耕地及林地，依据国颁《防洪标准》2.0.1条规定：“以乡村为主的防护区要按照耕地面积和人口规模，将防洪标准划分为4个等级”如表1所示。

表1 乡村防护区的等级和防洪标准

目前，凉水河子河左右岸有45个村屯，人口1.40万人，耕地3.36万亩。在治理河段上，凉水河子河流域人口多集中在离河较远的高地上，凉水河子河整治主要保护对象为农田，并结合《凉水河子河河道治理规划报告》确定河道治理标准为10a一遇。

2.2 工程布置

凉水河子河流经低山丘陵阶地地区，河道多靠近阶地边缘陡坎，这正是河道的天然控制节点，但由于凉水河子河两岸阶地多为砂土结构，抗冲能力不强，因此阶地天然节点对河道的控制能力较低。历史上曾有因阶地陡坎坍塌而脱溜的现象，引起河势变化，所以对于控制长度不够，顶冲坍塌已经十分严重的地方需辅以工程，增强节点对河势的挖制。此外，现有较大险工段大多位于河岸变形较强烈、河道坍塌严重、冲刷强、水流急的位置，这也是河道整治的重点区域[4]。因此，为了更好的稳定河势，以防河道出现过大的摆动，可对河床变形利用建筑物来控制，这有利于保护岸滩耕地、林地、村庄等。为了改变水流对河岸的的顶冲，归顺河道水流，一般布置丁坝护岸。

对两岸因冲刷逐渐后退不断发展的弯道以及以上两种控导工程间距较大的中间河段，可采用平顺护岸以顺导流，河道整治方案如下：

1)对于岸坡陡峭、主流在岸边经过，岸坡受洪水冲刷塌岸严重河段采取削坡及工程与植物相结合护岸形式，中小洪水形成的主河滩以下采用石笼护岸，以上采用植物护岸的形式，布置石笼护岸段长5906m。

2)对主河岸较低且为陡岸，主流在岸边经过，岸坡受洪水冲刷塌岸严重河段采取工削坡且植物护岸形式，布置削坡植物护岸段长383m。

3 )对有弯曲河段采用石笼丁坝护岸上形式，共布置丁坝32座。对河道摆动段采取生态固滩治理措施，布置生态固滩8.356hm2，生态固岸2.24hm2，详见表2。

表2 河道治理方案

实践表明，“生物固滩”是一项重要的河道治理措施，这充分体现了现代生态治河理念，凉水河子河治理设计采取生物固滩方案，在河滩上种植灌木和乔木，沿河道滩地处形成护岸生态林带，其主要作用是利植物根系固滩，逐渐归顺河槽，减小河势的摆动[5-7]。其次，该措施是减小流速，减轻对耕地地表层土壤的淤积，生态措施无论是减少河岸崩塌，或是漫滩水流的挂淤，都将会一定程度的减少白石水库的入库泥沙。

2.3 方案设计

2.3.1 石笼护坡设计

石笼护坡及植物总长5906m。各段根据河岸情况采取不同的断面。

1)护岸形式及结构尺寸。现状岸形为陡坎，受洪水冲刷塌岸较为严重，把陡坎进行削坡，坡比为1∶2.0。然后采取石笼及植物护坡，石笼护坡顶高程取岸顶高程，厚0.4m，下设0.1m砂石垫层，砂石垫层下设400g/m2土工布，基础深1.5m，宽1.2m，石笼规格基础上顶1.1m，下底1.3m，高1.5m，长2.0m；护岸按实际高布置成一段或两段。

2)岸坡冲刷深度计算。设hB为局部冲刷深度，m从水面算起，hp为冲刷处的水深，m，v允为平均流速，m/s，v允为河床面上允许不冲流速，m/s，文中取0.4，n为反映岸坡形状的参数，可取1/4。可利用下式计算岸坡冲刷深度，结果如表3所示。

表3 石笼护岸冲刷深度计算结果表

(1)

2.3.2 植物护坡设计

植物护坡共1处，总长383m，即左岸桩号1+707-2+090段，平均岸高3.67m，现状坡较陡。受洪水冲刷塌岸较为严重，把陡崖进行削坡，坡比为1∶2.0，坡面采用植物护坡，植物为灌木，灌木株行距为0.5m×0.5m。

2.3.3 石笼丁坝设计

石笼丁坝设计按照短而密，成组布置，水流平顺，一座接一座，设计丁坝头基本平行于水流方向，使经过上一丁坝水流不冲下一丁坝坝根。石笼丁坝共布置1处，即左岸桩号0+167-0+711段，共布置丁坝32座，丁坝长10-15m，间距为10-20m，丁坝轴线与水流方向夹角为下挑30°，丁坝轴线与水流轴线夹角为30°。丁坝基础石笼(深×平均宽)1.8m×4.45m；基础以上顶宽1.0m，高是水深。

1)石笼丁坝长确定。根据河道弯度，坝缩窄河道宽度≤河道宽度的1/5，主河道宽为300m，石笼垂直河道宽度为269m，石笼丁坝长10-15m。

2)石笼丁坝间距确定。根据《堤防工程设计规范》规定，丁坝间距可为丁坝长度的1-3倍，根据河床情况：凹岸中部取丁坝间距为10m，凹岸起始段和终止段取丁坝间距为10-20m。

3)石笼丁坝断面尺寸确定。丁坝高为水深，顶宽1.0m，坡比为1∶1，基础深1.8m，丁坝冲刷深度利用下式计算，即：

(2)

式中：H为局部冲刷水深，m，从水面算起；h0、v分别为行近水流的水深，m、流速，m/s；α为为水流轴线与丁坝轴线交角；m为与丁坝边坡比，计算结果如表4。

表4 石笼丁坝局部冲刷水深计算结果

冲刷坑深度ΔH利用波尔达柯夫公式确定，其表达式如下：

(3)

式中：v为丁坝前水流的行近流速；K1为与丁坝在水流法线方向上投影长度l有关的系数，可按式K1=e-5.1(v2/gl)1/2计算；K2为与丁坝边坡系数m有关的系数，可按式K2=em-0.2m计算；α为丁坝轴线与水流轴线交角，当上挑丁坝(α>90°)时应取1；d为河床砂粒粒径；g为重力加速度，如表5所示所示。

表5 石笼丁坝冲刷坑深度计算结果

通过以上两种方法计算结果，根据当地最大冻层深度1.5m和近年来北票市已建成石笼丁坝实际运行情况，石笼丁坝基础埋深采用1.8m，符合该地区实际情况。

2.3.4 生态治河工程设计

生态治河主要是生态林工程，沿河道左右岸迎水面岸边坡脚形成5m宽生态灌木固滩林带8.356hm2，株行距0.5m×0.5m，每侧10行。左右岸河滩地岸边栽植乔木2.24hm2，株行距1.0×1.0m，共10行，共布设生态林总计10.6hm2，总计植树356670株。

树种选择适宜北票北部地区气候的灌木采用沙棘，乔木采用杨树。杨树集约栽培的关键环节就是选择适宜的栽植密度，这极大的影响着最终林分的最终收获量、培育及生长。但固滩要加密栽植，乔木宜采用1.0m×1.0m的株行距，共栽植22430株，灌木宜采用0.5m×0.5m的株行距，共植树334240株。

2.3.5 抗滑稳定计算

根据堤防工程设计规范，以稳定渗流期为计算期，以安全系数为目标，不考虑地震因素，利用圆弧滑动法确定滑裂面形状。孔隙水压力利用近似计算和有效应力法确定，考虑边坡外侧静水压力而不考虑渗透力作用，水面线数为6，,起点坐标为(0.000，-0.500)，坝坡外水位3.000m。圆弧稳定分析利用瑞典条分法，滑动方向与土条重切向分离相反时作为抗滑力，抗滑稳定性计算简图，如图1所示。

图1 抗滑稳定计算简图

经计算，总的下滑力为819.660(kN)，总的抗滑力为1284.288(kN)；土体部分的下滑力和抗滑力为819.660(kN)、1284.288(kN)，筋带在滑弧切向与法向产生的抗滑力均为0.000(kN)。根据计算结果可知，该工程大于允许抗滑稳定系数1.10，护岸坝工程抗滑是稳定的。

3 结 论

河道治理涉及因素多、覆盖范围广，局部河段治理不善将直接导致全流域环境与安全问题。目前，维持行洪安全和河床稳定的主流手段仍然是采取系列工程措施。随着时代的发展和社会的进步，河道治理方案不断完善，但对特定环境特定区域的设计仍然存在诸多设计难点和风险要素。因此，必须综合考虑治理河段地形地质条件、河道演变情况、河流特性等因素，按照周边环境、河流生态与治理工程相协调的原则，科学设计河道治理方案。