蛤蜊河设计水面线推求及防护方案分析

刘兆楠

(大连市水务集团水研究院有限公司，辽宁 大连 116100)

河道综合治理工程旨在改善河道防洪能力不足，岸坡稳定性较差的现状。通过实施河道治理工程，可以提高河道防洪标准，保障河道沿线居民的安全，促进当地经济、社会发展。河道综合治理工程涉及到多个学科，是一个复杂的工程。河道沿线地质条件复杂，治理工程里程较长，因此，选取适宜的治理方案，可以节约工程投资，保障工程安全[1-3]。

1 工程概况

蛤蜊河治理工程的主要任务对河道两岸堤防进行加高、局部河段清除河底漂石、对两岸岸坡进行宾格网箱防护等，并使河道满足防洪要求、岸坡稳定及抗冲刷要求；同时对岸坡通过换填种植土、撒播草籽、种植枫杨等绿化种植措施，使河道达到生态景观的需要；在河道两岸有排水要求的堤防上修建排水涵，满足两岸排水要求。蛤蜊河步云山乡段防洪标准应为10～20年一遇。综合考虑谦泰村在步云山乡未来的发展定位和目标，蛤蜊河谦泰村段(步云山大桥至马屯大桥、29+143—32+207)采用20年一遇防洪标准，其他河段(23+400—29+143、32+207—34+150)采用10年一遇标准设防。

2 水面线推算

2.1 计算条件

2.1.1计算范围

本次水面线计算范围为蛤蜊河步云山乡东地桥向上游至吕家屯(23+400—34+150)，计算河长10.75km。

2.1.2地形资料

本次有实测1∶500平面带状地形图及实测现状横断面图，水面线计算采用设计河道平面及断面、并结合现状进行水面线推求。

2.1.3起推水位

计算段河道为缓坡，自下游向上游推求水面线。本次起推位置采用治理段下游起点(23+400)向下游2.5km处，治理段以下2.5km的河道横断面采用《大连市蛤蜊河河道治理规划报告》中横断面，该处水位采用明渠均匀流计算，通过计算该处10年一遇设计洪水水位为140.14m，向上游推求到治理起点23+400处水位为151.94m。则，本次治理段起点10年一遇起推水位为151.94m，采用此水位作为蛤蜊河治理段的起推水位向上游推求水面线。

2.1.4控制断面处水位

治理后河道上穿河建筑物有庄盖高速桥下过水路(25+143)、老虎汀过水路(30+556)、拦沙跌水坝5～1(26+929、27+036、27+128、29+242、29+319)。

在过水路及拦沙跌水坝处按照堰流计算该断面水位，并以此为水位继续向上游推求水面线。

堰流计算公式，具体如下：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；B—堰长，m；m—流量系数；σs—淹没系数；σc—侧收缩系数，无测收缩，取1；H0—堰前水头，m；H—堰上计算水深，m。

通过判断，4#拦沙跌水坝为淹没出流，其余均为自由出流的实用堰，堰上水深计算成果见表1。

表1 各控制断面控制水位计算成果表

2.1.5糙率选取

河道糙率取值参考《水力计算手册》中的河道糙率表，然后结合本次治理后河道的实际情况综合确定。

通过对治理段河道的现场勘查并结合治理后河道的实际情况分析，河道弯道较多、断面较规整、河道较宽、水流较通畅、河床为卵石，河道糙率采用0.033。

2.2 计算方法

本次水面线的推算方法是依据能量守恒定律，自下游向上游逐断面推算水面线，主要公式如下：

(2)

(3)

2.3 设计成果

河道水面线计算成果如图1所示。

图1 蛤蜊河10年一遇设计洪水位计算成果表(23+400—29+143)

3 堤防工程

3.1 堤防设计

3.1.1堤防断面设计

河道堤防为土堤，设计堤顶宽度为3m，根据稳定计算，堤防迎水坡坡比为1∶2.5，背水坡坡比为1∶2.0。

堤防加高培厚采用河床开挖料回填，河床开挖首先去除表层漂石，用于附近河床整平，漂石以下土层开挖用于堤防填筑。

3.1.2堤防超高计算

堤顶超高由下式计算：

Y=R+e+A

(4)

式中，Y—堤顶超高，m；R—设计波浪爬高，m；e—设计风壅增水高度，m；A—安全加高，按不允许越浪取0.5m、0.6m。

堤顶超高计算结果见表2。

表2 堤顶超高计算成果表

设计堤顶高程成果如图2—3所示。

图2 左岸堤顶设计高程

图3 右岸堤顶设计高程

图4 标准断面1

图5 标准断面2

3.2 防护设计

3.2.1防护型式比选

本次治理河段流速基本都大于2m/s，需采用硬质护坡。结合本工程特点，防护型式的选择应满足抗冲要求，又应该符合生态景观要求，本工程采取两种方案。

方案一是宾格网垫护坡。该方案采用编织的聚脂膜宾格网垫内回填块石，其结构为柔性结构，整理性好，抗冲流速大，并具有透水性、透气性，可形成自然生物带，生态效果较好，网垫表层也可覆土种植，可以实现景观种植要求，其造价较高。

宾格网垫护坡既能满足结构稳定，又能覆土种植满足景观要求，且该方案现在应用广泛，效果较好。工程大部分护坡均采用宾格网垫护坡。

方案二是干砌石护坡。该方案结构简单，适用广泛，与宾格网垫相比，抗冲流速低，但其造价低于宾格网垫护坡。

干砌石护坡结构简单、造价较低，因此在现状冲刷不大的治理段末端漂流段采取干砌石护坡，节省造价。

3.2.2防护结构设计

根据不同河段冲刷程度，堤防迎水坡防护型式设计为4种，为标准断面1—标准断面4；另外，老虎汀左岸交通路路基和乔沟右岸交通路路基采用混凝土挡土墙防护；下游漂流段右岸紧邻交通路，所以，在堤肩与路之间建设防浪墙[7]。

(1)标准断面1

应用于河道较顺直、现状冲刷较小的河段凸岸，在治理段下游，总长1.96km。

堤防迎水坡采用干砌石护坡，护坡厚度250mm，堤顶防护长度0.5m，护坡下铺设400g/m2无纺布反滤；护脚采用1.0m×1.0m宾格网箱防护，护脚下铺设400g/m2无纺布反滤；块石粒径不小于200mm，块石强度等级MU40；护脚块石采用河床清除漂石，漂石粒径选用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m与设计洪水位之上0.5m之间种植枫杨，枫杨选择一年生类型，间距1.5×1.5m布置，枫杨种植采用生态袋(袋装种植土)，生态袋尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在设计洪水位与堤顶之间铺设种植土100mm厚，并播撒草籽。

(2)标准断面2

应用于现状冲刷较重、岸坡坍塌的河段或凹岸，及罗岛周围岸坡，总长6.438km。

堤防迎水坡采用宾格网垫护坡，护坡厚度500mm，堤顶防护长度0.5m，护坡下铺设400g/m2无纺布反滤；护脚采用宾格网箱防护，网箱采用“L”型，水平防护长度为2.5m，防护厚0.5m，前沿防护深为1.0m，护脚下铺设1层400g/m2无纺布反滤。块石粒径不小于200mm，块石强度等级MU40，网孔80mm×115mm；护脚块石采用河床清除漂石，漂石粒径选用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m与设计洪水位之上0.5m之间种植枫杨，枫杨选择一年生类型，间距1.5m×1.5m布置，枫杨种植采用生态袋种植，生态袋尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在设计洪水位与堤顶之间铺设种植土100mm厚，并播撒草籽。

(3)标准断面3

应用于大部分河段，总长13.519km，应用具体河段如图6所示。

图6 标准断面3

堤防迎水坡采用宾格网垫护坡，护坡厚度300mm，堤顶防护长度0.5m，护坡下铺设400g/m2无纺布反滤；护脚采用宾格网箱防护，网箱采用“L”型，水平防护长度为1.5m，防护厚0.5m，前沿防护深为1.0m，护脚下铺设一层400g/m2无纺布反滤。块石粒径不小于200mm，块石强度等级MU40，网孔80mm×115mm；护脚块石采用河床清除漂石，漂石粒径选用不小于200mm。

迎水坡在高于河底0.5m与设计洪水位之上0.5m之间种植枫杨，枫杨选择一年生类型，间距1.5m×1.5m布置，枫杨种植采用坑换种植土，种植坑尺寸0.3mm×0.3mm×0.5mm；在设计洪水位与堤顶之间铺设种植土100mm厚，并播撒草籽。

(4)标准断面4

应用在老虎汀右岸，现状干砌石护坡较完整、坡脚被冲毁段，总长0.722km。如图7所示。

图7 标准断面4

保留现有干砌石护坡，重新修建护脚，护脚采用斜墙式宾格网箱防护，斜墙网箱高2.0m，基础埋深1.0m，网箱尺寸采用3m×1.5m×1.0m。网箱下铺设一层400g/m2无纺布反滤。块石粒径不小于200mm，块石强度等级MU40，网孔80mm×115mm；护脚块石采用河床清除漂石，漂石粒径选用不小于200mm。

3.2.3护坡厚度计算

宾格网箱护坡厚度计算采用《生态格网结构技术规程》中公式，公式及计算过程如下：

t=2.0Dm

式中，t—网垫最小厚度，m；Dm—填石的中值粒径，m；S0—博粒径安全系数，；Cs—填石稳定系数，；Cv—流速分布系数，；d—流速V处局部水深，m；V—断面平均流速，m/s；γs、γw—填石、水的容重，kN/m3，取26.5kN/m3和10.0kN/m3；K1—边坡修正因子，坡度1∶2.5时取0.94。

选取典型断面一25+200处(河道较顺直、现状冲刷较小的河段凸岸)：流速为3.56m/s，堤脚处水深为2.68m。通过计算Dm=0.09m，t=0.17m，故本次设计宾格网垫护坡厚度为0.25m，网垫内要求填石粒径不小于200mm。

选取典型断面二30+200处(大部分河段)：流速为4.09m/s，堤脚处水深为1.99m。通过计算Dm=0.13m，t=0.26m，故本次设计宾格网垫护坡厚度为0.3m，网垫内要求填石粒径不小于200mm。

选取典型断面三31+100处(现状冲刷较重、岸坡坍塌的河段或凹岸)：流速为5.56m/s，堤脚处水深为3.77m。通过计算Dm=0.24m，t=0.48m，故本次设计宾格网垫护坡厚度为0.5m，网垫内要求填石粒径不小于200mm。

3.2.4冲刷深度计算

河道冲刷计算采用GB 50286—2013《堤防工程设计规范》附录D中公式，公式及计算过程如下。

水流平行于岸坡产生的冲刷深度计算：

式中，hs—局部冲刷深度，m；H0—冲刷处的水深，m；Ucp—近岸垂线平均流速，m/s；Uc—泥沙起动流速，m/s；U—行进流速，m/s；n—岸坡形状系数，；η—水流流速不均匀系数；γs、γ—泥沙与水的容重，kN/m3。

计算分别针对流速较大段和转弯段进行冲刷计算，转弯段选取桩号为30+900，流速较大段选择桩号28+000为最不利典型断面，计算结果见表3。

表3 护岸冲刷深度计算结果表

根据历史冲刷调查，较顺直河段冲刷深度较小，在转弯河段凹岸冲刷较严重。所以根据计算结果并结合实际情况，本次设计护脚采用“L”型宾格网箱型式：在较顺直河段护脚水平铺设长度采用1.5m、防护厚0.5m、前沿防护厚为1.0m；转弯段凹岸加大护脚尺寸，水平铺设长度采用计算深度的1.5倍，即水平铺设长度为2.5m、防护厚0.5m、前沿防护厚为1.0m。

3.3 堤岸岸坡滑动稳定分析

堤防边坡抗滑稳定计算分4种工况：

(1)稳定渗流期(设计水位)的背水坡；

(2)水位骤降期(堤前水深为设计水深的1/3)的临水侧岸坡；

(3)完建期的临水侧岸坡；

(4)完建期的背水侧岸坡。

滑弧稳定计算利用理正岩土计算软件，采用瑞典圆弧法，选择典型断面进行计算[4-6]。

3.3.1计算参数选择

根据地勘资料，现有河道河底卵石的容重均为19.6kN/m3，饱和容重为22kN/m3，黏聚力为0，内摩擦角36°。由于堤防采用河道原状土(卵石)回填，因此填筑料容重采用19.6kN/m3，饱和容重为22kN/m3，黏聚力为0，内摩擦角36°。

3.3.2计算典型断面

正常运用时期为工况(1)—(2)。选取堤防最不利断面23+800作为计算典型断面，此断面堤顶高程为159.14m，河底高程为153.72m，堤高5.42m，设计水位为157.94m，堤前水深为4.22m，背水坡地下水位为154.76m，水深为1.04m；特殊工况1为施工期。

只列出稳定渗流期的背水坡圆弧滑动示意图如图8所示，各工况的圆弧滑动稳定性计算结果见表4。

图8 滑动计算结果

表4 岸坡圆弧滑动稳定性计算结果

根据计算结果，护岸岸坡稳定安全系数均满足规范要求。

4 结语

(1)基于能量守恒定律、实测断面数据以及收集到的水文资料，对蛤蜊河23+400—29+143段水面线进行推求，进而获取设计堤顶标高数据。

(2)结合治理段河道的实际情况，分别采取宾格网垫护坡、干砌石护坡型式，以适应于不同段河道的治理需求。

(3)根据治理河道特点，确定4种标准断面型式，在不同的河道段加以应用。经过稳定性复核分析，安全性满足要求。

(4)河道综合治理工程涉及到多个学科的内容，尤其是现阶段生态环境保护理念逐渐受到重视，在河道综合治理工程中，需要结合城市发展规划建设，选择环境适宜性、规划符合性更好的断面型式。