灯塔市浑河段堤防维修养护工程设计分析

赵 勇

(辽宁省灯塔市防汛抗旱河务服务中心，辽宁 灯塔 111300)

1 浑河河道现状

灯塔市境内有浑河、太子河及其支流等20条河流，总长310.54km2，甜水岭、古树子、银匠、葠窝水库分布其间。浑河发源于抚顺市东部，自东向西流经清原、新宾、抚顺、沈阳、辽中、灯塔、辽阳县、台安、海城、大洼、大石桥、营口等县市后注入辽东湾，河流全长415km，既是水资源最丰富的的内河又是独立入海河流。浑河流域面积2.5万km2，属于不对称水系，东侧支流密集而西侧支流较少，年径流量50～70亿m3。

近年来，随着工业化、城镇化进程的加快及人口规模的扩大，境内具有滞洪与储存功能的池塘、湿地、湖泊逐渐消失，河道被侵占问题突出，加之热岛效应、环境破坏大大增强了区域降水强度和频度。境内河流大多具有河床窄、坡降大、流速快、洪峰持续时间短、洪水暴涨暴落、洪枯水位变差大等特征，河道防洪标准低，普遍缺乏全流域的水土保持和全河道的生态保护、河湖治理、防洪规划，洪涝灾害严重。此外，地表硬化和植被减少加速了雨洪汇流，使得河道水流和流量的不可控性显著增大，河水冲刷侵蚀河床、河岸作用明显增强，城市洪涝灾害频发。

本次以灯塔市浑河一段8.58km的堤防工程为例，该河段行洪断面狭窄、河内泥沙淤积、河岸杂草丛生；由于没有防护措施现有部分堤段受水流冲刷形成片坡、陡坎，堤防安全受到潜在威胁，汛期来临时，在高洪水位和强降雨冲刷作用下堤防管涌、内外坡滑坡甚至溃堤等现象时有发生，对沿岸良田、果树、民房等造成冲击，给当地经济发展和群众生命财产安全带来巨大损失。因此，为保障沿岸群众、耕地和民房安全，必须对坝炕、堤防、河道等实行绿化修复、防护和清淤疏浚，不断增强流域防洪能力，为区域防洪安全和当地经济发展提供可靠保障[1-2]。

2 堤防维修养护工程设计

2.1 堤顶高程设计

依据设计洪水位加堤顶超高和设计规范有关要求合理[3]，合理计算堤顶高程，合理确定堤顶设计高程，以风壅水面高加风浪爬高加安全超高作为堤顶超高Y，其计算公式为：

Y=A+e+R

(1)

式中：A、e为设计风壅增高(m)和风浪爬高(m)，一般不考虑A值；R代表安全超高(m)，不允许越浪条件下取0.5m。其中，风浪因素的计算公式如下：

(2)

(3)

波长L利用平均波周期按以下流程计算确定：依据工程级别查《堤防工程设计规范》确定安全加高A，该堤防工程设计等级为5级，在不允许越浪的条件下安全加高A取0.5m，并利用下式计算波浪爬高[4]，即：

(4)

结合设计规范，单一斜坡上的正向波受风直接作用条件下，可以利用下式计算波浪爬高Rp，具体如下[5]：

(5)

表1 各河段堤顶高程设计表 m

2.2 护砌厚度与块石粒径

1)护砌厚度。堤防护坡设计选用干砌石，干砌石护坡厚度t利用《堤防工程设计规范》推荐的公式计算确定[6]，即：

(6)

式中：K1为干砌石护坡系数，文中取0.266；γ为水的容重，10.0kN/m3；γb为石头的容重，26.5kN/m3；H为计算波高(m)，d/L≥0.125时应取H4%，d/L<0.125时则取H13%，其中d为岸坡前或堤前水深，m；l为波长，m。

2)块石粒径。采用《堤防工程设计规范》推荐的公式计算块石粒径，其表达式为：

(7)

式中：d为块石折算直径，m；V为水流速度，m/s；g为加速度，m/s2；C为块石运动稳定系数，倾斜坡底取0.9；γ为水的重率，1.0g/cm3；γs为石块的重率，2.65g/cm3。

2.3 无纺布规格

无纺布的规格和技术指标在很大程度上决定了干砌石护坡的耐久性、稳定性，因此护坡反滤层设计时必须选用质量优异的无纺布[7-8]。结合设计资料和工程实际，本工程拟选用聚酯长丝纺粘针刺无纺布作为反滤层，其技术指标如表2所示。

表2 无纺布技术指标

2.4 冲刷深度计算

1)平行向冲刷。平行于岸坡水流所引起的冲刷深度利用规范推荐的公式确定，即：

hs=H0×[(Ucp/Uc)n-1]

(8)

2)垂直向冲刷。垂直于岸坡水流所引起的冲刷深度利用规范推荐的公式确定，即：

hB=hp×[(Vcp/V允)n-1]

(9)

式中：hB为冲刷深度，m；hp为该处水深，m，其中hp取设计水位最大深度；Vcp为近岸垂线平均流速，m/s；V允为允许不冲流速，m/s，其中Vcp=V×2η/1+η，V为行进流速，η为流速不均匀系数，按岸坡与水流流向的夹角α查表取1.0；n代表系数，取0.25。

3)设计最大冲刷深度。将各项冲刷深度按《堤防工程设计规范》分别进行计算，设计要求取值范围处于0.70-1.15m。通过与沿线村屯居民、各乡镇水利站和河道管理处的沟通，该河段历年冲刷深度平均值均在1.2m以下[9-10]。综合考虑实际情况和设计要求，确定最终的冲刷深度为1.0m和1.2m，将绿格网箱护脚埋深分别取1.0m和1.2m。

2.5 挡墙稳定计算

采用北京理正水工挡土墙稳定计算公式确定抗滑稳定系数，经计算该堤防工程的抗滑稳定系数为1.42，符合>1.20的规范规定要求。因此，可以认为灯塔市浑河段浆砌石挡墙能够达到稳定安全要求，其计算式为：

(10)

式中：μ为地基与挡墙基底面的摩擦系数，文中取0.4；∑G为作用于挡墙上的所有垂直荷载值；Pw代表基底面平行的滑动力。

2.6 绿格网箱设计

1)网箱材料。采用厂家生产的成品网箱现场组合而成的绿格网箱，经防腐处理制成矽胶涂塑镀锌钢丝，将水、空气与金属隔绝以防止其氧化生锈。

2)网箱规格。护岸绿格网箱的长为4.0m，宽1.0m-2.0m，高0.7m-1.0m，干砌石护脚网箱的长4.0m，宽0.8m或1.0m，高1.0m或1.2m。

3)网丝规格。矽胶涂塑后网丝转变成Φ3.5mm，网孔尺寸120mm×100mm，原Φ3.2mm边丝转变成Φ4.2mm。

4)力学性能。矽胶涂塑钢丝的断裂伸长率>10%，抗拉强度>400MPa，其外覆聚酯膜的断裂延伸率>180%，抗拉强度>220MPa。

2.7 桥涵维修工程

1)工程标准。桥涵维修工程主要是村级道路跨河建筑物，涵洞和车桥设计洪水频率为10a一遇，设计荷载满足Ⅱ级公路要求。

2)结构设计。依据《小桥涵标准图集》确定桥涵工程结构，验算不考虑。

3)主要材料。台帽、桥墩混凝土等级为C25，防撞墙、行车道板混凝土等级为C30；护底、护坡、墙体水泥砂浆选用M10；直径Φ≥10mm和直径Φ<10mm的选用HRB335、HRB235级钢，相关技术参数满足设计规范要求。

4)桥涵过流能力验算。新建桥涵5座，由暴雨形成流域洪水，采用经验公式计算汇水面积不超过10km2的设计洪水Q(m3/s)，即：Q=KFn，其中K为径流系数；F为汇水面积，km2；n为地区指数，F<1.0km2时n取1.0，1.0km2≤F<10.0km2时n取1.0。

3 结 论

防洪工程不仅关系着区域防洪安全和农田灌溉用水，而且涉及环境保护与经济社会稳定，在保证防洪安全的情况下充分发挥堤防工程效益，可为促进经济、资源和生态协调发展提供可靠保障。灯塔市浑河段堤防工程面临着复杂的形势，本次维修养护与沿河乡镇防洪安全、生态环境保护及生产生活密切相关，加强堤防维修养护，对于提高流域防洪标准具有重要意义，这也符合水利工程“强监管、补短板”的总基调。