白水河水利工程河道生态护坡施工设计研究

宋召宾

（兴义市水务局七舍片区水务站，贵州 兴义 562400）

一直以来，每遇暴雨或山洪暴发，洪水会将泥沙带入白水河流域河床，使河床逐年抬高，导致河道过水断面逐年变小，排泄洪水能力逐年下降，造成粮食减产，群众受灾，给当地造成较大损失。近年来，义龙新区严格落实“河长制”，把河道治理作为乡村振兴的一项重要任务，以实现“河畅、水清、岸绿”为目标，组织开展综合治理工作，改善该河段的局部垮塌、边坡不稳等问题，有效保护了沿岸生态环境，防止了水土流失。本次河道治理长度约11.12 km（含支流0.73 km），拟通过生态修复的方式开展河道护坡治理，实现疏通河道，修复河岸以及美化河堤的目的。

1 工程概况

工程位于贵州西南部，处于南盘江与北盘江分水岭南侧，所在河段为白水河（又名淌淌河），属珠江流域，是南盘江的一级支流，发源于安龙县北部海子乡的庙湾村，东经105°12′，北纬25°15′，高程为1 498 m。其主河长53.10 km，落差968 m，全流域面积为378 km2。治理河段起点位于柘仑水库下游约200 m 处，终点位于白水河科汪段，治理河段区间集雨面积为89.10 km2，治理河段长10.39 km。

2 工程任务及规模

白水河水利工程治理河段主要任务是保护白水河（柘仑水库至科汪段）及一级支流长河两岸群众和农田免受10 年一遇的洪水侵袭，同时把河道治理作为乡村振兴的一项重要任务，以实现“河畅、水清、岸绿”为目标。治理河段河道加权平均比降为22.8‰，各控制断面的平均底坡相差不大，根据现有沿河建筑物布置情况，因地制宜地对各河段采取相应工程措施进行治理。其河道现状如图1 所示。

图1 白水河流域治理范围示意图

白水河流域河道治理工程的主要内容为：综合治理河道11 124 m，新建左、右岸堤防7 210 m（其中白水河段5 910 m，长河支流段1 300 m），河道清淤7 164 m。按照国家《防洪标准》（GB 50201—2014）的规定并结合《中小河流治理管理办法》的规定，根据白水河流域实际情况，以“规划一张图，建设一盘棋”的思路，防洪标准采用10 年一遇洪水设计，工程等级为Ⅴ等，主要建筑物级别为5 级，次要及临时建筑物级别为5 级。白水河治理流域特征参数见表1。

表1 白水河治理流域特征参数表

3 设计洪水

治理河段设计洪水由两部分组成：柘仑水库下泄洪水与治理河段区间洪水，由于桩号3+400 处有一较大支流汇入，因此治理河段设计洪水分两段计算。区间设计洪水采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》与其修订本的计算方法，根据确定的暴雨参数H24h＝110 mm，Cv＝0.45，Cs/Cv＝3.5；H1h＝47 mm，Cv＝0.4，Cs/Cv＝3.5，以及流域参数来进行设计洪水计算[1]。25 km2≤F≤300 km2，θ＜30，采用计算公式为：Qp=0.357Y10.922·f0.36·J0.24·F0.716·（CKpH24）1.23。

式中 Qp——设计洪峰流量（m3/s）；

Y1——汇流系数，0.335 m；

F——流域面积（km2）；

f——流域形状系数，f=F/L21；

J——主河道比降；

C——洪峰径流系数；

Kp——设计频率为p 的频率曲线模比系数；

SP——设计最大1 h 点雨量。

根据以上方法，计算出柘仑水库至治理河段起点区间河段各频率设计洪水，设计洪水过程线采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》中概化过程线[2]，成果见表2。

表2 治理河段设计洪水成果（Qp） m3/s

4 堤型设计

河堤布置沿原河道布置，在满足河道转弯半径的情况下进行局部调整，以符合行洪能力为准，河堤采用生态式河堤治理，生态式河堤下部采用尺寸1 m×1 m×2 m的石笼格宾挡墙，上部采用尺寸1 m×1 m×1 m 的石笼按照1∶0.5 的坡比码放形成护坡，护坡外侧设置3 m 宽人行步道，人行步道两侧设置2 m 宽绿化带，护脚内侧边缘起坡，顺原地面线削坡护砌，地形较低处采用土夹石碾压回填[3]。迎水面坡比为1∶1.5，迎水面常年水位以上为雷诺护垫护坡，堤顶采用宽0.4 m 的M7.5 浆砌石压顶，其断面简图如图2 所示。

图2 河堤设计断面图

按照因地制宜、就地取材、经济实用、便于施工和满足防汛管理的要求，结合地形地貌拟修筑的形式有：①全断面衬砌治理；②修筑重力式河堤进行治理；③贴坡式堤岸进行治理；④生态式堤岸进行治理。对4 种堤型进行比较如表3 所示。

表3 河道治理堤型比较表

根据本河道的实际情况及防洪任务，结合当地的地质及地形条件及对防洪堤的稳定要求，堤型选择主要有刚性和柔性两种。刚性堤型主要材料采用传统的浆砌石和混凝土等，从现代河道治理的理念（亲水性生物保护多样性）等方面考虑[4]，一般不宜选择刚性材料；柔性材料主要采用格宾笼、雷诺护垫及网格草皮护坡等，堤防形式一般有斜坡式、直立式等。根据白水河流域治理河段主要为产粮区且为基本农田保护区，土地资源珍贵，不宜选择斜坡式，应选择重力式复式生态堤型和重力式堤型进行比较，通过比较主要采取生态式河堤进行治理。

4.1 堤顶高程计算

工程防洪堤为5 级建筑物，根据《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）中规定，堤防顶部高程按设计洪水位加堤顶超高确定[5]，堤顶超高按下式计算确定：

式中 Y——堤顶超高（m）；

R——设计波浪爬高（m）；

e——设计风壅水面高（m）；

A——安全加高（m），5 级建筑物，允许越浪时取0.3 m。

土堤整治后稳定计算成果如表4 所示。通过计算结果表明，正常运用条件下稳定安全系数均大于1.15，非正常运用条件下稳定安全系数大于1.05，满足规范要求。

表4 土堤整治后稳定计算成果表

4.2 护脚稳定计算

计算工况分为两种。一是基本荷载组合（工况一）：墙前水深（0 m）+墙后水深（0 m）+墙背填土压力+扬压力+自重；二是特殊荷载组合（工况二）：墙前水深（0 m）+墙后水深（3 m）+墙背填土压力+扬压力+自重[6]。计算公式为：

抗滑安全系数：Kh=f∑G/∑P（砂f=0.35，基岩f=0.45，土f=0.18）

抗倾安全系数：Kq=∑MV/∑MH

基底应力：δ=∑G/A±∑M/∑W

计算成果见表5。

表5 岩基基础稳定及应力计算成果表

由表5 可知，抗滑稳定安全系数均大于1.15，抗倾安全系数均大于1.45，最大基底压应力远大于基岩承载力且基底未出现拉应力，设计成果满足规范要求。

4.3 堤防冲刷计算

水流平行于岸坡时产生的冲刷计算公式：

式中 hB——局部冲刷深度（从水面算起）（m）；

hp——冲刷处深度（以近似设计水位最大深度代替）（m）；

vcp——平均流速（m/s）；

v允——河床面上允许不冲流速（m/s）；

n——系数，与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=0.25。

堤防冲刷计算成果见表6。

表6 堤防冲刷计算成果表

从表6 得知，河道砂卵石层河床岸坡产生的最大冲刷深度为0.74 m，根据计算成果及地质情况分析，工程基础埋深大于或等于0.80 m，堤轴线沿线表层主要为松散砂卵石层，由于颗粒级配差且透水性较强，细小颗粒易被带走，影响堤基稳定性，不宜作为防洪堤持力层[7]。因河流堆积岸冲洪积层广布，表层较为松散，河水冲刷较强烈，拟建河堤为生态式河堤，拟选择稍密状砂卵石层作堤基持力层，格宾石笼护脚、预制混凝土块砌体基础埋深不宜小于1 m，板桩护脚基础埋深不宜小于1.50 m，河床部分应深入深泓线0.50 m 以下。针对基岩埋深较浅的局部地段，选择强风化基岩作基础持力层。

4.4 防洪堤细部结构设计

防洪堤基础开挖深度取决于基础性质，如果开挖基础为黏土，则基础埋置深度≥1 000 mm；如果开挖基础为砂卵石，基础埋置深度≥800 mm；如果开挖基础为岩石，基础埋置深度≥500 mm。河堤采用生态式河堤治理，生态式河堤下部采用尺寸1 m×1 m×2 m 的石笼格宾挡墙。

5 堤基及开挖边坡稳定性分析

5.1 堤岸稳定问题

治理河段河谷宽缓，沿岸堆积岸阶地发育，堤岸低矮不存在高边坡，边坡地形坡度一般为5°～10°，且陡峻处均有基岩出露，调查中未发现有边坡开裂、滑塌等不良物理地质现象，堤岸边坡整体稳定性好。

5.2 堤背稳定问题

工程大部分地段为河流阶地，地形平缓且堤后地形低矮，堤防修建后，堤顶将高于堤后地面，要做好回填处理，回填料宜选择透水性好的碎石或砂卵（砾）石，还要及时做好堤后生态保护措施。

5.3 基坑开挖边坡稳定问题

防洪堤沿线分布地基岩土主要为冲洪积的砂卵石层，其表层结构松散，施工开挖基坑边坡自稳能力差，施工中易产生滑塌现象，必要时应做好临时支护处理。基坑开挖临时坡比为：覆盖层1∶1.00～1∶1.25，强风化基岩1∶0.50～1∶0.75。

5.4 堤基冲刷淘蚀问题

白水河属于山区河流，具有暴涨暴落的特点，洪水期水量大，防洪堤的修建增加了河道的过流能力，但对加剧了洪水对堤脚的冲淘作用。由于堆积岸河水的流速较小，所堆积的砂卵石层对堤防具有一定的保护作用，但其透水性也强，表层松散且抗冲刷能力差，很容易引发堤基渗透或破坏，因此拟建为生态式河堤。

5.5 基坑涌水问题

由于砂卵石层透水性强，当河水位高于基坑底部时，基坑会存在涌水问题；治理河段基坑时由于有河湾地块阻碍，河水流量较大，尤其是汛期，河水位上升将大幅增加基坑涌水量，基坑抽排水具有一定困难，不利于工程施工。基础施工过程中，应做好围堰并准备抽排设备，围堰体施工应采用透水性差的黏土或黏土夹少量碎石。

6 结 论

白水河河道生态护坡工程的建设，既可避免洪水灾害造成的损失，也可以改善水环境、防洪区土壤质量，丰富自然景观，还能为当地形成“天蓝、地绿、水清、人和”的生态文明区，具有重要意义。通过项目工程的实施，形成封闭的防洪体系，将推动当地工农业经济快速发展。河道治理后，河道的防洪能力将达到10 年一遇，防御洪水的能力将大大提高，有利于保护沿岸人民群众生命财产安全，也为产业结构调整、农业生产持续稳定发展提供了有利条件。