析木西大河海城河重点河道问题分析及治理方案布局

刘 明

（皓筠工程设计有限公司,辽宁 沈阳 110000）

析木西大河是太子河一级支流海城河支流,发源于海龙川东麓,其支流黑金河、栗子园河、岔沟河、白草洼河于李房桥与打白虎村汇入西大河,流入析木镇。析木西大河2012年爆发洪水灾害,水利工程设施大面积毁坏,水毁工程修复后其河道防洪标准没有达到标准、抗洪能力差,高频率洪涝灾害限制居民生产与生活、制约地区经济发展[1]。为保障人民生命财产安全、营造稳定和谐的社会经济发展环境,对析木西大河海城河重点河道进行问题分析与治理方案布局。

1 重点河道问题分析

析木西大河重点段河道存在两个关键性问题：

其一,基础防洪设施薄弱。本次河道治理工程沿岸险工险段频率高,岸坡砂砾石处于裸露状态,防护措施不合格[2]。西大河接纳三条支流洪水汇入,在大规模强降雨天气下,河道防洪能力不达标、岸坡防冲能力差,致使附近农田冲毁、交通受阻、居民生命财产安全受到严重威胁。

其二,河道淤积严重。属山区河流类型的析木西大河存在显著的坡面陡峻、岩石裸露、径流系数大、汇流历时短等特征,当洪水下泻时常常伴有泥沙、草木和卵石等物质,因此河道河床构成以砾砂和粗砂为主；析木西大河上游汇入支流较陡,汛期泥沙量大,加深了河段内淤积程度[3]；此外,生活垃圾丢入河道造成淤堵,日积月累阻碍河道泄洪。

2 治理方案布局

针对基础防洪设施薄弱与河道淤积严重问题,对该流域重点河道进行防洪治理布局,一方面新建蜂巢网格护岸,提高河道抗冲刷能力；另一方面,开展透彻的河道底部清淤处理,促使水流畅通无阻,回归析木西大河重点段的正常泄洪状态。河道两岸蜂巢格网护岸长度设计为12.018 km,左岸右岸分别为4296 m、7722 m,桩号设置为19+945～20+503 m；设计河道清淤任务达558.0 m,目标是将恢复原有河道底宽8.0 m,清淤深度达到0.5 m。

2.1 方案实施的准备工作

为确保本次治理工作可行可靠,推算析木西大河水面线,证明本方案既能解决河道防洪能力差、河道淤积问题,又使得治理段不受海城河回水影响[4]。本研究基于《防洪标准》（GB 50201-2014）将防护标准设置为10 年一遇。

基于能量方程求取河道水面线,因为析木西大河山区天然河道水流属于恒定且非均匀的,一维水力计算程序下,一般河段的能量平衡方程表达式为：

式中：上下游两断面的水位差用ΔZ表示；河流流量均值模数为为上下游两断面过水面积均值。

桥壅水部分通过鲍尔达可夫公式计算,见式（2）：

式中：桥壅水高度为ΔZ1,m；水流入桥孔阻力相关系数用η表示；天然条件下桥下流速均值与冲刷条件下流速均值分别描述为V0和V。

本次河道断面采用2017年6月实测断面,析木西大河河口至黑金河拉木房河段实测 153 个断面,从中选取10座桥和36个控制断面,推求水面线的基本参数信息如下：水面线计算的起点水位为析木西大河入海城河河口断面处（桩号0+000）,起始水位为64.635 m,逐段向上游推算；洪水计算成果设计为：10年一遇洪峰流量为Q10=741.09 m3/s；依据2017年实测断面资料与河道主槽、边滩现状情况,确定综合糙率为0.035；水面线大断面为河道控制断面、桥孔处断面,一般间距为400 m～600 m。

结合《海城河河道治理规划》计算结果可知71.0 m为10年一遇洪水位值,对应的水位差值为4.508 m,水位值=71.0-4.508=66.492 m。该水面线推算结果显示,桩号0+600 m位置水位达66.492 m,在海城河洪水位顶托干扰下回水段长度为600 m。在本次工程方案中,析木西大河洪水位设计为69.918 m,1+789 m为起点标记桩号,可见河道治理方案回水段设计超出析木西大河较大部分,海城河回水不会干扰该段河道的治理。各断面水面线计算结果见图1。

图1 水面线计算成果

2.2 方案布局

2.2.1 蜂巢格网护岸

（1）蜂巢格网护岸结构设计

蜂巢格网石笼护岸厚度、边坡系数分别设计为0.30 m和1∶2.0,将无纺布铺设于网垫下方,规格为400 g/m3；坡脚处布局1.0 m×1.0 m规格的蜂巢格网石笼网箱护脚。蜂巢格网主材是低碳钢丝具有高防腐性,编织后呈六边形双绞合钢丝网状态,图2为蜂巢网箱结构示意图。

图2 蜂巢网箱结构示意图

蜂巢网箱在工程构件严苛标准下制作而成,双隔板蜂巢格网网面抗拉强度30 kN/m,不仅符合规范标准,且性能更优。蜂巢格网施工需遵循以下程序：地基处理平整且夯实完毕,基于测量的地形数据放定施工边线并标记；使用整齐石块贴附于蜂巢格网笼边以补齐裸露在外的定边、侧边[5]；使用小片石料填充明显缝隙确保蜂巢格网紧密坚实。以石料为填充主材的蜂巢格网容易形成柔性、透水的网垫结构,与河道岸坡防护工程治理的匹配度高。

（2）冲刷深度计算

以《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）为依据求取河道护岸工程冲刷深度,计算方法如式（3）所示：

式中：河道局部的冲刷深度用hs表示,冲刷处的水深为H0,n值为1/5；另外,近岸垂线流速均值Ucp与泥沙起动流速Uc计算方法如下：

其中,水流流速不均匀系数、泥沙容重、水容重描述为η、γs、γ；d50表示床沙粒径为5.00 mm。基于上述方法求取治理河道冲刷深度结果见表1。

表1 河道冲刷深度计算结果

表1数据显示,桩号0+000～0+890 m河段冲刷深度上限值为0.92 m,桩号1+983 以上河段冲刷深度在0.8 m以下。保障护岸基础埋深符合冲刷深度标准前提下,护岸基础埋深全部设计为1.0 m,符合标准的同时方便材料采购及施工。

2.2.2 河槽清淤修整

由于析木西大河重点段及支流黑金河段河槽内部坑洼严重、沙丘垃圾等杂物量大,干扰正常泄洪,对该河段实施河槽底部清淤修整。河槽清淤修整按自然比降开展,根据横断面图土方计算确定重点河段河槽底部清淤工程量。

在支流黑金河上游河段,对淤积严重的河道实施清理,其桩号标记为19+945 m～20+503 m,河道宽度为8.0 m,平均清淤深度达0.5 m,清淤长度设定为558.0 m。清淤修整后的河道河槽平整顺直,强降雨下河道泄洪能力大大改善。本工程河道清淤土用于河道岸坡的填筑,土质与土量均满足需求。

2.3 方案验算

2.3.1 护岸稳定验算

分别定义τb、τm、τc、τs表示水流动对河床底部的剪切力、岸坡剪切力、块石临界剪切力、岸坡临界剪切力,依据式（6）～式（9）计算4项剪切力值以评估护岸稳定性：

式中：断面水深均值与河床坡降用d、i表示,水重度为γw；防护系数用C表示,Dm表示块石中值粒径,γs为泥沙容重；表示河岸与水平线的夹角。本工程护岸稳定计算结果见表2。

表2数据显示,τb、不大于1.2倍的τc,同时τm不大于1.2倍的τs,可断定护岸至少达到0.28 m厚度才符合抗冲刷标准,本工程护岸厚度为0.3 m,因此本工程护岸稳定性通过验算。

表2 本工程护岸稳定计算结果

2.3.2 边坡稳定性验算

采用岩土工程系列软件求取本工程的边坡抗滑稳定。边坡填筑料设计指标如下[6]：边坡土料为砂质土,天然容重为18 kN/m3,饱和容重为20 kN/m3,内摩擦角为25°,粘聚力为0 kPa。该指标支持下各工况边坡整体抗滑稳定计算结果见表3。

表3 边坡整体抗滑稳定计算结果

表3数据显示,整体稳定性符合河道修整的安全标准。

3 结论

为增强析木西大河海城河重点河道防洪泄洪能力,营造稳定和谐的社会发展环境,分析了该河道目前存在的问题,利用新建蜂巢网格护岸、河道底部清淤两种措施制定了针对性的河道治理方案。本方案存在以下优势：（1）采用生态护岸与硬性护岸相结合策略恢复河道生态环境,不仅河道防洪能力得到提升,也兼顾了沿岸生态环境的保护,与当前低碳社会建设目标相适应。（2）本次治理中河道开挖土方大部分用于自身回填,剩余弃土用于土坑、岸坡填筑,与我国节约资源的基本国策相契合。由此可见,本方案有效治理析木西大河海城河重点河道之外,发挥了生态环保功能,为区域河流防洪建设、河道治理提供了有价值的参考。