秦安县葫芦河郑川段河道治理方案设计

刘兴强

(甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 河道概况

葫芦河因河床狭窄多曲折，形似"葫芦"得名，属渭河一级支流，黄河二级支流，发源于宁夏西吉县月亮山，自北向南流经宁夏(西吉)、甘肃(静宁、秦安)两省等各县，于甘肃省天水三阳川汇入渭河，葫芦河流域面积10740 km2，河长287 km，葫芦河在秦安县境内长45.2 km[1]，本次工程河段位于秦安县郑桥村～安坪村段，属葫芦河中下游河段，河谷两侧为强烈侵蚀的低山丘陵，山洪沟道发育，暴雨来临时，山洪凶猛，危害甚大，同时，大多数居民座落及已开发区在葫芦河两岸的Ⅰ、Ⅱ级阶地上，由于阶地与河床相对高差小，极易遭受洪水危害。工程拟设防段处没有完整的防洪体系，一遇洪水，股流摆动，侵蚀河床，近年来河床来回摆动，部分河岸耕地冲刷严重，河道狭窄，行洪不畅，洪水泛滥，险情环生，给两岸的宝兰客专、天巉公路及已开发区的防洪安全形成严重威胁。据现场勘查，葫芦河郑川段左岸已建斜坡式砼堤防1.1 km，右岸已建斜坡式砼堤防1.3 km，该段堤防建设年代久远，工程设计标准低，目前基础淘刷严重，部分护坡脱落，现已基本失去防洪功能，其余段耕地及园地高于河床1 m～3.5 m，未做任何防护。因此，通过河道治理，提高区域防洪标准，增加郑川新城规划面积，增强抵抗自然灾害的能力，对保护经济发展成果，促进区域经济社会可持续发展是十分必要的。

2 工程布置

本次河道治理工程布置结合治理段现状极易遭受洪水危害及郑川新城的全面建设需要，在满足河道治理有关规范中河道布置原则下，葫芦河郑川段工程布置进行维持原河道走向和将新区内葫芦河改线沿天平高速布置两种方案的比较[2]。

(1)方案一，维持原河道走向布置：此方案与天然河势保持一致，有利于减少人为改变天然沟道而带来的不利影响，施工难度小，工程造价较低，不涉及占地及拆迁，可以有效地保障河道，提高两岸企事业单位及基本农田抵御洪水的能力。但该方案葫芦河将新区分为左右两片，开发效益低，为了连接两岸需在新区内葫芦河上修建两座交通桥，不利于郑川新城的全面建设。

(2)方案二，将新区内葫芦河改线沿天平高速布置：郑川新区位于郑川村附近，现状葫芦河将新区分为左右两片，根据《公路安全保护条例》的规定，高速公路两侧的防护距离最低为30 m，在满足适当堤距要求的情况下，将新区内葫芦河进行改线沿天平高速外30 m布置，改线后开发区全部位于河道左岸，总开发面积约1067亩(方案一总开发面积约1055亩)，可连片进行规划设计，有效增加郑川新城规划面积，增强抵抗自然灾害的能力。此方案砂砾石开挖总量106.24万m3，新建堤防所需砂砾石夯填总量为42.75 m3，原河道砂砾石夯填总量约46.45万m3，故弃土量为17.03万m3。缺点是施工难度大、造价偏高。

方案一 斜坡式、直墙式相结合复式断面

随着郑川新城的全面建设，葫芦河两岸的经济快速发展，城镇建设规模逐步增大，增加郑川新城规划面积、连片进行规划设计是十分有必要的，故推荐方案二将新区内葫芦河改线沿天平高速布置。秦安县葫芦河郑川段段堤防治理工程设防标准采用20 a一遇洪水，工程级别为4级，本次治理河长3.5 km，经综合分析考虑该防护区新建堤防5.342 km(其中葫芦河左岸新建堤防2.436 km，葫芦河右岸新建堤防2.906 km，具体布置为：左岸桩号0+000～2+436段新建堤防2436 m，起点与天巉公路6#桥墩顺接，末端与天巉公路7#桥墩顺接，右岸桩号0+000～0+779段新建堤防779 m，起点与葫芦河已建堤防末端相接，末端与天巉公路6#桥墩顺接，右岸桩号0+792～2+919段新建堤防2127 m，沿新建天平高速布置，起点接天巉公路6#桥墩，末端以山体高岸坎结束。

方案二 C20砼墙式护岸

3 堤防设计

3.1 堤岸防护型式及衬砌材料选择

(1)堤岸防护型式的比选

河道堤岸型式较为常见的有坡式、墙式，墙式也称重力式[3]，其防护形式的特点以适用范围见表1。

表1 坡式、墙式(重力式)防护型式比较表

由于本次治理段堤高较高，选用墙式护岸工程量较大，造价偏高，施工难度较大，故治理河段对堤身结构进行斜坡式、直墙式相结合复式断面、斜坡式(夯填砂砾石梯形断面土堤护岸)两种方案的比较，根据相似断面对两种护岸进行比较(不计价差)，堤高均按12 m计，护岸防护型式的比选见图1和表2，复式护岸断面每千米投资约1191万元，斜坡式护岸相似断面每千米投资约878万元，从工程经济角度比较，每千米造价斜坡式护岸低于复式护岸357万元，从技术角度比较，采用斜坡式、直墙式相结合复式断面具有抗冲能力强、耐久性好、挖方量较小，实施比较容易等优点，复式护岸结构性能优于坡式护岸，因此治理段堤岸防护型式选用复式断面护岸。

表2 堤防(护岸)型式比较表

(2)复式护岸构筑材料的比选

本次治理段断面形式采用复式护岸，迎水面边坡为1∶1.5，背水面边坡为1∶1.25。C20砼护面型式为常规斜坡式护岸护面做法，其优点为可就地取材，投资较少，强度及抗冲能力均能满足设计要求。但随着社会的发展，河道的治理已经不在局限于防汛，而应注重人与自然和谐相处，集防汛生态平衡为一体的综合型河道。因此对复式护岸斜坡段构筑材料用C20砼和格宾石笼护面进行比较，构筑材料的比选见图2和表3，经分析复式护岸斜坡段C20砼护岸每千米直接投资约1280万元，格宾石笼护岸每千米直接投资约1191万元，因此复式护岸斜坡段构筑材料选用格宾石笼。

表3 墙式堤防(护岸)材料比较表

图2 复式断面格宾石笼坡式断面

图3 复式断面C20砼坡式断面

格宾石笼植草绿化防护是目前夯填砂砾石梯形断面护面常见的一种生态治理型式。格宾石笼厚度计算参考《生态格网结构技术规程》(CECS 353:2013)中绿滨护坡厚度计算。绿滨垫中填石的平均粒径Dm应按下式计算：

(1)

Cv=1.283-0.2log(R/b)

(2)

绿滨垫厚度：t=2.0Dm

式中：Dm为填石的中值粒径，50%的填石粒径超过该值；S0为粒径安全系数，本文推荐最小1.1；Cs为填石稳定系数，本文取0.1；Cv为流速分面系数，Cv≥1.0，在堤和混凝土渠道的端部一般为1.25；D为流速V处局部水深，m，取2.33 m;rs为填石的重度，kN/m3，取26.5 kN/m3；γw为水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；V为断面平均流速，m/s，通常取水面以下0.6倍水深处流速，或者取0.2倍、0.8倍水深处流速平均值，取2.42 m/s;G为重力加速度，9.81 m/s2；K1为边坡修正因子，1∶2取0.88，1∶3取0.98，1∶4以上取1.0；R为水力半径，取34.54；B为水面宽度，取33.71。

经计算，绿滨垫中填石的平均粒径Dm为0.156 m，故绿滨垫厚度应不小于0.31 m，查《生态格网结构技术规程》(CECS 353:2013)绿滨护坡厚度表3知：衬砌厚度0.4 m，填石尺寸100 mm～200 mm时，临界流速为5.5 m/s，极限流速为7.2 m/s，故本次设计格宾石笼厚度取为0.40 m。格宾石笼上可铺设种植土，上面喷射高性能生态基层，种植低矮植物。

3.2 堤防设计

葫芦河新建复式断面堤防采用斜坡式格宾石笼护坡与C15砼重力式挡土墙相结合形式，堤防设计主体为夯填砂砾石，要求相对密实度不小于0.60，横断面设计为梯形，设计堤顶宽度3.0 m，斜坡式格宾石笼护坡厚40 cm，临水面边坡1∶1.5，背水面边坡1∶1.25，重力式挡土墙材料为现浇C15砼，顶宽40 cm，挡土墙高为5.5 m，迎水面坡比1∶0.4，背水面为直墙，前后趾宽×高为0.30 m×0.60 m，墙身采用夯填砂砾石，夯填相对密度应不小于0.60。斜坡式格宾石笼护坡与重力式挡土墙之间设2 m宽亲水平台，铺设40 cm厚格宾石笼，重力式挡土墙临水面深弘高程处铺设12 m长、0.4 m高格宾石笼水平防冲层。重力式挡土墙沿堤线每10 m设一道宽20 mm的横向伸缩缝，缝宽2 cm，填缝材料为闭孔聚乙烯泡沫板，砼抗冻等级为F150，抗渗等级为W6。

4 结论及建议

葫芦河郑川段防洪工程的修建可保护兴国镇郑川村708户居民2774人及2612亩耕地、邢湾村234户居民977人及2321亩耕地、西川镇安坪村388户居民1772人及2815亩耕地、郑桥村276户居民1278人及1747亩耕以及郑川新城的安全。根据防洪区内现状堤防建设情况和存在问题，综合治理河长3.5 km，经综合分析考虑该防护区新建堤防5.342 km，其中葫芦河左岸新建堤防2.436 km，葫芦河右岸新建堤防2.906 km。河道治理工程于2019年完工，河道治理后，防洪效果明显。