中小河流治理中防洪堤设计探析

刘廷广

(长春市九台区水利项目建设办公室，吉林 九台 130500)

0 引 言

随社会快速发展，不规范开发建设事件不断发生，导致行洪区侵占问题不断加剧，致使河流源头区域的水土流失逐渐加重，河道断面逐渐缩小，这不仅降低河道对洪水、风浪等自然灾害的防御能力，同时对当地居民的生命财产安全也会造成严重影响，目前，河道治理工作已成为各地政府迫在眉睫的首要任务[1]。为响应各地政府有关河道治理工作提出的号召，文章以吉林省境内中小河流温德河某段为例，对中小河流治理中防洪堤设计进行研究分析。

1 布置治导线

治导线是于河道两岸布设整治工程所规划的水边线，通常以稳定河势流路为主要目的，由于其在中小河流治理中发挥作用突出，在实际工作中河流治理者应着重考虑以下几方面问题：①待整治河道应该与洪水流向或洪水趋势保持一致，尽可能避免对主河势方向进行更改或限制，因势利导，同时，避免设置新的人为冲点，以尽可能降低工程难度和投入成本；②应充分利用待整治河道中天然存在且相对稳定的河岸山咀、高坎、基岩等有利地形，以提高工程整体稳定程度；③尽可能预留充足的河道宽度，以获得良好的行洪断面。此外，作为防洪堤设计中的重点内容，治导线的布置还应严格遵循《中华人民共和国防洪法》第十九条中相关规定，从而为中小河流治理中的防洪堤建设打下坚实基础。

2 确定冲刷深度

所谓冲刷深度，实际意义上指的是河流处于大流量或高流速状态时对河床造成的侵蚀程度，是确定墩台设计埋深值得重要前提，因此在实际工作中，河流治理者应根据《支挡建筑物手册》中相关公式，对冲刷深度进行精准计算。对于一般冲刷深度(Hpm)，实际通常采用公式(1)进行计算，其中λ代表冲刷系数，WX代表未压缩的河道过水断面积，WG代表建堤后河道过水断面积，H代表堤前水深；对于局部冲刷深度(Hpi)，采用公式(2)进行计算，其中x代表水流方向与堤的夹角，V代表行进水流的平均流速，m代表河堤边坡系数，d代表河床表层d15粒径；对于总冲刷深度，则通过公式(3)进行计算。河流治理过程中，如果存在河流转角较大的情况出现，则应该采用抛石、加深齿墙等方式开展防冲刷处理[2]。

(1)

(2)

Hp=Hpm+Hpi

(3)

3 计算洪水位和河道断面

除确定冲刷深度之外，精确计算洪水位和河道断面也是中小河流治理防洪堤设计中的重要内容。想要确定洪水位和河道断面，则需要对待整治河道的控制径流面积、水文基本资料、各时段洪峰流量等内容加以确定，且需严格遵循设计相关标准，由于河道经治理后趋近于人工渠道，故在进行水力计算时可将明渠水流视为均匀流动。但在实际计算工作中，水文资料的调查结果通常伴有一定局限性，为避免测量误差对防洪堤的实际应用效果造成影响，则需要根据堤防等级，利用蒙特·卡罗方法结合以上内容，即可计算得出上下游洪水位和堤防安全加高值[3]。

4 确定工程地质条件和结构型式

工程地质是河流治理防洪堤设计的基础内容，实际设计过程中，受经费有限等因素影响，多数治理者通常不会对待整治河道的地质进行勘察。以吉林省境内中小河流温德河为例，该河流发源于吉林省吉林市永吉县南端的肇大鸡山西侧，河流穿行于丘陵地区，实地勘察发现，该河流源头河谷宽1-2.5km，河床宽约50m，多浅滩，河底为卵石，两岸冲刷严重，至口前镇附近，河谷宽约2-3km，河床加宽约100m，河底为沙和卵石，该河流河床地层通常以沉积层和冲积层为主，上部多为粉质沙土和砂砾石，中下部以砂砾石混凝土为主，基岩则为块状砂岩，岩面起伏较小，未见不良构造，具有较好的工程地质条件，故在防洪堤设计过程中，通常会将堤基分布于砂砾石层。防洪堤结构型式的确定应以河流当前洪灾发生情况和具体水沙特征为基础，并采取筑堤结合开挖河床的方式，与此同时，洪峰水面与支流交汇口的处理也应给予一定重视，以降低河床再造现象的发生风险。河堤的布置应以河段防洪功能、河段建筑材料的储备条件、河岸基础等因素作为基础，可需要根据地形和地质状况以确定河堤的结构型式[4]。对于地形相对平坦、低质相对较差的河段，可采用填筑河堤，另于迎水坡脚下设置由埋石混凝土现场浇筑的防冲刷齿墙，迎水坡面则选用混凝土护衬；对于河砍相对较高、基础地质相对较好的河段，可采用重力挡墙支砌或浆砌块石护砌的方式筑建河堤。此外，进行河堤布置的过程中，还需注意以下几点内容：①确定齿墙深度：防洪堤的堤前齿墙具有防冲刷、抗掏脚的功能，是影响防洪堤整体稳定性的重要组成部分，实际设计中，治理者应根据相关公式对最大冲刷深度进行精准计算，结合相关规范，以及堤防防冲基础深度应低于冲刷线0.5-1m，以确定齿墙深度，且该部分内容的工程量和施工难度均相对较大，因此，从遵循相关规范标准、施工难度、治理成本等多个角度出发，对齿墙深度进行确定。通常情况下，河道直线段齿墙埋深以2m为宜，弯道段则以3-3.5m为宜，另外在河道角度较大的险工段，需要设置大体积抛石以降低冲刷强度。②确定河堤几何尺寸：受堤身填土性质、断面形状、水文等多方面因素影响，堤防常在汛期发生漫顶、堤身滑坡、堤身渗透受损等险情，因此，在防洪堤设计过程中，应全面考虑多方因素可能造成的险情，从而为确保防洪堤具备较强的渗透稳定性和堤坡整体稳定性奠定基础。进行河堤几何尺寸计算时，可依照防洪堤保护区可接受洪水风险的概率，结合近期洪水、风浪等灾害现象的分析结果，对堤顶高程予以确定；堤防的坡度、堤顶宽度、压盖宽度等则可根据管涌特性进行确定；填土强度特性则需要依照堤坡的稳定性来确定；结合以往洪水、风浪等灾害状况，以及防洪需求，相应设置护坡、坡面排水、防渗设施等。③险工段堤防处理：根据河道角度，可将险工段分为一般险工段和特殊险工段两种，前者可采取抛石护脚的方式预防冲刷，而对于特殊险工段，不仅需要进行抛石护脚，还可在纵向齿墙迎水侧面设置横向短齿墙，以促进抛石群体性的全面提高。

5 实例分析

5.1 工程概况

以吉林省境内中小河流温德河某段为例，经测量得知该河段起始位置地理坐标E126.50°，N43.75°，河段长1334m。2017年7月，受暴雨侵袭影响，吉林省境内温德河等多条中小河流发生特大洪水，导致当地多处停电，造成移动和联通基站断电，对当地造成严重经济损失。2019年11月，吉林市人民政府发布《关于实施温德河水患治理工程 建立温德河流域安全防洪体系的建议》[5]，鼓励相关部门积极参与温德河整治工作，以消除水灾。

5.2 堤型级别与型式

防洪堤工程级别应严格参照防洪堤防洪标准(表1)和河道等级进行确定，针对温德河某段河道，由于该河流近期发生过特大洪水，且该地原有防洪体系被摧毁，因此，将防洪堤防洪标注、河道等级、河段近期状况等因素结合起来，文章构建防洪堤级别为4级。堤防型式方面，需要对基础处理、地质地形、交通要求等多方面问题进行综合考虑，且需要确保堤身断面满足整体/局部稳定、防渗/渗透稳定、防冲抗浪等基本要求。

表1 防洪堤工程级别

5.3 堤顶高程计算

由于文章拟筑建防洪堤属于四级建筑物，结合上文相关规范对堤顶高程的确定要求，堤顶高程应根据设计洪水位和堤顶超高进行确定，并根据公式(4)计算出堤顶高程具体数值，其中Y代表堤顶超高，R代表设计波浪爬高，A代表安全加高，KO 粗糙度，e代表风壅增水高度。结合文章设计和测量数据，计算得出R=0.21m，A=0.60m，e=0.00m(因设计风壅增水高度较小，所以文章将其忽略不计)，最终计算得出Y=0.81m，因此，相应防洪堤堤顶高程则采用洪水位(P=5%)+0.81m作为堤顶控制高程。

(4)

5.4 防洪堤断面设计

文章截取温德河河段左岸上游防洪堤长269m，河段中段防洪堤长711m，河段左岸下游防洪堤长354m，合计1334m。左岸选用浆砌石防洪堤，堤顶宽3m，堤高6-9m，于常年水位>50cm处设置宽2m台阶作为滨河道路，滨河道路迎水面以1:2放坡，台阶下迎水面选用直立墙体，背水面下2m处设置1∶0.3坡，并向内设置宽0.5m平台，另设置1:0.25倒坡至基脚，防洪堤墙背坡度设置为1∶1.6，选用砾石回填。

6 小 结

防洪堤设计在中小河流治理工作中作用突出，设计过程中，多方面考虑外界对防洪堤的影响，并结合当地地质特征，严格遵循防洪堤防洪标准，以制定出满足当地防洪需求的设计方案，不仅保护当地居民的生命财产安，对当地生态环境的持续性发展也可起到积极推动作用。